曲轴加工工艺及工装毕业设计

1、前言不管在发达国家还是发展中国家，机械制造业水平都是一国生产力的体现。而作为机械制造业发展水平的一个重要体现，汽车制造业发展状况具有很强的代表性。进入21世纪以后，发动机曲轴在制造工艺。刀具等方面都发生了巨大的变化。与以前加工工艺有很多不同，临近半个世纪的多刀车削工艺和手动磨销工艺，由于加工精度低和柔性差等原因，将逐步退出历史舞台。高效复合加工技术及装备迅速进入汽车及零部件制造业，曲轴的高效复合加工技术在行业内也有相当程度的应用，这都将代表这一行业的未来发展趋势。正是基于以上出现的信情况，进入21世纪以来，高效复合加工技术及装备汽车制造业得到了迅速的应用，生产效率得到了很到的提高，发动机曲轴生

2、产线生产设备数量才得以减少，一条轿车发动机曲轴生产线，全线仅有十几台设备左右便可完成曲轴的整个加工过程，产品周转线短，加工效率高，易于质量管理。 因此本次毕业设计，在设计过程当中，务求在结合国内生产现状的情况下，充分学习国际先进加工技术，在理论上对传统的工艺进行改进，这也是本次设计的核心理念。本说明书就是对本次设计的内容进行介绍和说明。摘要：本说明书主要介绍了六缸汽车发动机曲轴的加工工艺，及其中一道工序的的夹具设计，还包含了测量连杆轴颈的单头双极限卡规的设计。设计的理念是：在保证产品质量的前提下，充分利用现有生产条件，尽量提高生产率、降低成本、保证工人有良好且安全的劳动条件。在工艺设计过程当中

3、，设计充分考虑现有加工水平，并对传统工艺进行分析，在理论上进行设计改进。在设计过程当中大量收集曲轴加工相关资料，多工件材料、结构特点、技术要求及工艺分析的基础上，并在老师的指导下，设计出了符合曲轴加工的理论工艺路线。关键词：发动机、曲轴、工艺、夹具Keywords: engine, crankshaft, process, fixture一、零件分析1、零件介绍曲轴是汽车发动机的主要零件之一，用于将活塞的往复运动变为旋转运动，以输出发动机的功率。曲轴工作时要承受很大的转矩及大小和方向都发生变化的弯矩，因此曲轴应有足够的强度、支承刚度及耐磨性。曲轴的质量分布平衡，防止因不平衡产生离心力，使曲轴承

4、受附加载荷。曲轴的形状和曲柄的相互位置，决定于发动机气缸的数目、行程数、排列情况及各气缸的工作顺序。在单列式多缸发动机中，连杆轴颈的数目与气缸数相同，主轴颈的数目由发动机的型式和用途决定。多主轴颈曲轴的优点是：提高了曲轴承载能力，减少了轴颈载荷。但也使曲轴长度增加，材料消耗增加，机械劳动量也随之增加。2、零件的工艺分析根据已完成曲轴的零件图，尺寸、公差和技术要求齐全；零件选用材料为QT700-2，该材料具有较高的强度、韧性和塑性，切削性能良好；结构工艺性较好。根据各加工方法的精度及机床所能达到的敬加工精度，该零件没有不可完成加工表面，零件要求的各加工表面均可完成。3、零件的结构 结构特点：曲轴

5、一般由主轴颈，连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成。一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐。直列式发动机，曲轴的曲拐数目等于气缸数；V型发动机曲轴的曲拐数等于汽缸数的一半。主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座中。主轴承的数目不仅与发动机汽缸数目有关，还取决于曲轴的支承方式。  曲轴的连杆轴颈是曲轴与连杆的连接部分，通过曲柄与主轴颈相连，在连接处用圆弧过渡，以减少应力集中。直列发动机的连杆轴颈数目和气缸数相等。V型发动机的连杆轴颈数等于气缸数的一半。曲柄是主轴颈和连杆轴颈的连接部分，断面为椭圆形，为了平衡惯性力，曲柄处铸有(或紧固有)平衡重块。平衡重块

6、用来平衡发动机不平衡的离心力矩，有时还用来平衡一部分往复惯性力，从而使曲轴旋转平稳。 曲轴前端装有正时齿轮，驱动风扇和水泵的皮带轮以及起动爪等。为了防止机油沿曲轴轴颈外漏，在曲轴前端装有一个甩油盘，在齿轮室盖上装有油封。曲轴的后端用来安装飞轮，在后轴颈与飞轮凸缘之间制成档油凸缘与回油螺纹，以阻止机油向后窜漏。曲轴零件展开图：4、零件生产类型根据毕业设计任务书的要求，本次设计的零件加工批量为大量生产。故初步确定工艺安排的基本倾向为：加工设备以自动化和专用设备为主，通用该设备为辅；机床按流水线或自动化线排列；广泛采用专业量具、量仪和自动检验装置。5、零件毛坯确定毛坯种类由于曲轴要求有较高

7、的强度、干股和良好的耐磨性，因此一般都选用优质碳素钢、合金钢、球墨铸铁、可锻铸铁或合金铸铁材料制作。今年来稀土球墨铸铁应用广泛，它有铸造性好、较小的缺口敏感度等优点。因此本次设计选用球墨铸铁。依据曲轴的结构形状、尺寸大小和生产类型，毛坯的制造方法选用金属膜机械砂型铸造。根据机械制造技术基础课程设计指导书，表23铸件尺寸公差等级采用CT8级，表24机械加工余量RMAG级，毛坯的铸造技术要求本次设计没有涉及，因此不在叙述。确定铸件余量及形状根据机械制造技术基础课程设计指导书表2-5，确定敬爱工余量等级为MA-G级，查表2-4，确定各加工表面的机械加工余量。对于金属模机械砂型铸造，根据机械制造技术基

8、础课程设计指导书最小铸出孔的直径，故本零件上的孔不铸出。零件毛坯图二、机械加工工艺过程设计1、确定各表面加工方法根据各表面加工要求和各种加工方法所能达到的经济精度，机械制造技术基础课程设计指导书表1-20选择零件表面的加工方法与方案如下：主轴颈：车（IT11）粗磨（IT8）精磨（IT6）抛光（IT6）连杆轴颈：粗铣（IT10）精铣（IT8）半精磨（IT7）精磨（IT6）抛光（IT6）前端轴颈：车（IT10）精磨（IT8）抛光（IT7）油封轴颈：车（IT10）精磨（IT8）抛光（IT7）法兰盘端面：铣（IT10）精车（IT8）前端轴端面：铣（IT10）平衡块外圆：粗车（IT12）键槽：铣（IT1

9、0）油孔：钻（IT12）法兰盘端面孔：钻（IT12）扩（IT10）精绞（IT8）前端轴颈端面螺纹孔：钻（IT12）绞（IT10）攻螺纹（IT8）2、 确定工艺过程方案拟定方案 各表面的加工方法已基本确定，现按照“先基准后其它”、“先粗后精”、“先主后次”、“先面后孔”的原则，初步拟定两种工艺过程方案，如下：方案一方案二工序号工序内容工序号工序内容1制造毛坯1制造毛坯2毛坯检验2铣端面打中心孔3铣端面打中心孔3毛坯检验4检验4铣工艺定位面5车全部主轴颈、及前端轴颈和油封轴颈5检验6检验6粗车主轴颈及两端轴颈和法兰盘端面7粗铣连杆轴颈7检验8检验8精车1、3、4、6主轴颈及小端轴颈9车平衡外圆9精

10、车2、5、7主轴颈、油封轴颈、法兰外圆及端面10在油封轴颈上铣右旋回油螺纹10检验11铣键槽11车平衡块外圆12精铣连杆轴颈12铣第1、12曲臂定位面13在六个连杆轴颈上钻孔13检验14在第1、2、3、5、6、7主轴颈锪14车曲轴连杆轴颈15钻油孔15检验16钻油孔16在油封轴颈上铣右旋回油螺纹17钻有空17在六个连杆轴颈上钻孔18清洗18锪球窝19检验19钻油孔20中频淬火及回火20钻油孔21检验21钻油孔22粗磨主轴颈22清洗23半精磨主轴颈23检验24探伤检验24中频淬火25精磨前端轴经25检验26精磨油封轴颈及法兰盘端面26半精磨1、7主轴颈27精磨主轴颈及连杆轴颈27检验28检验28

11、精磨连杆轴颈29钻、绞孔，攻螺纹29加油30精车法拉盘端面及退刀槽30精磨第4主轴颈31扩、绞、镗孔31精磨第1主主轴颈及齿轮、带轮轴颈32动平衡试验32精磨第2、3、5、6主轴颈33粗抛光33精磨第7主轴颈34精抛光34抛光油封轴颈35清洗35精磨法兰外圆36检验36检验37铣键槽38钻、绞孔，螺纹39检验40去毛刺41动平衡检验及去重42精车法兰端面及退刀槽43扩、镗、绞孔44抛光45清洗46检验方案讨论方案一：工序基本遵循工艺设计原则，且适当集中，保证了加工精度要求和效率要求，采用了专用的曲轴加工机床，适合大量生产类型。方案二：工序分散，但部分工序安排不合理，且基本运用普通机床，不利于效

12、率的提高，适合中小批量的生产。根据以上分析，及实际情况的考虑，确定方案一为曲轴零件的加工工艺方案。3、确定工序尺寸根据机械制造技术基础课程设计指导书的各表，现将各表面的加工方法、加工尺寸、精度等级、表面粗糙度查出，见下表：加工内容加工余量精度等级表面粗糙度Ra（um）主轴颈铸件抛光精磨粗磨车4.50.40.63.5CT8IT6IT7IT8IT100.20.40.63.2连杆轴颈毛坯抛光半精磨精铣铣4.50.81.22.5CT8IT6IT7IT8IT100.20.81.63.2选取前端轴颈毛坯抛光精磨车2.70.42.3CT8IT7IT8IT100.81.63.2油封轴颈毛坯精磨车30.62.4

13、CT8IT8IT101.63.2法兰盘端面毛坯精车铣2.20.61.6CT8IT8IT100.81.6前端轴端面毛坯铣0.70.7CT8IT101.6平衡块外圆毛坯车2.22.2CT8IT101.6键槽毛坯铣IT106.3油孔钻法兰盘端面孔绞扩钻IT8IT10IT121.66.312.6前端轴颈端面螺纹孔攻螺纹扩钻IT8IT10IT121.66.312.54、确定主要工序时间定额基本时间tj的计算 工序3：铣端面、钻中心孔铣端面：根据公式：选取参数：进给量：齿数：转速：基本加工时间：钻孔：根据公式：选取参数：基本时间：所以，基本时间：。工序5：车全部主轴颈、前端轴颈及油封轴颈和法兰外圆车主轴颈

14、： 根据公式：选取参数：基本时间： 车前端轴颈：根据公式：选取参数：基本时间：所以本工序基本时间：工序7：粗铣连杆轴颈根据公式：选取参数：基本时间：工序9：车平衡外圆根据公式：选取参数： 基本时间：工序11：铣键槽根据公式：选取参数：d=6mm = =4.96mml2=3.5mmz=3n=160r/min基本时间： = =0.29min工序14：在六个连杆轴上钻孔根据公式：选取参数：f=0.1mm/rn=960r/minkr=54°D=6mm = =3.28mml2=0mm基本时间： = =0.84min辅助时间的tf计算 根据公式，辅助时间ta与基本时间tj的关系为tf=（0.15

15、0.2）tj，取tf=0.15tj，则各工序的辅助时间分别为： 工序3：tf=1.83×0.15=0.275min；工序5：tf=2.2×0.15=0.33min；工序7: tf=0.44×0.15=0.066min；工序9: tf=0.43×0.15=0.0645min。工序11：tf=0.29×0.15=0.0435min工序14：tf=0.8×0.15=0.126min、其他时间的计算 除了作业时间以外，每道工序的单间时间还包括布置工作地时间、休息时间与生理需要时间和准备与终结时间。由于本次设计拨叉的生产类型为大量生产，分摊到每

16、个工件上的准备与终结时甚微，可以忽略不计；布置工作地时间tb是作业时间的2%7%,休息与生理需要时间tx是作业时间的2%4%，本例均取为3%，则各工序的其他时间（tb+tx）可按关系式（3%+3%）×（tj+tf）计算，他们分别为：工序3的其他时间：tb+tx=（3%+3%）×（tj+tf）=6%×（1.83+0.275）=0.126min工序5的其他时间：tb+tx=（3%+3%）×（tj+tf） =6%×（2.2+0.33） =0.52min工序7的其他时间：tb+tx=（3%+3%）×（tj+tf） =6%×（0.44

17、+0.066） =0.030min工序9的其他时间：tb+tx=（3%+3%）×（tj+tf） =6%×（0.43+0.0645） =0.030min工序11的其他时间：tb+tx=（3%+3%）×（tj+tx） =6%×（0.29+0.0435） =0.02min工序14的其他时间：tb+tx=（3%+3%）×（tj+tx） =6%×（0.84+0.126） =0.058min、单件工作时间各工序的单间加工时间分别为：工序3的单件时间：tdj=tj+tb+tx+tf= 1.63+0.275+0.126=2.031min工序5的单件时

18、间：tdj=tj+tb+tx+tf=2.2+0.33+0.52=3.05min工序7的单件时间：tdj=tj+tb+tx+tf =0.44+0.066+0.03=0.536min工序9的单件时间：tdj=tj+tb+tx+tf =0.43+0.0645+0.03=0.525min工序11的单件时间：tdj=tj+tb+tx+tf =0.29+0.0435+0.02 =0.3535min工序14的单件时间：tdj=tj+tb+tx+tf =0.84+0.126+0.058 =1.024min三、夹具设计1、夹具原理本夹具为工序一“铣端面、钻中心孔”组合机床夹具。根据零件特点，粗步拟定夹具原理：方

19、案一：采用手动偏心夹具。夹具简要原理为，设定定位元件，将曲轴置于定位元件之上，在工件两头采用压板夹紧，夹紧力来自手动偏心轮，以手动分别操作两边偏心轮夹紧工件。此定位夹紧方案有如下特点：a、结构简单；b、操作繁琐、复杂、不可靠；c、生产效率不高，适合小批量生产加工。方案二：采用液压自动夹紧夹具。夹具简要原理为，设定定位元件，将工件置于定位元件之上，在工件两头采用压板自动夹紧，力源来自液压缸，利用电气控制，使液压缸的自动夹紧。此定位夹紧方案有如下特点：a、结构较复杂；b、结构简单可靠；c、生产效率较高，适合大批量生产加工。综合考虑，工序一的中心孔将作为后工序的加工基准，且零件生产类型为大批量生产，

20、因此本夹具要求快速，高精度等特点。所以夹具原理选定方案二。2、定位方案本工序加工端面及中心孔，因此只需限制5个自由度，绕工件轴心旋转的旋转自由度不需限制。考虑到曲轴零件的结构特征，选定一、七主轴颈为主定位面，第四主轴颈为辅助定位面，因为跨度较大，所以第四主轴颈又作为辅助支承。一、七主轴颈限制2个移动，2个转动，共4个自由度。第四主轴颈限制1个移动自由度。3、定位及导向元件设计工件定位由夹具方案可知，零件需要定位的自由度为5个,3个移动，2个转动。结合定位面的结构，及曲轴零件的结构，很难采用标准定位元件，所以主定位元件设计为非标准V形块，辅助定位支承设计为侧面定位、圆弧面支承的非标件。非标V形块

21、如下图：夹具体定位及固定 本夹具是组合机床夹具，所以设计为配作定位销孔定位。在夹具体两翻边分别配作一个定位销孔，将夹具体完全定位。本工序为铣、钻加工，在铣床加工时受力复杂且受力较大，所以在夹具体两翻边分别装两根双头螺柱实现具体的固定。定位元件的定位及固定两个非标V形块在夹具体上定位和标准V形块一样，用两销和两螺钉定位夹紧，在装配时应按技术要求执行。它于结合基面的垂直度必须保证在工件尺寸公差带的1/3到1/2之间。4、夹紧装置设计考虑到夹紧的可靠及安全，所以工件的夹紧采用非标压板。压板的尾部开槽与液压缸连接提供夹紧力。压板的中前放开销钉孔与支架连接，作为一个支点。因为零件夹紧表面为毛坯面，所以压

22、板为头部为弧形，开有销钉孔，与另一个弧形压板连接形成一个可以转动的机构，提高了夹紧的可靠性。因为零件加工时还是毛坯，所以活动的铰链可以使夹紧更可靠。压板如图所示：5、夹紧力的计算切削力的计算在铣、钻加工当中，铣削的切削力比钻销要大且复杂，所以本工序的切削力按铣削力来计算，根据公式：选取参数：铣削深度：t=1.8mm每齿进给量：0.5mm刀具直径：D=60mm铣削宽度：B=141mm齿数：Z=3铣削力：夹紧力的计算液压缸提供的最大推力为394N，x为支点对压板的拉力，y点零件对压板的支承力，既是y就是压板对零件的压力，计算如下：由方程：394+Y=X394×110-60Y=0解得：X=

23、1116N；Y=722N。因为液压缸为左右两个，所以夹紧力：F=2Y =2×722=1444N6、压板的受力分析因为曲轴零件结构的特点，本夹具中的压板宽度受到限制，所以在压板上的开槽位置需经过计算确定，以提高加工的安全性。压板弯矩图如下：所以，在压板的支点处受弯矩最大。因此，压板在尾端开槽，支杆置于压板内，开销孔，用销与压板构成连接。支点处用外夹方式，支杆从两侧贴近压板，用销与压板构成连接。这种连接方式尽量的避免了，因为人为的开槽降低压板的抗弯性。示意图如下：7、 夹具体设计夹具体设计的基本要求夹具体是夹具的基础件，夹具上的所有组成部分都必须最终这一基础联接成一个有机整体。设计夹具体

24、时应满足如下基本要求：a.足够的刚度和强度 应保证在加紧力和切削力等外力作用下，不产生过大的变形和振动。b.夹具安装稳定 机床夹具重心和切削力等力的作用点应处在夹具安装基面内。机床夹具高度越大要求夹具体底平面面积也越大。为使夹具体平面与机床工作台接触良好，夹具体底平面中间部位应适当挖空。c.夹具体结构工艺性良好 设计时应注意夹具体的毛坯制造工艺性、机械加工工艺性和装配的工艺性。d.便于清除切屑 为防止加工中切屑聚积在定位元件工作表面或其他装置中，影响工件的正确定位和夹具的正常工作，在设计夹具体时，要考虑切屑的排除问题。夹具体的材料及制造方法夹具体可以用铸造或焊接的方法制造。由于铸造夹具体有以下

25、特点：a.铸造工艺性良好；b.铸造夹具体吸振性良好；c.铸造夹具体承受抗压能力大。所以采用铸造夹具体。铸造夹具体的材料一般采用HT150或HT200，本次设计采用HT200。夹具体外形尺寸夹具体的制造属于单件生产，通常都参照类似结构，按经验类比法确定其结构尺寸。所以本夹具的基本尺寸如下：夹具体壁厚：h=30mm；夹具体加强筋厚度：h1=16mm夹具体长度：L=1100mm；夹具体宽度：B=590mm；夹具体高度：G=220mm。8、定位误差的计算 一批工件逐个在夹具上定位时，各个工件位置不一致的原因有两个方面：一是定位基准与工件基准不重合;二是定位基准发生位移。、基准不重合误差如图所示：工件的

26、工序简图与定位简图清楚的表达了，工件的定位基准与工序基准不重合。工件的工序基准为前轴端轴心，定位基准为主轴轴心。所以存在基准不重合误差。基准不重合误差等于联系尺寸的公差，联系尺寸即为前端轴颈与主轴颈的同轴度，由零件图可知，同轴度的公差即基准不重合误差等于：B=0.05mm工序简图定位简图、基准不重合误差由于一批工件的尺寸不可能一致，所以，工件的定位基准与限位基准会发生相对位移。根据V形块定位误差计算公式： =0.014mm所以孔加工的定位误差：D=B+Y=0.05+0.014=0.064mm。孔的直径为自由公差，查得公差为21mm。D1/3×21mm，此方案可行。四、量具设计根据设计

27、内容，要求设计一组测量曲轴连杆轴颈外圆直径的量规。所以确定所需设计量具为单头双极限卡规。1、轴实际尺寸的验收原理轴的真实尺寸必须位于规定的最大与最小极限尺寸范围内才算合格。考虑到车间实际情况，通常，工件的形状误差取决于加工设备及工艺装备的精度，工件合格与否只按一次测量来判断，对于温度、压陷效应以及剂量器具的标准器的系统误差均不进行修改。因此，测量尺寸时，由于诸多因数的影响而产生了测量误差，测得的实际尺寸通常不是真实尺寸，即测得的实际尺寸=真实尺寸+测量误差。鉴于上述情况，测量轴实际尺寸时，首先应确定判断其合格与否的尺寸界线，即验收极限。2、量具设计的计算解 已知连杆轴颈的尺寸620-0.02m

28、m，因此工作量规的通规和止规的尺寸分别为62mm和61.98mm。由几何量公差与检测附表7-5查出量规定形尺寸公差T为2.8um，通规定形尺寸公差带中心到被检测轴颈的最大实体之间的距离Z为3.4um。通规定形尺寸的上偏差为-（Z-T/2）=-2um，下偏差为-（Z+T/2）=-4.8um。止规的上偏差为+T=+2.8um，下偏差为0。因此，检测连杆轴颈的通规尺寸为mm即是；止规尺寸mm。3、量具的尺寸设计根据机械制造工艺设计简明手册，表5.2-2轴用极限量规形式和尺寸，查得量规的外圆直径：D1=116mm；高度:H=100mm；厚度B=10mm。量具简图如下：五、刀具设计1、麻花钻的结构 麻花钻包括四个部分，柄部、颈部、导向部分、切削部分。四个部分组合为一把刀具，完成各自功能，以下简述各部分的共能。柄部：用以夹持并传递扭矩，分为锥柄和直柄两类。直径12mm以上的钻头有锥柄，直径在12mm以下的用直柄。颈部：颈部是工作部分和柄部的联接部分，磨销钻头是也是砂轮退刀槽。导向部分：钻头的整个螺旋槽部分，有来能干条排屑通道，切屑由此排除。来能干条螺旋形的刃瓣的中间由钻心连接。钻心直径dc一般取外景的0.1250.15倍，并且从切削部分到尾部做出锥度。因此钻头要承受很大的轴向力合扭矩，如果钻心厚度过小，易引起钻头