《柴油发动机曲轴机械加工工艺规程与夹具设计》7000字（论文）

柴油发动机曲轴机械加工工艺规程与夹具设计摘要本次设计的主要内容包括空压机曲轴的工艺规程设计和系列夹具设计的两大方面。制定工艺规程设计的原始资料包括:零件的图样，产品验收质量标准，产品的年生产纲领和生产类型、毛坯图样、生产条件、零件材料等。制定工艺规程设计步骤如下:审查零件的图样，工艺方案的确定，对样品进行工艺分析，零件的毛坯选择以及毛坯图说明;工艺设计过程(包括加工段的分析，工序的集中和分散，工序顺序的安排，定位基准的选择，零件表面加工方法的选择);制定工艺路线(工艺方案，工艺方案的比较与分析)，工序间尺、公差、表面粗糙度及毛坯尺寸的确定，加工余量、切削用量、工时定额的确定，填写工艺文件。夹具设计必须满足的要求有:保证加工精度，夹具的总体方案应与年生产纲领相适应，安全、方便、减轻劳动强度，排屑顺畅，具有良好的强度、刚度和结构工艺性。夹具设计包括工件的定位，定位误差的分析与计算，夹紧机构的确定，夹具力的确定(包括方向，作用点和大小)。关键词：曲轴；加工工艺；加工工序目录摘要………………………….=1\*ROMANIABSTRACT…………………...=2\*ROMANIITOC\o"1-3"\h\u1.绪论 11.1柴油机的工作原理 11.2柴油机曲轴发展概况 21.3工作的意义及研究的主要内容 32曲轴分析及参数说明 32.1曲轴分析 32.2曲轴结构要求 42.3曲轴参数说明 53毛坯的选择 73.1毛坯的材料 73.2毛坯制造 74工艺路线的拟定 84.1生产类型的确定 84.2定位基准的选择 94.3工艺路线的拟定 104.4工艺卡的填写 134.5工艺设计的综合评估 165夹具分析与装配 175.1夹具分析 175.2夹具定位误差分析 216零件的检查 236.1检查夹具 236.2气动量仪 237结论 24参考文献 25

2曲轴分析及参数说明2.1曲轴分析曲轴的基本组成如下图所示。图2.1曲轴基本结构根据结构，可将曲轴分为整体式和组合式两种。整体式曲轴加工难度大，设计困难，但曲轴整体的机械特性好，具有优秀的刚度强度。组合式曲轴加工过程相对简单，加工流程设计相对容易，但是机械性能要比整体式曲轴差。图2-2常见曲柄形状在曲轴加工过程中，最有难度的设计区域就是曲柄与主轴颈、连杆颈的连接处，因为它受力复杂。为解决连接处的这个问题，缓解它带来的影响，通常会采用过渡圆角连接的方法，与此同时，这个过渡圆角的大小也应该通过合理的设计，以保证过渡半径足够能够起到缓解作用。2.2曲轴结构要求2.2.1曲轴结构特点曲轴是柴油机最重要的机件之一，曲轴的作用是将连杆传来的力变成旋转力并输送出去，同时通过曲轴齿轮或皮带轮驱动配气机构、风扇及水泵等辅助机构，以实现工作循环。曲轴的质量状态直接决定柴油机的运行质量和运行安全。柴油机工作时曲轴受力复杂，易发生磨损、变形、裂纹或折断等损伤，所以要了解曲轴结构特点，在柴油机大修时，对曲轴进行仔细检查，并根据损伤部位和损伤程度，采取相应的修理方法。曲轴由两个轴组成，其中轴心与机体中心孔重合的轴叫做主轴。另一个轴叫做连杆轴，是通过曲柄与主轴相连，它的轴心与主轴不同。2.2.2曲轴技术要求如图所示：2.3曲轴参数说明表2.1曲轴参数材料42GrMoA行程106主轴直径φ71油孔直、斜油孔主轴档宽33缸数4连杆轴直径φ57总长633.5连杆轴档宽333毛坯的选择3.1毛坯的材料曲轴是柴油机中的关键零件之一，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钢大，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来的敏感。所以球墨铸铁曲轴在国内外得到广泛采用。本次设计中曲轴的材质为球铁。故该零件的材料可选QT700-2。3.2毛坯制造对于曲轴这种复杂大型件来说，应选用金属模机械砂型铸造。此外铸造后应安排正火处理，消除残余应力，改善毛坯机械加工性能。此次工艺设计选择的是42CrMoA合金钢。4工艺路线的拟定4.1生产类型的确定已知零件的年生产纲领为50000件，由《机械制造工艺及设备设计指导手册》可确定其生产类型为大批量。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，通用设备为辅;机床按流水线或自动线排列;采用高效专用夹具;广泛采用专用夹具;广泛采用专用量具、量仪和自动检验装置。这样生产效率高。4.2定位基准的选择=1\*GB3①加工主轴颈的定位基准以打好的质量中心孔为基准，曲轴打质量中心孔时，卡盘夹持外圆进行加工。此时卡盘需要用浮动卡盘夹持外圆，内置固定顶尖或者弹性顶尖顶紧曲轴的中心孔定位，用顶尖或者端面定位块来做轴向尺寸加工定位基准。=2\*GB3②加工连杆轴颈的定位基准用已经加工完成的最外端的两段主轴作为精基准，加工后外缘的两根主轴可作为精基准，夹紧方便，完全满足曲柄加工的结构要求，安装后稳定，整体刚度良好。此外连杆,因为轴颈180度的不同,限制自由旋转的轴向定位销钉钻一个洞是一端较大而处理对称曲面定位第一和第五曲臂上。4.3工艺路线的拟定4.3.1工艺路线分析工序的安排原则=1\*GB3①先加工基准面，后加工其他工作面；=2\*GB3②先进行粗加工，后进行精加工；=3\*GB3③先加工面后加工孔；=4\*GB3④先主后次。4.3.2该设计拟定的最终工艺路线方案一：(010)锻造(020)调质处理(030)粗铣两端面(040)半精铣两端面(050)钻两端质量中心孔(060)粗车大端轴颈(070)粗车第五主轴颈(080)粗车第一主轴和小端外圆(090)数控车油封轴颈、齿轮轴轴颈和小端螺纹直径(100)数控车一五主轴(110)铣定位面(120)内铣二至四主轴颈和全部连杆轴颈(130)人工时效(140)粗车主轴颈(150)钻大端中心孔(160)半精车小端外圆和刀检第二、三曲柄臂(170)钻大端定位销孔(180)粗磨连杆轴颈(190)钻油孔(200)油孔喷沙(210)中间检查(220)中间清洗(230)热处理(240)中间探伤(250)精车齿轮轴直径和螺纹直径(260)半精磨2~4主轴颈(270)半精磨一、五主轴颈(280)精磨大端轴颈(290)精磨连杆轴颈(300)铣齿轮轴键槽(310)精磨一、五主轴颈(320)精磨2~4主轴颈(330)精车两端面(340)中间检查(350)成品探伤(360)钻大端螺纹孔和攻小端螺纹(370)油孔倒角及全部油孔抛光(380)动平衡(390)清理去毛刺(400)轴颈抛光(410)止推轴颈抛光(420)成品检查(430)入库4.3.3拟定不同方案并比较（）方案二：(010)锻造(020)调质处理(030)批量毛坯抽检(040)粗铣两端面(050)半精铣两端面(060)钻中心孔B5(070)检测曲轴硬度(080)粗车短头，依次为Φ40h6，Φ50k6，Φ60(090)粗车长头，依次为M36X2,1:8圆锥面，Φ45h9，Φ50m6，Φ60(100)车开档，粗车连杆颈Φ45(110)精车短头，依次为Φ40h6,Φ50k6，Φ60，割槽Φ38.5X3(120)精车长头，依次为M36X2,1:8圆锥面，Φ45h9，Φ50m6，Φ60，割槽Φ33X4.8，割槽Φ47X2.2(130)精车连杆颈Φ45(140)钻孔Φ14.2(150)钻斜油孔Φ5(160)钻孔Φ18.5，铰孔Φ19(170)修正中心孔(180)按工艺要求进行中间检验(190)粗磨两端主轴颈Φ50(200)粗磨连杆颈Φ45(210)铣键槽5N9(220)铣键槽12N9(230)铣K面(240)钻铰4-Φ8(250)钻攻2-M10(260)钻攻2-M6(270)精磨主轴颈Φ50k6，Φ50m6，磨Φ45h9(280)精磨连杆颈Φ45(290)磨Φ40h6(300)磨1:8圆锥面(310)车螺纹M36X2(320)油孔Φ5抛光(330)探伤(340)检验各相关尺寸(350)在N处打厂标及检验标记(360)清洗(370)氮化(360)按氮化工艺要求检验(370)抛光连杆颈、油封档(360)清洗(370)检验(360)包装方案一的优点在于遵循粗、精加工划分阶段原则。因此，最终确定方案一为曲轴零件加工工艺路线的最终方案。4.3.4重点工艺说明4.4工艺卡的填写4.4.1机床的选择考虑到大量生产，尽量选用高效机床。曲轴两端面粗铣所采用卧式铣床，刀具为盘铣刀，量具为游标卡尺。精车采用普通车床，刀具为端面车刀，量具为游标卡尺。曲轴连杆轴颈精磨连杆轴颈采用外圆磨床，刀具为砂轮，量具为千分尺。精磨连杆轴颈采用数控外圆磨床，刀具为砂轮，量具为千分尺。曲轴主轴颈粗车一、七主轴颈采用普通车床，刀具为粗车轴颈刀,量具为游标卡尺。数控车一,七主轴颈采用数控车床，刀具圆角刀，量具为游标卡尺。粗磨主轴颈采用外圆磨床，刀具为砂轮修整机，量具为游标卡尺。半精磨一,七主轴颈采用外圆磨床，刀具为砂轮，量具为千分尺。精磨一,七主轴颈采用外援数控磨床，刀具为砂轮，量具为专用。二至六主轴颈相同。4.4.2刀具的选择①在车床上加工的工序，尽量采用YG6硬质合金外圆车刀。②在铣床上加工的工序，铣平面选用YG6A硬质合金圆盘铣刀，铣键槽选用键槽铣刀。③在磨床上加工的工序，磨主轴颈选用砂轮外径为600mm，厚度为75mm，内径为305mm；磨连杆颈选用砂轮外径为600mm，厚度为35mm，内径为305mm。④在钻床上加工的工序，尽量采用麻花钻和丝锥。4.4.3量具的选择应保证：T∗K≥δT—被测曲轴尺寸的公差值（mm）K—测量精度系数—测量工具以及使用测量方法的极限误差表4.1测量精度系数被测尺寸的精度等级IT5IT6IT7IT8IT9K0.3250.300.2750.250.204.4.4加工余量的确定各表面加工余量表格：加工表面加工内容加工余量精度等级表面粗糙度Ra(µｍ)M36X2螺纹铸件5.0CT9车螺纹精车0.4IT60.8半精车1.0IT106.3粗车3.6IT1212.51：8圆锥面铸件5.0CT9磨削0.4IT60.8半精车1.0IT106.3粗车3.6IT1212.5Ф45油封档铸件5.0CT9研磨0.8磨削0.4IT60.8半精车1.0IT106.3粗车3.6IT1212.5Ф50主轴颈（长头）铸件5.0CT9精磨0.2IT60.8粗磨0.6IT70.8半精车1.1IT106.3粗车3.1IT1212.5Ф60（长头）铸件5.0CT9半精车1.1IT106.3粗车3.9IT1212.5Ф60（短头）铸件5.0CT9半精车1.1IT106.3粗车3.9IT1212.5Ф50主轴颈（短头）铸件5.0CT9精磨0.2IT60.8粗磨0.6IT70.8半精车1.1IT106.3粗车3.1IT1212.5Ф40圆柱面铸件5.0CT9精磨0.2IT60.8粗磨0.6IT70.8半精车1.1IT106.3粗车3.2IT1212.5Ф45连杆颈铸件5.0CT9研磨IT50.4精磨0.2IT60.8粗磨0.6IT70.8半精车1.1IT106.3粗车3.2IT1212.54—Ф8孔铰孔0.2IT81.6钻孔7.8IT1212.52—M10X1.25攻丝钻孔8.8IT1212.5Ф19孔铰孔0.5IT81.6钻孔18.5IT1212.52—M6攻丝钻孔5.0IT1212.5Ф14.2斜孔钻孔14.2IT1212.5Ф5斜油孔抛光IT80.8钻孔5.0IT1212.54.4.5切削用量的确定表4.2切削用量的选择方法刀具材料工件材料加工方法切速v的公式高速钢合金钢铣削表4.3刀具耐用度T刀具耐用度（分）刀具耐用度（分）普通外圆车刀90普通端铣刀200端面车刀60立铣刀90成型刀120扩孔钻60B查表法表4.4进给量加工方法切深a进给量f切速v车削粗加工精加工1.5~2.50.2~0.50.3~0.50.2~0.350~8080~100铣削粗加工精加工2~30.5~0.70.2~0.30.1~0.360~8080~1004.4.6零件加工时间的计算单个的工时定额由以下组成：具体由以下两种情况：图4.2铣端面图4.3车两端轴颈以第一道工序为例：===3.5min=0.1*=0.35min=0.05*=0.18min=3.5+0.35+0.18=4.03min4.5工艺设计的综合评估表4.55夹具分析与装配5.1夹具分析5.1.1夹具设计分析主要从以下几方面分析：工件的轮廓尺寸小，刚性好，结构简单。工件在夹具上装夹方便，且定位夹紧元件较好布置。有适当的精度和尺寸稳定性。有适当的强度和刚度，加工过程中夹具体要承受较大的切削力和夹紧力，因此夹具体应有足够的强度和刚度。焊造及焊接夹具通常设置加强筋。排屑方便，切屑较多时，夹具体应考虑排削屑结构。④生产类型为大量生产。5.1.2定位夹紧方案确定在本夹具设计中，由零件图可知，曲轴四个连杆轴颈中心线对主轴中心线有平衡度要求，其设计基准为主轴颈中心线。为了使定位误差为零，应该选择以主轴颈为定位面的夹具，其轴向定位面为第一主轴颈上的止推面，因此这里设计以第一、五主轴颈和止推面为定位基准面的夹具。以曲轴的第一、五主轴颈为定位基准用两个V型块来限制曲轴四个自由度，在第一主轴颈的轴肩平面贴靠V型块的侧面限制曲轴的轴向移动一个元自由度，剩下一个回转自由度由防转块得以限制，对照六点定位原则，使曲轴得到完全定位。采用翻转压盖式机械夹紧，具有结构简单、通用性好、夹紧可靠、增力比大等特点。5.1.3钻孔夹具的具体设计由工序简图可知，该工序限制了工件六个自由度。现根据加工要求来分析其必须限制的自由度数目及其基准选择的合理性。为保证工序尺寸32mm、520.20mm、18mm，应限制工件6个自由度。定位基准为两主轴颈、Φ45连杆颈外圆和主轴颈轴肩。为了保证相对K面的垂直度，需限制工件Y方向旋转自由度，其定位基准为连杆颈。具体结构见图5-1图5-1夹具体夹紧机构5.1.4定位设计(1)选择定位元件根据以上分析，本工序限制了工件6个自由度，定位基准为两主轴颈、连杆颈和主轴颈轴肩。相应夹具上的定位元件为在两主轴颈处选V型块定位，连杆颈处选支承钉定位。(2)确定定位元件尺寸及配合偏差V型块的设计参照工件尺寸设计，具体尺寸详见夹具零件图R180—A11—02支承钉根据GB/T2226—91设计。由于安装时预定位低于夹紧状态4mm，因此将行程定为上下夹板各移动6mm。由于丝杠螺距是6mm,所以丝杠旋转一周，两极齿轮传动齿数分别是：则最后一级齿轮要转：转过的距离：所以齿条要前进的距离为40.92mm,最后将活塞的行程定为45mm。夹紧力的计算通常我们计算夹紧力，会参照类似夹具在类似使用状况中的夹紧力，估算出当前的夹紧力，或者可以将夹具和被夹工件看做同一个系统，我们对她进行工作过程的判断，找出最不适应夹紧的情况，并对之进行静态分析，用得出的理论夹紧力乘以安全系数，就可以得到实际夹紧力。1.夹紧力的确定：………（公式3-1-1）：安全系数：………（公式3-1-2）查表得：K=1.656K=2.5……………(公式3-1-3)………………（公式3-1-4）其中：M－切削扭矩，N•mD－钻头直径，mmf－每转进给量，mm/rKp－修正系数可按照下列公式计算：依据刀具材料以及工件材料均为结构钢可以得到:Kp=1.23其它参数为代入公式3-1-3，3-1-4得M=2.32N.mF=1136.2N将结果代入3-1-1得：=5.8N.m,=2840N……（3-1-5）图5.2受力分析由静力平衡条件的公式得对夹紧机构列等式即其中：N=2840N由力矩平衡得：l=(633.5-l)y*53=M其中：l=63mm,M=5.8N.m计算得：y=109.4,=97.49,=10.83下面进行验证：由公式…………（3-1-6）其中代入公式3-1-6得：，因此，结果合理。5.2夹具定位误差分析(1)基准不重合误差尺寸52±0.20mm的定位误差式中，δI—定位基准与工序基准间尺寸链组成环的公差。β—δi方向与加工尺寸方向间的夹角。由于用V型块定位加工孔，即β=90度所以△B=0即基准不重合误差为0。(2)基准位移误差在本道工序中，若不计V形块的误差而仅有工件基准面的圆度误差时，其工件的定位中心会发生偏移，产生基准位移误差△Y。式中，δd—工件定位基准的直径公差α/2—V形块的半角V形块的对中性好，即其沿x向的位移误差为零。本次设计的V形块的α=105度所以：△Y=0.630δd左端：δd=0.03mm代入上式，△Y=0.019mm右端：δd=0.07mm代入上式，△Y=0.044mm(3)误差的合成由于△B=0左端∶△D=△Y=0.019mm右端∶△D=△Y=0.044mm而Tc=0.5mm△D左<1/3Tc△D右<1/3Tc因此该方案能满足位置尺寸52±0.20mm的要求。相对K面垂直度的定位误差计算同上。△B=0,△Y=0即△D=0所以，此方案能满足加工要求。6零件的检查6.1检查夹具下图是曲轴生产线用以检测曲轴主轴颈轴向尺寸的检验夹具图6.1检验夹具1.支架2.测杆3.轴向定位件4.测头5.支架6.顶尖8.滑板9.百分表10.手柄将曲轴放在支架上，用顶尖顶住顶尖孔，使曲轴第三主轴颈紧靠在检验夹具的定位件上，然后推动手柄，当四个测量头同时碰到曲轴时，在百分表上就可以读取尺寸。6.2气动量仪下图6-2为24-240C型水柱式气动量仪工作原理图6.27结论在本次柴油发动机曲轴机械加工工艺规程与夹具设计中，要求任务内容是:掌握加工工艺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，设计主轴箱零件加工1到2个主要工序的专用机床夹具，掌握夹具设计的程序与内容，绘制夹具总图和主要零件图，编写夹具设计使用说明书。经过这次对柴油机去抽加工工艺规程设计以及夹具设计可以得到如下结论：1.粗基准的选择将影响到加工表面与不加工表面相互位置或影响到加工余量的分配，并且第一道工序首先遇到了粗基准的选择问题，因此正确选择粗基准对保证产品质量将有重要影响。2.基面的选择是工艺规程设计的重要工作之一,基面正确选择可使加工余量得到保障，生产率得到提高。3.选择精基准时考虑的主要问题是如何来保证设计技术要求，主要考虑基准重合问题。4.定位基准必须与工艺基准重合，并尽量与设计基准重合，以减少定位误差，获得最小的加工误差。降低夹具制造精度，当定位基准和工序基准或设计基准不重合时，须进行必要的加工尺寸链的计算。5.在选择定位元件时，要防止出现过定位现象6.应选择工件上最大的平面，最长的圆柱轴线为定位基准，以提高定位精度，并使定位稳定可靠。7.在工件各加工工序中，最好采用同一-基准，以避免因为基准换算而减低工件各表面相互位置的准确度。8.粗基准应选择比较光整的表面作为基准面，避开帽口,浇口或分型面等凹凸不平的表面。总之，通过这次工艺设计、让我学到了许多课本上没有的知识,特别是增强了我实际解决问题的能力，在编制复杂零件的工艺时必须考虑实际，具体问题具体分析解决，能把书本上的知识用到实际中是我最大的收获。参考文献[1]陈明