毕业设计（论文）-汽车发动机曲轴加工工艺.doc

毕 业 论 文1摘 要曲轴是汽车发动机的重要零件。它的作用是把活塞的往复直线运动变成传动轴的旋转运动，将作用在活塞的气体压力变成扭矩，用来驱动工作机械和发动机各辅助系统进行工作。曲轴在工作时承受着不断变化的压力、惯性力和它们的力矩作用，因此要求曲轴具有强度高、刚度大、耐磨性好，轴颈表面加工的尺寸精确，且润滑可靠。本设计是根据被加工曲轴的技术要求，进行机械工艺规程的设计，然后运用夹具设计基本原理和方法，拟定夹具设计方案，完成夹具结构设计。主要工作有：绘制产品零件图，了解零件结构特点和技术要求；根据生产类型和所在企业生产条件，对零件进行结构分析及工艺分析；确定毛坯种类及制造方法；拟定零件机械加工工艺过程，确定各工序的加工余量与工序尺寸；机械加工工序卡片；设计指定的专用夹具，绘制装配总图和主要零件图。本次设计主要是为了提高曲轴零件的生产效率，以及加工精度。因此，制定工艺路线时严格按照基准先行，先主后次，先粗后精，先面后孔的工艺设计准则。先加工出基准，再用精基准定位加工其它工序。在夹具设计时，选择的是卧加两端加工的工序，加工时选择两个V形块支撑和轴向定位块定位，用压板夹紧，并且在夹具上设置合适的行程距离方便产品换型。通过本次设计我查阅了许多书籍和行业资料，了解到行业的发展进程和部分先进技术，扩展了我的专业视野，为将来的学习生活都有着重要的影响。关键词：机械制造，加工工艺，曲轴，夹具IABSTRACTCrankshaft is a very important parts of diesel engine. Ist action is change the to and fro straight-line motion of the piston into rotary motion,and change the gas pressure on the piston into torque, that is used to drive executive body and accessory system of the diesel engine. Crankshaft is withstanding the changing pressure, inertia force and the torque. So the crankshaft mast have high strength, high rigidity, high abrasion resistance and the surface of axle journal must have high precision with well lubricating. This design according to the required processing crankshaft technology, design of mechanical process, and then using the basic principle and method of fixture design, fixture design scheme, completed the design of fixture structure. The main work is: drawing parts drawing, understand the structure feature of parts and technology; according to the production and the production conditions, analysis of structural analysis and process on parts; determine the blank type and manufacturing method; develop parts machining process, determine the machining allowance and process dimensions of each process; machining process card the specified; special fixture design, drawing assembly drawing and parts drawing.This design is mainly in order to improve the production efficiency and the crankshaft parts, machining precision. Therefore, the development of process routes in strict accordance with the standard first, after the first meeting of the main, coarse to fine, process design criteria of the hole after the first plane. The first processing base, and then refined reference positioning processing other processes. In fixture design, the choice is lying the plus ends of machining process, a choice of two V shaped block supporting and axial positioning block positioning processing, with plate clamping, and set the appropriate distance and convenient products on the clamp type change.Accroding to this design I looked through many books and industry information, understand some of the industry development process and advanced technologies,and also expanded my professional field.It has important influence on my future study and life.KEYWORDS: Machine manufacture Processing craft Crankshaft fixtur1目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪 论21.1设计的主要内容21.2国内外的研究现状3第二章 零件分析42.1零件的作用42.2曲轴工艺分析4第三章 工艺规程设计53.1确定毛坯的材料和制造形式53.2基面的选择53.2.1粗基准的选择53.2.2精基准的选择53.3制定工艺路线53.3.1工艺路线方案63.4机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定63.4.1确定加工余量73.4.2确定工序尺寸及其公差73.4.3加工余量计算8第四章 专用夹具设计114.1设计主旨114.2需要解决的主要问题114.2.1形状复杂114.2.2刚性差114.2.3技术要求高114.3确定夹具设计方案124.3.1选择定位基准，并确定工件的定位方式及定位元件的结构124.3.2确定工件的夹紧方式，选择合适的夹紧机构124.3.3确定卧加夹具与机床间的正确位置124.4夹紧力的计算134.4.1切削力的计算134.4.2工件正确夹紧所需力的计算144.4.3螺钉夹紧力14第五章 结束语15致 谢16参考文献171第一章 绪 论制造业生产的是具有直接使用价值的产品，而这些产品与社会的生产活动和人民生活息息相关。当今制造业不仅是科学发展和技术发明转换为现实规模生产力的关键环节，并已成为为人类提供生活所需物质财富和精神财富的重要基础。1.1设计的主要内容汽车发动机曲轴机械加工工艺规程与夹具设计（生产纲领：大批量生产）。掌握工业规程设计的基本要求，设计工艺规程内容及步骤，制作机械加工工艺过程卡片，机械加工工序卡片。掌握专用机床夹具设计的基本要求 ，设计曲轴两端加工卧加机床夹具，掌握夹具设计的程序与内容，绘制夹具总图和主要零件图。1.2国内外的研究现状伴随着汽车工业的发展，我国的发动机曲轴生产得到较大的发展，总量已具相当的规模，无论是设计水平，还是产品品种、质量、生产规模、生产方式都有很大的发展。曲轴在发动机中是承受载荷传递动力的重要零部件，也是发动机五大零部件中最难以保证加工质量的零部件，其性能、水平直接影响整机的性能水平及可靠性。因此，各工业发达国家十分重视曲轴的生产，不断改进其材质及加工手段， 以提高其性能水平，满足发动机行业的需要。近几年来， 国内曲轴加工发展十分迅速。尤其是大功率汽车机曲轴。先进的加工工艺加工出的曲轴质量好、效率高且稳定，伴随着汽车工业的发展，我国的发动机曲轴生产得到较大的发展。曲轴是汽油机中关键零件之一，其材质大体分为两类：一是钢锻曲轴，二是球墨铸铁曲轴。由于采用铸造方法可获得较为理想的结构形状，从而减轻质量，且机加工余量随铸造工艺水平的提高而减小。球铁的切削性能良好，并和钢制曲轴一样可以进行各种热处理和表面强化处理，来提高曲轴的抗疲劳强度和耐磨性。而且球铁中的内摩擦所耗功比刚大，减小了工作时的扭转振动的振幅和应力，应力集中也没有钢制曲轴的敏感。所以球磨铸铁曲轴在国内外得到广泛采用。 目前，国内大部分专业厂家普遍采用普通机床和专用组合机床组成的流水线生产，生产效率、自动化程度较低。曲轴的关键技术项目仍与国外相差1-2个数量级。国外的加工工艺广泛的采用数控技术和自动线，生产线一般由几段独立的自动化生产单元组成，具有很高的灵活性和适应性。采用龙门式自动上下料，集放式机动滚道传输，切削液分粗加工与精加工两段集中供应和回收处理。曲轴热处理的关键技术是表面强化处理，一般均为正火处理，为表面处理做好准备。表面强化处理一般采用感应淬火或氮化工艺，少数厂家还引用了圆角淬火技术和设备。 夹具是工艺装备的主要组合部分，在机械制造中占有重要地位。夹具对保证产品质量，提高生产率，减轻劳动强度，扩大机床使用范围，缩短产品试制周期等都具有重要意义。目前，单件、小批量生产正逐渐成为现代机械制造业新的生产模式。在这种生产模式中，要求加工机床和夹具装备具有更好的柔性，以缩短生产准备时间，降低生产成本，所以，按单一品种设计专用夹具的方法已不能满足生产发展的要求，而组合夹具正式适应这一生产模式的柔性工装设备。它对缩短工艺装备的设计，制造周期，以及产品换型后对原有工装夹具延续使用起到至关重要的作用。国外为了适应这种生产模式，也把柔性制造系统作为开发新产品的有效手段，并将其作为机械制造业的主要发展。 第二章 零件分析2.1零件的作用曲轴是汽车发动机的重要零件。它的作用是把活塞的往复直线运动变成旋转运动，将作用在活塞上的气体压力变成扭矩，用来驱动工作机械和汽车发动机各辅助系统进行工作。曲轴在工作时承受着不断变化的压力、惯性力和它们的力矩作用，因此要求曲轴具有强度高、刚度大、耐磨性好，轴颈表面加工尺寸精确。2.2曲轴工艺分析曲轴一般是由自由端、功率输出端和若干个曲拐组成。曲拐由主轴颈、连杆轴颈和曲柄组成。如所示，该曲轴是整体式曲轴，有四个曲拐；主轴颈和连杆轴颈分布在同一平面内，四个连杆轴颈在主轴颈两侧呈两两分布，相互夹角180。曲轴的工艺特点是：结构复杂，加工的尺寸精度、形位精度和表面质量要求较高；刚性差，属于易弯曲变形的异性轴类零件。曲轴的主要加工表面有：主轴颈、连杆轴颈及法兰盘端等。除了在零件图上的技术要求之外还应满足以下要求：曲轴半径公差为0.05mm。主轴颈、连杆轴颈与曲柄连接圆角的R0.4m。各连杆轴颈线之间的角度偏差不大于30。主轴颈、连杆轴颈需高频淬火，淬火区域表面硬度为5562HRC，淬火层深度0.8mm至1.5mm。曲轴的动力平衡不得大于17gcm。（见图2-1）图2-1图2-1 零件图第三章 工艺规程设计3.1确定毛坯的材料和制造形式 曲轴要求较高的刚性和冲击韧性，其形状尺寸以轴为主，毛坯形状较复杂，采用42Crmo较合适。大批量生产曲轴可用锻造，由于生产纲领是大批量生产，大批量生产故采用模锻。3.2基面的选择机械加工的最初工序只能用共件毛坯上未加工表面作为定位基准，这种定位基准称为粗基准;用已经加工过的表面作定位基准则称为精基准。在制定零件机械加工工艺规程时，总是先考虑选择怎样的精基准定位把工件加工到设计要求，然后考虑选择怎样的粗基准定位，把用作精基准的表面加工出来。3.2.1粗基准的选择粗基准选择的要求应能保证加工面与非加工表面之间的位置要求及合理分配各加工面的余量。同时要为后续工序提供精基准。具体有以下原则：为了保证加工面与非加工面之间的位置要求，应选择非加工面为粗基准；为了保证各加工面都有足够的加工余量，应选择毛坯余量最小的面为粗基准；为了保证重要加工面的余量均匀，应选择为粗基准；粗基准应避免重复使用，在同一尺寸方向上，通常只允许使用一次；作粗基准的表面应平整光洁，以使工件定位稳定可靠，夹紧方便。曲轴也是属于轴类零件，以外圆作为粗基准，通常以主轴颈外圆作为粗基准。3.2.2精基准的选择精基准选择时应能保证加工精度和装夹可靠方便，有以下原则：基准重合原则；基准同一原则；自为基准原则；互为基准原则；保证工件定位准确、夹紧可靠、操作方便的原则。精基准的选择主要应该考虑基准重合的问题。当设计基准与工序基准不重合时，应该进行尺寸换算。本曲轴主要选用加工过的第四主轴颈为精基准。3.3制定工艺路线工艺路线是工艺规程设计的总体布局。其主要任务是选择零件表面的加工方法、确定加工顺序、划分加工阶段。根据工艺路线，可以选择各工序的工艺基准，确定工序尺寸、设备、工装、切削用量等。在拟定工艺路线时应从实际情况出发，充分考虑应用各种新工艺、新技术的可行性和经济性。选择零件表面加工方法的主要根据：零件材料性质及热处理要求；零件加工表面的尺寸公差等级和表面粗糙度；零件加工表面的位置精度要求；零件的形状尺寸；生产类型；具体的生产条件。机械加工工序的安排原则：概括为十六字诀：基准先行，先主后次，先粗后精，先面后孔。在零件切削加工工艺过程中，首先要安排加工基准面得工序。作为精基准表面，一般都安排在第一道工序进行加工，以便后续工序利用该基准定位加工其它表面。其次安排加工主要表面。至于次要表面则可在主要表面加工后穿插进行加工。当零件需要分阶段进行加工时，即先进行粗加工，再进行半精加工，最后进行精加工和光整加工。总之表面粗糙度值最低的表面和最终加工工序必须安排在最后加工，尽量避免磕碰高光洁的表面。所有机械零件的切削加工总是先加工出平面（端面），然后再加工内孔。热处理工序的安排：预备热处理的是改善加工性能，为最终热处理作好准备和消除残余应力，如正火、退火和时效处理。它安排在粗加工前后和需要消除应力处。最终热处理的目的是提高力学性能，如调质、淬火、渗碳淬火、渗氮等。调质、淬火、渗碳淬火安排在半精加工之后，精加工之前进行，以便在精加工磨削时纠正热处理变形。辅助工序的安排：辅助工序主要包括动平衡检测、检验、去毛刺、清洗、涂防锈油等。检验工序是主要的辅助工序，重要零件粗加工或精加工后，重要工序加工之前，零件外送车间加工之前，零件全部加工结束之后都要检验。去毛刺也是不可缺少的工序，在成批生产中，对于车削回转表面的毛刺均由车工去除。3.3.1工艺路线方案1. 铣端面，钻中心孔及套车大小头外圆2. 车大头3. 车主轴颈及小头4. 产品刻标5. 铣角向定位面6. 粗铣连杆颈7. 精铣连杆颈8. 去毛刺9. 钻直油孔，斜油孔及孔口倒角10. 中频感应淬火及回火11. 圆角滚压及校直12. 两端孔系加工13. 钻攻大头螺纹孔14. 精车主轴颈开档15. 精磨主轴颈及连杆颈16. 铣键槽17. 精磨大头18. 精磨小头19. 油孔抛光20. 动平衡21. 精去毛刺22. 跳动检查23. 荧光磁粉探伤24. 轴颈抛光及清洗25. 终检26. 最终清洗27. 涂油，包装，入库3.4机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定选零件材料为42CrMo钢生产类型为大批量生产，以此为依据确定各加工表面的机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸。3.4.1确定加工余量合理选择加工余量对零件的加工质量和整个工艺过程的经济性都有很大影响，余量过大，则浪费材料及工时、增加机床和刀具的消耗；余量过小，则不能去掉加工前存在的误差和缺陷层，影响加工质量，造成废品。故应在保证加工质量的前提下尽量减少加工余量。确定加工余量有以下三种方法：1）分析计算法 通过分析影响加工余量的诸因素并应用理论公式进行计算来确定工序余量；2）查表修正法 实际生产中，加工余量常常是按有关工艺手册和资料结合具有具体情况加以修正确定的；3）经验估算法 由一些有经验的工程技术人员或工人根据经验，采用类比估算法确定加工余量。3.4.2确定工序尺寸及其公差零件每一道工序加工规定达到的尺寸称为工序尺寸。工序尺寸及其公差的大小不仅受到工序余量的影响，而且与工艺基准的选择有密切的关系。工序基准或定位基准与设计基准重合时，使用往前推算的方法就能得到其工序尺寸及公差，先确定各工序余量的基本尺寸再由后往前逐个工序推算，即由零件上的设计尺寸开始，由最后一道工序向前工序推算，直到毛坯尺寸，中间各工序尺寸公差等级都按经济精度，按入体原则确定极限偏差，毛坯尺寸公差及偏差按相应的标准确定。在复杂的零件加工中，常常是工艺基准不能直接选作设计基准，而必须经过基准换算，将设计尺寸换算成加工工艺所需要的尺寸即工艺尺寸。3.4.3加工余量计算查得到锻件毛坯加工后各个尺寸的公差如图3.1图3.1主轴颈（56 mm）（1）确定加工方案对于基本尺寸56mm，公差为0.018mm,公差等级为IT6。确定加工方案为粗车精车精磨。（2）用查表法确定加工余量毛坯总余量为=6mm。精磨余量=0.6mm；精车余量=1.4mm；粗车余量=4.0mm。（3）计算工序尺寸的基本尺寸。精磨以后工序基本尺寸为56mm（设计尺寸），各工序基本尺寸依次为：精车(560.6)mm=56.6mm；粗车(56.61.4)mm=58.0mm；毛坯(58.04.0)mm=62.0mm。（4）确定各工序尺寸的公差及基本偏差。查表2.40：精磨IT6；公差值为0.018mm；精车IT9；公差值为0.08mm；粗车IT11；公差值为0.190mm；毛坯CT10；公差值为2.8mm。工序尺寸按“入体原则”标注：精磨（56 mm）；精车56.6；粗车58；毛坯62。步骤基本同上，为了简明以下用表格列出：表3.1主轴颈（56 mm）工序名称工序余量工序尺寸工序公差工序尺寸及偏差精磨0.6056.000.01856精车1.4056.600.0856.6粗车4.0058.000.1958毛坯6.0062.002.8062表3.2连杆轴颈（48mm）工序名称工序余量工序尺寸工序公差工序尺寸及偏差精磨0.6048.000.01548精车1.4048.600.0848.6粗车4.0050.000.1650. 毛坯6.0054.002.8054表3.3大头台阶轴向长（mm）工序名称工序余量工序尺寸工序公差工序尺寸及偏差精车1.209.000.40粗车2.4010.200.60毛坯3.6012.602.60表3.4第五主轴颈轴向长（mm）（由于曲轴的连杆与主轴轴向公差一致，除基本尺寸外其余推算方法一样，所以选择其中一个轴颈，其余不进行说明。）工序名称工序余量工序尺寸工序公差工序尺寸及偏差精车1.2091.700.20粗车2.4092.900.60毛坯3.6095.302.20表3.5法兰盘外圆（mm）工序名称工序余量工序尺寸工序公差工序尺寸及偏差精磨0.6089.000.022精车1.1089.600.10粗车4.0090.700.22毛坯5.7094.72.80表3.6法兰盘上销孔（mm）工序内容工序余量工序尺寸工序公差工序尺寸及偏差钻孔0.380.015铰孔07.70.057.7毛坯-表3.7法兰上的八个螺栓孔（M12*1.25）工序名称工序余量工序尺寸工序公差工序尺寸及偏差钻-10.80.0510.80.05毛坯第四章 夹具设计为了提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动强度，通常需要设计专用夹具。决定设计第12道工序卧加两端加工夹具。4.1设计主旨本夹具主要用来加工曲轴两端孔系，在本道工序加工时，第一、二、三、四、五主轴颈都进行了精车加工，而且定位面3M已经加工出来了。主要要求是曲轴的轴向尺寸要求0.15mm.4.2需要解决的主要问题曲轴除了具有轴的一般加工规律外，也有它的工艺特点，主要包括形状复杂，刚性差及技术要求高，针对这些特点应采取相应的措施，分析如下：4.2.1形状复杂曲轴主轴颈与连杆轴颈不在同一轴上线，相位有一定的尺寸要求，并且两轴有较高的跳动要求，同时主轴颈与连杆轴颈间有较大的平衡块，因此在工艺设计中应解决以下几点问题：a.设计加工曲轴的重复定位精度高，保证产品的轴向长度在0.15mm，跳动在0.1mm以内。B为了提高加工效率，提高生产线的柔性化，减少换型时间。4.2.2刚性差因本曲轴长径比较大，同时具有曲拐，因此刚性较差。在工艺设计中应解决以下问题：（1）：粗加工时由于切削余量大，切削力也较大，在铣削端面机床刀具及夹具都应有较高的刚度。（2）：合理安排工位次序以减少加工变形，按先粗后精的原则安排加工工序，逐步提高精度。4.2.3技术要求高曲轴技术要求较高，加工面多，需要保证的尺寸、形状、位置精度较多。因而总的工艺路线较长，精加工占有相当比例。加工时应要解决以下问题：A：正确分配粗加工、精加工余量。B：基准选择用曲轴第一和第五主轴颈，曲轴轴向定位以第四主轴颈轴肩定位，工艺设计时定位基准应尽量与设计基准一致。综上分析，鉴于曲轴两端加工夹具的典型性和特殊性，决定设计卧加两端加工的夹具。本夹具放置在卧加工作台上，每次装夹两件产品，一次装夹完成，需保证轴向尺寸及跳动，对夹具的定位夹紧机构精度要求较高，尽量减少定位和夹紧误差。综合分析以上问题，本夹具的设计存在特殊之处，对各部分的要求都相对较高，在设计时必须认真思考和全面地衡量，尽可能地减少夹具导致的加工误差和降低精度的因素。在保证加工质量的前提下，还要考虑提高生产率和降低成本，减轻工人的劳动强度。4.3确定夹具设计方案4.3.1选择定位基准，并确定工件的定位方式及定位元件的结构由零件图可知，连杆轴颈的加工基准是主轴轴外圆和第四主轴颈端面。为了使定位误差为零，应该选择以V形块定位的定心夹具。采用硬质合金端铣刀，直径36mm，z2mmm。为了简便实用，准备采用六角螺钉进行夹紧。4.3.2确定工件的夹紧方式，选择合适的夹紧机构按照夹紧的基本原则，确定工件以2个V形块定位，限制了y的移动，z的移动，y的转动，z的转动，然后用压板夹紧，夹紧机构用方头螺钉。其定位夹紧方式简图见图4.1。图4.1定位简图4.3.4确定卧加夹具与机床间的正确位置卧加工装与机床间的正确位置是靠夹具体底板底平面上的两个定位键与机床工作台上的T形槽配合确定的。常用的定位键为矩形断面结构。定位键用螺钉（GB65/T2000）联结在夹具体底面的一条纵向槽中，一个夹具需要配置两个定位键。夹具在机床工作台导航定位后，需要用T形螺栓和螺母及垫片把夹具与机床夹紧。因此，卧加工装的夹具体上需要设计座耳。4.4夹紧力的计算4.4.1切削力的计算铣削刀具：硬质合金刀片，主偏角900，影响夹具夹紧力的主要因素是径向切削力，因此本次设计主要考虑径向切削力得： 式（4.1）式中：FP径向切削分力削力（N）；ap铣削深度，取2.5mm；f每转进给量，取0.7mm；Vc切削速度65.9m/s；Kp修正系数；又 式（4.2）Kmp考虑工件材料机械性能的系数，取0.92；考虑刀具几何参数的系数。取0.5取1.0取0.66因此Kp=0.920.51.00.66=0.3036则Fp=23832.50.90.70.665.9-0.30.3036=379.28N在计算切削力时，必须考虑安全系数，总的安全系数由考虑各种因素所需的安全系数来决定 式（4.3）式中：基本安全系数，一般均取1.5；加工性质系数。精加工：1.2；刀具钝化系数。一般1.01.9。取1.1；切削特点系数。断续切削：1.2；考虑夹紧动力稳定性系数。1.3；考虑手动夹紧时手柄位置的系数。1.0；仅在有力矩企图使工件回转时，才应考虑支撑面接触情况的系数。1.5。所以得：K1.51.21.11.21.31.01.5=4.6332于是 FK*FP1757.3N M=L*Fp94824.4.2工件正确夹紧所需力的计算工件以V形块定位，压板夹紧，为防止工件在切削扭矩M（）的作用下打滑而转动所需的夹紧力： 式（4.4）式中：工件与压板间在圆周方向的摩擦系数，0.16；工件与V形块间在圆周方向的摩擦系数，0.7；所以得： 1571.88N 4.4.3螺钉夹紧力d16mm的螺钉，螺距1.5；中径15.03，小径14.38。扳手长度L190mm，夹紧力Q1163N。由于曲轴是两头对称夹紧，所以螺钉可以提供的压紧力为单个螺钉提供的压紧力的2倍，为2326N,而工件正确夹紧所需压紧力为15