汽车发动机曲轴的加工工艺及夹具设计-答辩稿

答辩人：指导老师：1.选题背景及意义柴油机自十九世纪后期出现以来，经过一百多年的不断研究和改进，已经发展到比较完善的程度，它以热效率高、功率和转速范围宽广、比重景较小的优点，在动力机械中占有极其重要的地位，广泛应用于国民经济和军事装备的各领域中，随着发动机技术的不断发展，发动机的设计向着高效率，高可靠性，轻质量，低燃油消耗率以及低排放等方向发展，其强化指标不断提高，机械负荷不断增加。作为发动机中最重要、载荷最大、价格较贵的零件之一的曲轴在周期性变化的气体力、往复和旋转运动引起的惯性力以及他们的扭矩、弯矩的共同作用下，产生弯曲和扭转变形，工作条件愈加苛刻。因此，对曲轴的刚度和强度提出了很高的要求，也是发动机设计的重点和难点之一.曲轴是发动机的关键零件，其尺寸大小在很大程度上影响着发动机的外形尺寸和重量，以及工作可靠性和寿命。曲轴的破坏事故可能引起其它零件的严重损坏。随着内燃机的发展与强化，曲轴的工作条件愈加严酷了，必须在设计上正确选择曲轴的结构形式与尺寸、材料与工艺，以求获得满意的技术经济效果。曲轴的基本工作载荷是弯曲载荷和扭转载荷；对内不平衡的发动机曲轴还承受内弯矩和剪力；未采取扭转振动减振措施的曲轴还可能作用着幅值较大的扭转振动弹性力矩。这些载荷都是交变性的，可能引起曲轴疲劳失效。实践表明，弯曲载荷具有决定性作用，弯曲疲劳失效是

主要破坏形式。因此．曲轴结构强度的研究重点是弯曲疲劳强度，曲轴设计上要致力于提高曲轴的疲劳强度。曲轴是内燃机曲柄连杆机构的主要组成部分、三大运动件之一，是主要传力件。它的功用是把气缸中所作的功，通过活塞连杆汇总后以旋转运动形式输出。此外，曲轴还传动保证内燃机正常工作需要的机构和系统附件(如配气机构、燃油泵、水泵、润滑油泵等)，因此曲轴工作的可靠性和寿命在很大程度上影响内燃机工作的可靠性和寿命。曲轴的尺寸与内燃机整体尺寸和重量有很大关系，如曲柄销直径直接影响连杆大端尺寸和重量，后者又影响曲轴箱宽度，曲轴单位曲柄长度影响内燃机总长度，因此曲轴设计必须与内燃机总体设计一起考虑。曲轴又是一根连续曲梁，结构形状复杂，刚性差，材质要求严，制造要求高，是内燃机造价最贵的机件。随着内燃机的发展与强化，曲轴的工作条件愈加严酷了，必须在设计上正确选择曲轴的结构形式，并根据设计要求选择合理的尺寸、合适的材料与恰当的工艺，以求获得满意的技术经济效果。由以上所述可以看出曲轴设计的重要性。2.文献综述（国内外研究现状与发展趋势）2.1夹具的概述机械制造过程中用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受施工或检测的装置。又称卡具。从广义上说，在工艺过程中的任何工序，用来迅速、方便、安全地安装工件的装置，都可称为夹具。例如焊接夹具、检验夹具、装配夹具、机床夹具等。其中机床夹具最为常见，常简称为夹具。在机床上加工工件时，为使工件的表面能达到图纸规定的尺寸、几何形状以及与其他表面的相互位置精度等技术要求，加工前必须将工件装好（定位）、夹牢（夹紧）。夹具通常由定位元件（确定工件在夹具中的正确位置）、夹紧装置、对刀引导元件(确定刀具与工件的相对位置或导引刀具方向)、分度装置（使工件在一次安装中能完成数个工位的加工，有回转分度装置和直线移动分度装置两类）、连接元件以及夹具体（夹具底座）等组成。2.2机床夹具的现状国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多品种生产的工件品种已占工件种类总数的85％左右。现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场的需求与竞争。然而，一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具，一般在具有中等生产能力的工厂里，约拥有数千甚至近万套专用夹具；另一方面，在多品种生产的企业中，每隔3~4年就要更新50~80％左右专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为10~20％左右。特别是近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统（fms）等新加工技术的应用，对机床夹具提出了如下新的要求：能迅速而方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本；能装夹一组具有相似性特征的工件；能适用于精密加工的高精度机床夹具；能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具；采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置，以进一步减轻劳动强度和提高劳动生产率；提高机床夹具的标准化程度。2.3．现代机床夹具的发展方向现代机床夹具的发展方向主要表现为标准化、精密化、高效化和柔性化等四个方面。标准化机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。目前我国已有夹具零件及部件的国家标准：gb/t2148~t2259－91以及各类通用夹具、组合夹具标准等。机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。高效化高效化夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间，以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。常见的高效化夹具有自动化夹具、高速化夹具和具有夹紧力装置的夹具等。例如，在铣床上使用电动虎钳装夹工件，效率可提高5倍左右；在车床上使用高速三爪自定心卡盘，可保证卡爪在试验转速为9000r/min的条件下仍能牢固地夹紧工件，从而使切削速度大幅度提高。目前，除了在生产流水线、自动线配置相应的高效、自动化夹具外，在数控机床上，尤其在加工中心上出现了各种自动装夹工件的夹具以及自动更换夹具的装置，充分发挥了数控机床的效率。精密化随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。精密化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达±0.1"；用于精密车削的高精度三爪自定心卡盘，其定心精度为5μm。柔性化机床夹具的柔性化与机床的柔性化相似，它是指机床夹具通过

调整、组合等方式，以适应工艺可变因素的能力。工艺的可变因素主要有：

工序特征、生产批量、工件的形状和尺寸等。具有柔性化特征的新型夹具种

类主要有：组合夹具、通用可调夹具、成组夹具、模块化夹具、数控夹具等。为适应现代机械工业多品种、中小批量生产的需要，扩大夹具的柔性化程度，改变专用夹具的不可拆结构为可拆结构，发展可调夹具结构，将是当前夹具

发展的主要方向。图1.1发动机曲轴曲轴UG建模图加工工艺过程铣两端面保证总长粗车左右两端，工艺轴径上铣键槽粗精车三处拐径，留磨削余量精车左右两端，留磨削余量磨削左右两端及拐径至尺寸铣右端键槽检验3.研究内容3.1

汽车发动机曲轴的介绍曲轴为引擎的主要旋转机件，装上连杆后，可承接连杆的上下(往复)运动变成循环(旋转)运动。是发动机上的一个重要的机件，其材料是由碳素结构钢或球墨铸铁

制成的，有两个重要部位：主轴颈，连杆颈，。主轴颈

被安装在缸体上，连杆颈与连杆大头孔连接，连杆小头

孔与汽缸活塞连接，是一个典型的曲柄滑块机构。曲轴

的润滑主要是指与摇臂间轴瓦的润滑和两头固定点的润

滑．曲轴的旋转是发动机的动力源。也是整个机械系统的源动力。曲轴是汽车发动机的关键零件之一,其性能好坏直接影响到汽车发动机的质量和寿命。曲柄连杆机构

是发动机的主要运动机构。其功用是将活塞的往复运动

转变为曲轴的旋转运动，同时将作用于活塞上的力转变

为曲轴对外输出的转矩，与驱动汽车车轮转动。曲柄连

杆机构由活塞组，连杆组和曲轴飞轮组的零件组成。3.2

汽车发动机曲轴在机构的工作原理汽车曲柄连杆机构是属于汽车发动机部分的一大机构。主要由：曲轴，连杆，活塞组成的，作用就是把燃油燃烧的膨胀能量转化为机械能。工作原理就是：燃料燃烧后的能量推动活塞上下运动，再由连杆带动曲轴作圆周运动。曲柄连杆机构是往复式内燃机中的动力传递系统。曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动部分。3.3曲轴的结构分析作用：承受连杆传来的力，并将此力转换成绕其自身的轴线的力矩。结构：前端：正时齿轮、正时链轮、皮带轮端；车用发动机还装有曲轴扭转减震器、启动爪（中、小发动机）。后端：飞轮端（功率输出端）。曲轴轴颈、曲柄（臂）、曲柄销（连杆轴颈）、平衡重等。连杆轴颈（曲柄销）一般采用空心轴颈。连杆轴颈的润滑依靠与主轴颈之间的斜油道来润滑。曲柄（臂）和平衡重曲柄臂：多采用椭圆形。衡重：减轻主轴颈负荷；减轻曲轴的内力矩，平衡发动机不平衡的离心力矩，一般不平衡往复

惯性力。3.4发动机曲轴的类型按照结构分：整体式和组合式。整体式曲轴：具有工作

可靠、重量轻、刚度、强度较高、加工表面较少的特点，中小型发动机中广泛采用。一般配合滑动轴承（有的单缸机采用滚动轴承）。组合式曲轴：当曲轴尺寸较大，曲拐数较多时，采用整体式结构将导致加工非常困难，可采用组合式结构。小型单缸发动机也有采用。按照支承形式分：全支承和非非全支承曲轴.全支承曲轴:优点是曲轴刚性好，不易弯曲，缺点是缸心距加大，机体加长，制造成本增加。柴油机多用全支承曲轴。非全支承曲轴:用于

中小功率的汽油机。3.5工作条件及材料工作条件发动机曲轴是高速旋转件，承受弯曲和扭转载荷。材料要求：刚度、强度、耐磨性要好。材料：中碳钢（45＃）或中碳合金钢（40Cr等）强化机：稀土球墨铸铁。但刚性差，所以曲轴支承要求较高。另外，曲轴支承受力处都必须进行耐磨处理，消除应力集中。3.6发动机曲轴的加工工艺曲轴主轴颈的粗加工、半精加工工艺和精加工工艺，大体分为以下几种：传统的曲轴主轴颈的多刀车削工艺。生产效率和自动化程度相对较低。粗加工设备多采用多刀车床车削曲轴主轴颈，工序的质量稳定性差，容易产生较大的内应力，难以达到合理的加工余量。一般精加工采用曲轴磨床，通常靠手工操作，加工质量不稳定，尺寸的一致性差。数控车削工艺。数控车削设备价格相对便宜，不需要复杂的刀具，但只适合小批量生产。数控内铣铣削工艺。内铣设备价格较高，刀具费用也很高，但适合大批量生产。数控车—拉、数控车—车拉工艺。其突出优点是可对宽轴径进行分层加工，切削效率高，加工质量好，但车拉刀具结构复杂，技术含量高，并且长期依靠进口，好处是可集车—车拉工艺加工连杆轴颈要两道工序于一起。CNC高速外铣工艺。数控高速外铣是20世纪90年代新兴起来的一种新型加工工艺，其应用范围广，特别双刀盘数控高速外铣以其加工效率高、加工质量稳定、自动化水平高，已成为当前是曲轴主轴颈粗加工的发展方向。就比较而言,CNC车—车拉工艺加工连杆轴颈要二道工序，CNC高速外铣只要一道工序就能完成，切削速度高(目前最高可达

350m/min)、切削时间较短、工序循环时间较短、切削力较小、工件温升较低、刀具寿命高、换刀次数少、加工精度更高、柔性更好。如德国

BOEHRINGER公司专为汽车发动机曲轴设计制造的柔性的高速随动数控外铣床VDF315OM-4型，该设备应用工件回转和铣刀进给伺服连动控制技术，可以一次装夹不改变曲轴回转中心随动跟踪铣削曲轴的轴颈。其采用一体化复合材料结构床身，工件两端电子同步旋转驱动，具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特点；使用SIEMENS840D

CNC控制系统，设备操作说明书在人机界面上，通过输入零件的基本参数即可自动生成加工程序，可以加工长度450～700mm、回转直径380mm以内的

各种曲轴轴颈直径误差仅为±0.02mm。（6）数控曲轴磨削工艺。精加工使用数控磨床，采用静压主轴、静压导轨、静压进给丝杠(砂轮头架)和线性光栅闭环控制等控制装置，使各尺寸公差及形位公差得到可靠的保证，精加工还广泛使用数控砂带抛光机进行超精加工，经超精加工后的曲轴轴颈表面粗糙度至少提高一级精度。如GF70M-T曲轴磨床是日本TOYADA公工机开发生产的专用曲轴磨床，是为了满足

多品种、低成本、高精度、大批量生产需要而设计的数控曲轴磨床。该磨床应用工件回转和砂轮进给伺服联动控制技术，可以一次装夹而不改变曲轴回转中心即可完成所有轴颈的磨削；采用静压主轴、静压导轨、静压进给丝杠(砂轮头架)和线性光栅闭环控制，使用TOYADA工机生产的GC50CNC控制系统，磨

削轴颈圆度精度可达到0.002mm；采用CBN砂轮，磨削线速度

高达120m/s，配双砂轮头架，磨削效率极高。目前国内外曲轴常见的强化工艺大致有如下几种:氮化处理。氮化能提高曲轴疲劳强度的20%~60%。喷丸处理。曲轴经喷丸处理后能提高疲劳强度20%~40%。圆角与轴颈同时感应淬火处理。该强化方式应用于球铁曲轴时，能提高疲劳强度

20%，而应用于钢轴时，则能提高l00%以上。圆角滚压处理。球铁曲轴经圆角该压后寿命可提高120%~300%，钢轴经圆角液压后寿命可提高

70%~150%。曲轴圆角滚压强化工艺主要包括曲轴圆角滚压和曲轴滚压校正两部分。复合强化处理。它是指应用多种强化工艺对曲轴进行强化处理，球墨铸铁曲轴采用圆角该滚压工艺与离子氮化工艺结合使用，可使整个曲轴的抗疲劳强度提高130%以上。3.7发动机曲轴的加工顺序根据曲轴的结构特点及机械加工的要求，加工顺序大致可归纳为：铣两端面；车工艺搭子和钻中心孔；粗、精车三连杆轴颈；粗、

精车各处外圆；精磨连杆轴颈、主轴颈和外圆；切除工艺搭子、

车端面、铣键槽等。3.8

工件定位的形式工件的定位指工件在机床或夹具中取得一个正确的加工位置的过程。完全定位：工件的六个自由度需要完全被限制的定位情况。不完全定位：工件的六个自由度不需要完全被限制的定位情况。过定位：工件应该被限制的自由度而没有被限制的定位情况。欠定位：工件某个自由度被限制了两次或两次以上而出现的重复定位现象。3.9

夹紧装置的组成工件在夹具中正确定位后，由夹紧装置将工件夹紧。夹紧装置的组成有：动力装置：产生夹紧动力的装置。夹紧元件：直接用于夹紧工件的元件。中间传力机构：将原动力以一定的大小和方向传递给夹紧元件的机构。在有些夹具中，夹紧元件往往就是中间传力机构的一部分，难以区分，统称为夹紧机构。3.10

夹紧装置的设计原则工件不移动原则夹紧过程中，应不改变工件定位后所占据的正确位置。工件不变形原则夹紧力的大小要适当，既要保证夹紧可靠，又应使工件在夹紧力的作用下不致产生加工精度所不允许的变形。工件不振动原则对刚性较差的工件，或者进行断续切削，以及不宜采用气缸直接压紧的情况，应提高支承元件和夹紧元件的刚性，并使夹紧部位靠近加工表面，以避免工件和夹紧系统的振动。安全可靠原则夹紧传力机构应有足够的夹紧行程，手动夹紧要有自锁性能，以保证夹紧可靠。经济实用原则夹紧装置的自动化和复杂程度应与生产纲领相适应，在保证生产效率的前提下，其结构应力求简单，便于制造、维修，工艺性能好；操作方便、省力，使用性能好。3.11

确定夹紧力基本原则夹紧力的三要素是方向、大小和作用点夹紧力作用方向应有助于工件定位的准确性。夹紧力方向应尽可能使所需夹紧力减小。夹紧力方向应尽可能使工件变形减小。3.12铣床、车床的夹具特点铣床夹具特点铣床夹具主要用于加工零件上的平面、凹槽、键槽、花

键、缺口及各种成形面。由于铣削加工通常是夹具随工作台一起作进给运动，按进给方式不同铣床夹具可分为直线进给式、圆周进给式和靠模进给式三种类型。车床夹具特点车床是主要用车刀对旋转的工件进行车削加工的机床。

在车床上还可用钻头、扩孔钻、铰刀、丝锥、板牙和滚花工具等进行相应的加工。4.研究方案4.1

总体方案毕业设计设计的主要任务是：熟悉和掌握曲轴加工工艺

编制与专用夹具的设计方法。其中，两套夹具分别是：铣

12mm*6mm键槽专用夹具设计；粗车三拐曲轴三处Ø55轴径专

用夹具设计。为了完成发动机曲轴加工工艺编制与专用夹具的设计，我计划从以下几个方面着手：确定曲轴的加工工艺过程。确定机械加工余量,供需尺寸及公差。制作曲轴的工艺卡片。车、铣夹具的定位分析。设计粗车三拐曲轴与铣12mm*6mm键槽专用夹具。夹紧力计算。4.2

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