基于ProE的轻型汽车曲轴工艺规程编制及改进[汽车类]

本科学生毕业设计基于 Pro/E 的轻型汽车曲轴的工艺规程编制及改进The Graduation Design for Bachelors DegreeBased on Pro / E of the light vehicle crankshaft Process Establishment and ImprovementCandidate：Wang LeiSpecialty：Vehicle EngineeringClass：BW05-8Supervisor：Associate Prof. Zhang DeShengHeilongjiang Institute of Technology2009-06Harbin摘 要曲轴是发动机中最重要、最昂贵的零件之一，它的尺寸加工精度影响着发动机动力，并且在很大程度上影响着发动机的性能和可靠性，必须在加工上正确选择曲轴的加工工艺路线，以求获得满意的技术经济效果。本设计是对轻型汽车曲轴进行工艺规程编制，随着现在设计加工制造技术的发展，曲轴结构及材料及加工手段等也在不断发展，确定加工工艺与装夹方案及设计，从而达到对曲轴在发动机运转的原理与工况的了解，并对曲轴构造与加工工艺进一步更深了解；已知曲轴毛坏尺寸和标准尺寸。利用 CAD 软件绘制零件图，然后运用 Pro/E软件建立三维模型，编制曲轴的加工工艺。关键词：汽油机；曲轴；加工工艺；AutoCAD；Pro/E 。IABSTRACTEngine crankshaft is the most important and one of the most expensive parts, and its size affects the machining precision engine power, and to a large extent affect the engine performance and reliability, must be the correct choice in the processing of the processing line of the crankshaft in order to obtain a satisfactory technical and economic effects.The design is a light vehicle order process to the preparation of the crankshaft, with the design and processing technology is the development of the crankshaft structure and materials and processing are the continuous development of means to determine the processing technology and design and fixturing programs, so as to achieve on the crankshaft in the Principle of operation of the engine operating conditions and the understanding of the crankshaft structure and a better understanding of further processing; known bad hair crankshaft size and standard size. Parts using CAD software, drawing maps, and then the use of Pro / E software to establish three-dimensional model, the preparation process of the crankshaft.Keywords: Gasoline Engine；Crankshaft；Design；AutoCAD ；Pro/E.目 录摘要 Abstract第 1章 绪 论 11.1 概述11.2 国内外研究现状11.3 设计研究的主要内容2第 2章 曲轴的分析 32.1 曲轴的功用32.2 曲轴的工艺分析42.3 曲轴加工的几种工艺52.4 本章小结5第 3章 工艺规程的设计63.1 确定毛坏制造形式63.2 基准的选择63.3 毛坯尺寸、加工余量及公差的确定63.3.1 加工余量的确定63.3.2 尺寸链计算73.3.3 毛坏尺寸的确定 103.4 曲轴二维工艺规程的编制103.4.1 曲轴加工工艺过程 103.5 加工工艺过程的改进 163.6 本章小结 17第 4章 Pro/E 曲轴建模184.1 曲轴的结构及特征创建顺序分析184.2 曲轴三维建模基本过程184.2.1 建立零件设计文件184.2.2 建立曲柄模型184.2.3 建立曲轴自由端特征214.2.4 建立曲轴后端特征224.3 本章小结23第 5章 编制曲轴三维工艺规程 245.1 曲轴三维工艺规程编制245.2 本章小结28第 6章 曲轴的先进加工技术及强化工艺 296.1 毛坯的铸造技术296.2 提高曲拐疲劳强度的结构措施306.3 曲轴的材料及强化工艺306.4 本章小结32结论 33参考文献34致谢 35附录 360第 1章 绪 论1.1 概述曲轴是发动机最重要的零件之一，其功用是将活塞连杆组传来的气体作用力转变成曲轴的旋转力矩，再通过飞轮、离合器和汽车传动系统来驱动汽车行驶；同时驱动发动机的辅助装置（配气机构凸轮轴、发电机、水泵、风扇、机油泵、汽油泵等）工作，由此可见曲轴在发动机中扮演着重要的角色。随着科技的不断发展，汽油机的不断强化，曲轴的工作条件愈加苛刻，保证曲轴的工作可靠性至关重要，其加工工艺是否合理，对曲轴的使用寿命有很大影响，因此在加工过程中需给予高度重视。Pro/E软件具有参数化建模的强大功能，是基于特征造型的参数化技术的一种全新的思维方式进行产品的造型、创新设计的软件。基于 Pro/E 加工的曲轴既能满足预定的功能要求，又具有经济性和良好的工艺性，可大大缩短加工时间,提高改进加工和系列产品加工速度，节约加工成本。曲轴工艺规程编制的基本要求如下：（1）分析零件图，运用工艺知识选择加工基准据实际生产条件确定工艺方案及相应加工方法(如:定位，夹紧，毛坯基准，孔径等)；（2）通过分析拟定有保证加工精度的方法（3）通过分析设计符合实际的完整的工艺规程。（4）通过分析选择有重要尺寸的加工方法及相应的加工参数的工序图及工序图要突出加工部位；（5）有工艺规程的二维和三维图； （6）有相关重要尺寸链换算和必要先进工艺加工改进。显然，随着发动机技术的发展与强化，曲轴的工作条件愈加恶劣了，传统的材料和制造工艺已无法满足其功能要求，必须对曲轴的材质、加工技术、表面粗糙度、热处理、表面强化、工艺方案等严格要求，以获得满意的技术经济效果。1.2 国内外研究现状国外曲轴加工技术展望美国、德国、日本等汽车工业发达国家都致力于开发绿色环保、高性能发动机，目前各个厂家采用发动机增压、扩缸及提高转速来提高功率的方法，使得曲轴各轴颈要在很高的比压下高速转动，发动机正向着增压、增压中冷、1大功率、高可靠性、低排放方向发展。曲轴作为发动机的心脏，正面临着安全性和可靠性的严峻挑战，传统材料和制造工艺已无法满足其功能要求，市场对曲轴材质以及毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等要求都十分严格。如果其中任何一个环节质量没有得到保证，则可严重影响曲轴的使用寿命和整机的可靠性。世界汽车工业发达国家对曲轴的加工十分重视，并不断改进曲轴加工工艺。随着 WTO 的加入，国内曲轴生产厂家已经意识到形势的紧迫性，引进了为数不少的先进设备和技术，以期提高产品的整体竞争力，使得曲轴的制造技术水平有了大幅提高，特别是近 5 年来发展更为迅猛。目前国内轿车曲轴生产线多为高速柔性生产线FTL(Flexible Transfer Line)，这种生产线的特点是不仅可以加工同系列曲轴，而且还可加工变型产品、换代产品和新产品，真正具备柔性意义。1.3 设计研究的主要内容近年来，随着计算技术的不断进步和研究者们的不懈努力，曲轴加工工艺的研究取得了较大进展。然而，由于固有的复杂性，曲轴加工工艺还远未善。本设计结合前人的经验，应进行以下工作：1、研究的基本内容收集有关国内外轻型汽车曲轴飞轮组相关资料，通过对曲轴飞轮组的功用及工作条件和受力情况的了解，对曲轴的加工艺方案提出对加工艺的改进方案，提出问题，进行曲轴的加工工艺改进分析来解决问题，完成工艺改进及分析；从工艺设计方法、结构原理、材料及应用等方面分析曲轴工艺和加工技术，提出自己的看法。从设计方法、结构原理、材料及应用等方面分析轻型车曲轴加工技术，提出自己的设计思想及加工方法及改进方法。2、拟解决的主要问题(1) 分析零件图，运用工艺知识选择加工基准据实际生产条件确定工艺方案及相应加工方法( 如:定位，夹紧，毛坯基准，孔径等 )；(2) 通过分析拟定有保证加工精度的方法：有粗加工，半精加工，精加工等重要加工路线图；(3) 通过分析设计符合实际的完整的工艺规程，如：封面、加工工序目录、工装目录、工序图； (4) 通过分析选择有重要尺寸的加工方法及相应的加工参数的工序图及工序图要突出加工部位；(5) 有工艺规程的二维和三维图； (6) 有相关重要尺寸链换算和必要先进工艺加工改进。2第 2章 曲轴的分析2.1曲轴的功用曲轴是发动机最重要的机件之一。曲轴一般用中碳钢或中碳合金钢模锻而成。为提高耐磨性和耐疲劳强度，轴颈表面经高频淬火或氮化处理，并经精磨加工，以达到较高的表面硬度和表面粗糙度的要求。它与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转的动力，传给底盘的传动机构。同时，驱动配气机构和其它辅助装置，如风扇、水泵、发电机等 1。工作时，曲轴承受气体压力，惯性力及惯性力矩的作用，受力大而且受力复杂，并且承受交变负荷的冲击作用。同时，曲轴又是高速旋转件，因此，要求曲轴具有足够的刚度和强度，具有良好的承受冲击载荷的能力，耐磨损且润滑良好。曲轴一般由主轴颈，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，曲轴的曲拐数目等于气缸数(直列式发动机)；V 型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。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气缸数目有关，还取决于曲轴的支承方式。曲轴的支承方式一般有两种，一种是全支承曲轴，另一种是非全支承曲轴。全支承曲轴：曲轴的主轴颈数比气缸数目多一个，即每一个连杆轴颈两边都有一个主轴颈。如六缸发动机全支承曲轴有七个主轴颈。四缸发动机全支承曲轴有五个主轴颈。这种支承，曲轴的强度和刚度都比较好，并且减轻了主轴承载荷，减小了磨损。柴油机和大部分汽油机多采用这种形式。非全支承曲轴：曲轴的主轴颈数比气缸数目少或与气缸数目相等。这种支承方式叫非全支承曲轴，虽然这种支承的主轴承载荷较大，但缩短了曲轴的总长度，使发动机的总体长度有所减小。有些汽油机，承受载荷较小可以采用这种曲轴型式。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。3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。2.2曲轴的工艺分析曲轴的加工工艺复杂，特别是轴颈有很高的尺寸和形位公差要求，一般按 6 级精度制造，粗糙度不高于 Ra0.8m。轴颈表面需要热处理以提高其耐磨性，常用的热处理形式为氮化和高频淬火。近年来，球墨铸铁和稀土球墨铸铁得到了广泛的运用，其特点为：可铸性好，有较高的强度和较小的缺口敏感性，有较好的减振性及耐磨性。主轴颈、连杆轴颈本身的精度，即尺寸公差等级 IT6，表面粗糙度 Ra 为1.25m，连杆轴颈尺寸公差等级为 IT7，表面粗糙度 Ra 为 0.63m，轴颈长度公差等级为 IT9，圆柱度误差 0.015，连杆轴颈的圆柱度误差 0.015。位置精度，主轴颈与连杆轴颈的平行度 0.02mm，主轴颈的同轴度误差为0.025mm。曲轴是带有曲拐的轴，它仍具有轴的一般加工规律，如铣两端面、钻中心孔、车、磨及抛光等，但也有它的特点，包括形状复杂、刚度差及技术要求高，应采取相应的工艺措施，分析如下：(1)刚度差。为防止变形，在加工过程中应当采取下列措施：选用有较高刚度的机床、刀具及夹具等，并用中心架来增强刚性，从而减少变形和振动；采用具有两边传动或中间传动的刚度高的机床来进行加工，可以减少扭转变形、弯曲变形和振动；在加工中尽量使切削力的作用互相抵消；合理安排工位顺序以减少加工变形；增设校直工序。(2)形状复杂连颈和主颈不在同一根轴线上，在连颈加工中易产生不平衡的现象，应配备能迅速找正连颈的偏心夹具，且应加平衡块。(3)技术要求高。其机械加工工艺过程随生产纲领的不同和曲轴的复杂程度而有很大的区别，但一般均包括以下几个主要阶段：定位基准的加工；粗、精车和粗磨各主颈及其它外圆；车连颈；钻油孔；精磨各主颈及其他外圆；精磨连颈；大、小头及键槽加工；轴颈表面处理；动平衡；超精加工各轴颈。可以看出，主颈或连颈的车削工序都与磨削工序分开，往往中间安排一些不同的加工面或不同性质的工序。粗加工后会发生变形，因此常把粗、精加工分开，并在切削力较大的工序后面安排校直工序，以保证加工精度。为了减小切削力所引起的变形，保证精加工的精度要求，精磨各轴4颈时，一般采用单砂轮依次磨削。2.3曲轴加工的几种工艺曲轴车削是一种主要用于加工曲轴主轴颈的方法，具有相当的柔性。 在有些情况下或有些地方，它还用于连杆颈的加工。 如果用于加工连杆颈，质量不平衡以及偏离中心的夹持位置需要带平衡配重的专用夹具。车削加工通常是在曲轴加工专机以及配备专用刀塔的标准车床上进行的。 由于刀具悬伸较大和容易出现振动，因此对刀具的要求非常高。1、曲轴车拉只有少数机床在有限范围内使用，这是一种拉削工艺，既可以通过直线车拉方法，以对旋转曲轴成切线进给的方式进行常规直线拉削，也可以采用随后发展的圆形或螺旋形拉刀进行旋转拉削。 尽管该方法非常高效，但因其缺乏柔性，所以至今未能推广。 曲轴车-车拉车车拉是车削与车拉的组合，车削和车拉刀具径向安装在一个圆形刀盘上，切削加工旋转着的曲轴的主轴颈或连杆颈。 这种方法适用于大多数类型的曲轴。 车削工序主要是粗加工，此时刀盘不旋转且切削刃处于工件的中心线。 而车拉刀具进行精加工切削，刀盘通过对旋转曲轴的主轴颈或连杆颈表面进行缓慢旋转的径向移动进行加工。 该方法的优点是在刀盘上可以大量安装使用姊妹刀具以平衡刀具寿命和延长换刀时间。 2、曲轴的内铣内铣也称回旋铣或行星铣，它可以在较长的切削时间里进行重型铣削。曲轴穿过旋转着的铣刀。可转位刀片排列在铣刀内圆面上，可对曲轴的主轴颈、连杆颈和扇形块侧面进行加工。它是一种很稳定的加工方法，主要用于大型曲轴，或者在毛坯余量很大时使用。 3、曲轴的外铣外铣主要用于大批量加工中、小型汽车曲轴。它可以看成是用一种高速旋转的密齿三面刃铣刀，在曲轴以缓慢旋转作进给运动的方式下对工件表面进行加工。该方法的特点是金属去除率高，切削定位迅速。 一般而言，一个直径为 700mm 的外铣刀最多可安装 350 片刀片。可加工曲轴的主轴颈、连杆颈和扇形块侧面和外圆面。 该方法工序时间短、换刀调刀非常快捷。2.4本章小结5本章主要是对曲轴进行简单的分析，曲轴的功用、曲轴的工艺以及曲轴的几种加工方法。第 3 章 工艺规程设计3.1 确定毛坏的制造形式曲轴工作是要承受很大的转矩及交变的弯曲应力，容易产生扭振、折断及轴颈磨损，因此要求所用材料应有较高的强度、冲击韧度、疲劳强度和耐磨性。常用材料有：一般曲轴为 35、40、45 钢或球墨铸铁 QT600-2：对于高速、重载曲轴，可采用40Cr、35CrMoAl42Mn2V 等材料 11。曲轴质量(指轻重) 约占内燃机质量的 10%,成本约占整机的 10%12%,其材质大体可分 2 类:一类是锻钢,一类是球墨铸铁。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,球铁铸造曲轴的单边加工余量可达 23。另外球墨铸铁的切削性能良好,并可通过各种热处理和表面强化处理来提高曲轴的抗疲劳强度、硬度和耐磨性。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,应力集中也没有钢质曲轴敏感。所以选择铸铁曲轴。3.2 基准的选择（1）粗基准的选择为了保证中心孔钻在主轴颈毛坯外圆面的轴线位置上，选用主颈的外圆面为粗基准。同时为了保证所加工的基准面的轴向尺寸，选用第 3 主轴颈两侧扇板面为轴向粗基准。（2）辅助粗基准的选择在扇板上铣出两个工艺平面即是加工连颈时所用的辅助粗基准。（3）精基准的选择加工主颈及与其同轴心的轴颈外表面时，以中心孔为精基准。加工连颈时，用加工的法兰和小头的外圆及连杆轴颈外圆作为精基准基面，这样便于保证技术要求。此外，轴向定位基准采用第四主颈的两个台阶面，与设计基准一致。3.3毛坯尺寸、加工余量及公差的确定3.3.1加工余量的确定加工余量的确定方法有计算法、查表修正法、经验估计法，此设计采用查表修正法，确定加工余量时查机械加工手册 ，然后再结合实际加工情况修正其加工6余量数值。铣两端面，总长 437mm。定位及夹紧：1、5 主轴颈。在两端面中心钻二对中心孔。定位及夹紧：1、5 主轴颈。粗、精车与主轴颈同轴的所有轴颈，主轴颈 50mm、法兰盘外圆 60mm、小头所有外圆 38mm、32mm、24mm，留磨量 0.5mm。定位及夹紧：主轴颈中心孔。粗、精车所有连杆轴颈及平衡重外圆 R73mm，连杆轴颈 42mm。留磨量 0.5mm。铣平衡重至大头宽 110mm、小头宽 80mm。钻法兰盘导向孔 6-M10。小头攻丝 13mm 深 31mm。钻油孔 5.5mm 主轴颈上 6.4mm。铣键槽宽 5mm、深 5.5mm。磨与主轴颈同轴的所有轴颈至图样要求。定位及夹紧：两端主轴颈中心孔。磨所有连杆轴颈至图样要求。定位及夹紧：两端主轴颈中心孔。3.3.2 尺寸链的计算在机器装配或零件加工过程中，由相互连接的尺寸形成封闭的尺寸组，称为尺寸链。尺寸链具有三个特征：具有尺寸封闭性，即组成尺寸链的各尺寸是按一定顺序排列的封闭尺寸图形；尺寸的关联性，即尺寸链中存在一个尺寸，它的大小是受其它尺寸影响的；尺寸链至少是由三个尺寸构成的。尺寸链中的每个尺寸简称环。环分为封闭环：尺寸链中，在装配和加工过程最后形成的一环。组成环：尺寸链中，对封闭环有影响的全部环。组成环又分为增环和减环。增环同向变动该环增大时封闭环也增大，该环减小时封闭环也减小。减环反向变动指该环增大时封闭环减小，该环减小时封闭环增大。下面我就采用极值法对曲轴铣两端面这道工序进行尺寸链的计算。1、画尺寸链图。图 3.1 尺寸链图2、确定封闭环与增环和减环。按箭头方向判断，在封闭环符号 Ao 上面按任意指向画一箭头，沿已定箭头方向在每个组成环符号 A1 和 A2,A3 上各画一箭头，使所画各箭头依次彼此头尾相连，组成环中箭头与封闭环箭头方向相同者为减环，相反者为7增环。图 3.2 尺寸链图3、根据极值法计算公式，进行封闭环量值的计算。直线尺寸链和角度尺寸链的计算方法是相同的，直线尺寸链的计算公式，也试用于角度尺寸链。尺寸链的计算方法有极值法和统计法，本设计采用极值法，但无论极值法还是统计法，封闭环的基本尺寸都可以用尺寸链方程式确定。 - （3-1）0Akz11nkjjA194.5=A1+9mm+157.5-0A1=28mm式中 封闭环的基本尺寸；0A增环 的基本尺寸；A2=9mm,A3=157.5mm 。ZkA、 21减环 的基本尺寸；J mk、 k增环环数；m组成环环数；极值法是按组成环尺寸均为极限尺寸的条件下，来计算封闭环极限尺寸的一种方法。封闭环极限尺寸的计算= - （3-2）max0Akz1ax1minkjjA194.7=A1+9.05mm+157.6mm-0A1=28.05mm8= - （3-3）min0A1inkjz1maxkjjA194.3mm=A1+157.4mm+8.95-0A1=27.95mm式中 分别为封闭环的最大、最小极限尺寸；、 min0axA分别为增环的最大、最小极限尺寸；、 izz分别为减环的最大、最小极限尺寸。、 minaxjj封闭环上、下偏差的计算由式（32） 、 （33）分别减去式（31） ，得到封闭环的上偏差 和下偏0AES差 0AEI= - （3-4）0AESkzA101nkjAjEI0.2mm=ESA1+0.1mm+0.05mmESA1=0.05mm = - （3-5）0AEIkzzI11nkjAjES-0.2mm=EIA1-0.1mm-0.05mmEIA1=-0.05式中 分别为增环的上、下偏差；AzzEIS、分别为减环的上、下偏差。jj、封闭环公差的计算由式（32）减去式（33）的封闭环公差 0AT= （3-6）0AT111min0ax niAinkjjkz T=28.05mm-27.95mm=0.1mm式中 增 环 的 公 差 ；AzT9减 环 的 公 差 ；AT6组 成 环 的 公 差 。i3.3.3毛坏尺寸的确定曲轴毛坏总长 437mm+两端铣 4mm+两端磨 1mm=442mm.毛坏主轴颈 50mm+粗车 2mm+精车 1mm+磨削 0.5mm=53.5mm，法兰盘 63.5mm,小头外圆 41.5mm、35.5mm、27.5mm.毛坏连杆轴颈 42mm+粗车 2mm+精车 1mm+磨削 0.5mm=45.5mm.毛坏平衡重外圆 R73mm+粗车 2mm+精车 1mm+磨削 0.5mm=R76.5mm，大头宽 115mm,小头宽 85mm.3.4 曲轴二维工艺规程的编制3.4.1 曲轴加工工艺过程曲轴的材料为铸铁，发动机为 4 缸驱动，因此曲轴可分为 4 段曲轴，小头连齿轮及凸轮：大头为动力输出。其加工工艺过程如表 3.1 所示。表 3.1 工序目录表工序号 工序名称 设备名称10 铣两端面、钻中心孔 铣端面钻中心孔机床20 车与主轴颈同轴的轴颈 数控车床30 车所有连杆轴颈 数控车床40 铣平衡重 铣床50 钻法兰盘导向孔 钻床60 加工孔70 钻油孔 深孔组合钻床80 车油孔倒角及所有倒角 数控车床90 铣键槽 铣床100 去毛刺，中间检验，清洗110 轴颈表面淬火 中频表面淬火机120 磁力探伤130 磨与主轴颈同轴的轴颈 数控磨床140 磨所有连杆轴颈 数控磨床150 动平衡检查、去除不平衡质量 动平衡机立式钻床10160 抛光 抛光机170 清洗，尺寸检验，入库 清洗机1、车端面钻中心孔基于曲轴中心孔是曲轴加工最原始、最重要的工艺基准，其尺寸精度、位置精度以及表面质量对整个曲轴加工起着非常中重要的作用和指导思想。通常，曲轴这类结构比较复杂、精度要求高的轴类零件，都是以中心孔为基准进行车、磨、铣等机械加工的。因此，要保证曲轴的加工质量，必须首先确保中心孔的加工精度。其具体要求如下：必须保证两中心孔的圆度、圆锥角度等尺寸精度，以确保中心孔与定位顶针的良好接触。必须保证两中心孔的同轴度，以确保两中心孔与两定位顶针同时接触。必须保证中心孔主锥面的表面粗糙度为 ，且无毛刺、伤痕等缺陷。25.1Ra曲轴中心孔加工一直以来用以下三道工序来完成，如图 3.2 所示。图 3.2 曲轴中心孔加工示意图以 V 形夹具定位曲轴两端的主颈毛坯面铣两端面，如图 3.2 a 所示。以平面定位曲轴的一个端面，另一端面以自动定心 V 形夹具定位，其中的一个主轴颈毛坯面打中心孔 A，如图 3.2b 所示。以顶针定位中心孔 A，另一端以自动定心 V 形夹具定位另一主轴颈毛坯面打中心孔 B，如图 3.2c 所示。2、动平衡去重11曲轴是发动机中作高速定轴转动的重要零件，当其回转轴线与质量轴线不重合，即存在着偏重时，在高速回转过程中产生较大的离心惯性力，甚至惯性力矩。这些呈周期变化的惯性力所引起的强迫振动，降低了发动机运行时的稳定性，并导致了相关零部件的磨损加剧，严重影响了发动机的使用寿命。曲轴动平衡是为了消除或尽量减少工件的质量偏心，为提高发动机质量而采取的重要措施。(1)平衡校正的原理：动平衡的实质是以测量不平衡量的大小和方位为依据，在若干个预先选择的教正平面上，用去重的方法改变旋转体的质量分布，使其质量轴线与回转轴线趋于一致，籍以达到动平衡的目的。受曲轴形状和许可去重位置的限制，一般四缸发动机曲轴的四个校正面位于其两端和中间主轴颈的两侧，并且只可在规定的扇形配重快上进行动平衡去重。(2)平衡校正过程的实现：实施曲轴动平衡校正的专用设备有很多种，虽然它们在结构上和自动化程度上差别很大，单基本功能相同，都由检测不平衡量、校正去重和校验分类这三项内容组成。根据装卸料、输送和钻孔去重等作业过程中人工参与程度的不同，有全自动、半自动、机动之分；而按设置的工位数，有可分为单工位、双工位的专机和多工位的自动线；另外在去重方式上，既有单动力头的，也有多动力头的，至于在其他技术环节上的差异就更多了。图 3.3 系统框表明了曲轴动平衡中测量、校正去重与检测三者之间的关系，测量工位两传感器 a、b 产生的反映工件不平衡量的模拟信号经处理后输入微机控制系统，同时输入的还有回转基准信号。经过数据处理后，即可确定在工件各校正面上的等效不平衡量，也就是在各个扇形配重块确定位置的去重量，进而再转换成为相应的以钻孔深度表示的去重信号。在微机系统的控制下，工件由测量阶段转入去重阶段，钻孔动力头在不同的去重点根据指令要求的深度进给，完成不平衡量的去除。从前面的介绍可知，在确定曲轴不平衡量的过程中，工件和系统本身的一些误差因素，或多或少会对校正去重的准确性带来影响，故经过上述动平衡后的曲轴还的在加以校验，即在测量工位再进行一次复测，若测量结果表明还没达到平衡校正要求，则还需做第二次校正去重。通常，把第一轮平衡校正称为“粗”平衡，把第二轮称为“精”平衡。曲轴经第二轮去重作业后还需再作校验，如果测量结果还未达到要求，则被判为“不合格” ，将通过人工去重方式进行返修。出现“不合格”的情况往往是初始不平衡量过大造成的，但由于现代轿车发动机曲轴加工中，均设有打质量中心孔的前道工序，使工件的初始不平衡量能得到有效的控制，所以经动平衡判为不合格得数量一般很少。12图 3.3 平衡校正原理图3、清洗时间和清洗压力（1）清洗时间：根据试验，被清洗零件的清洗时间在 3040s 内时，清洗效果最好，但清洗时间与吹净方法有关，如果清洗与吹净同时进行，则清洗效果能达到 95%以上，如果清洗与吹净交替进行，则清洗效果为 91%，如果选择最合适的清洗液，则清洗效果仅达到 85。清洗效果为：清洗效果=清洗前机械杂质质量-遗留量/ 清洗前机械杂质质量*100%检 测 去重测 量模拟信号处理A/D 转换数据处理工件下道工序取走返修合 格不合格不合格合格下道工序13图 3.5清洗时间与清洗效果 图 3.6清洗压力与清洗效果（2）清洗压力：曲轴清洗一般为 640Kpa.4、清洗剂及其温度（1）清洗剂一般分成四类：A、碱性溶剂常用的有苛性钠、硅酸钠、磷酸三钠、亚硝酸钠等碱性化合物，其水溶液呈碱性反应。它的去污原理是通过皂化反应，是不溶与水的油脂变成溶与水的物质而被清除。B、石油溶剂主要是石油、煤石油、又有能源油和航空汽油。其优点是具有软化和溶解油污的能力，清洗效果好，其缺点是闪点低、易挥发、易燃烧、有一定毒性，对地面、空气和环境造成污染；石油有是能源物质，不仅成本高而且浪费资源。C、有机溶剂主要是氯代烃和芳香烃类的三氯乙烯、三氯乙烷、四氯乙烯、四氯化碳和二甲苯等。它具有清洗效率高，清洗效果好等优点，但由于三氯乙烯、二甲苯等毒性较大，因而，在采用时必须配备相应的环保设备。D、化学清洗剂是以水为溶剂，以“非离子型表面活性剂 ”为溶质配置而成的水溶性情洗剂。(2)清洗温度采用不同的清洗剂，清洗效果有所不同；统一种清洗剂的清洗温度不同，清洗效果也有所不同。一般当温度从常温提高 10C15C 时，清洗速度约提高一倍。根据国外经验，清洗液温度 3040C 为宜。这不仅可以大量节约能源，而且有利于防止清洗过程中的热变形和改善劳动条件。5、曲轴的检验14由于曲轴在加工过程中受到刀具和夹具的力，易产生裂纹，将会影响其正常工作，所以曲轴在加工完成后要进行隐蔽缺陷的检验，一般有以下几种方法：（1）磁力探伤磁力探伤是利用电磁原理来检验金属零件的隐蔽缺陷，当磁通量通过被检零件时，若零件内部有裂纹，则在裂纹部位会由于磁力线的外泄形成局部的磁极，产生一对有S、N 极的局部磁场。若在零件表面上撒以磁性铁粉，或将铁粉与油的混合液通过零件表面，铁粉就被磁化并吸附在裂纹处，从而显现出裂纹的位置和大下。磁力探伤时，必须使磁力线垂直地通过裂纹，因为裂纹平行于磁场时，磁力线偏散很小，就难以发现裂纹。用磁力探伤法检查零件时，根据裂纹可能产生的位置和方向，可采用纵向磁化法及周向磁化法。纵向磁化法是将被检零件置于马蹄形电磁铁的两极之间，当线圈绕组通以电流时，电磁铁产生磁通，经过零件形成封闭磁路，在零件内产生平行于零件轴线的纵向磁场，就可以发现横向裂纹。周向磁化法是利用电流通过导线时产生的环形磁场进行磁化。检验时使电流直接通过零件，在零件圆周表面产生环形横向磁场，便可发现零件表面平行于轴线的纵向裂纹。磁力探伤用的磁粉通常采用具有高导磁率的四氧化三铁铁粉，粒度为2m5m。磁粉可干用，也可以将磁粉与液体混合成悬浮液，但所用的液体应透明澄清，粘度要低。而且渗透性应较好，且对被检零件无腐蚀，通常采用煤油、变压油或柴油，在每升溶液中加入 20g30g 四氧化三铁铁粉。零件经磁化检查后必须进行退磁，退磁的方法可分为交流退词法和直流退词法。交流退磁法是将零件从交流磁场中漫漫退出或是将零件放在交变磁场中，逐渐减少磁场电流，直至电流为零。采用交流退磁法只能使零件表面退磁，但它退磁速度快，因此应用广泛。直流退磁发适用于直流磁化的零件，它们利用原直流磁场，不断改变其磁场方向，并逐渐使磁化电流降至零。曲轴一般采用直流退磁法。（2）荧光探伤荧光探伤是利用渗透到缺陷内的荧光物质，在紫外线激发后发出可见光，将零件表面上的缺陷显示出来。荧光探伤是利用荧光物质受激发光的原理。荧光物质通常采用拜尔荧光黄及渗透性强的煤油、航空油等石油产品，当荧光物质受到紫外线照射后，其分子吸收能量处15于不稳定的激发状态，分子由激发状态过渡到稳定状态时，荧光物质放出能量发光，产生荧光现象。采用荧光探伤时，可将被检零件的表面侵入荧光渗透液内约 30min，然后用乳化剂清洗零件表面，用温水（3042）洗净。为吸出渗透在零件表面缺陷内的荧光液显示缺陷，应在零件表面上均匀地涂上一层显像剂，然后用紫外线照射。荧光渗透液应是由发光强的荧光物质和渗透性强油液配制而成 无论是干性或湿性显像剂，都应具有良好的附着力和毛细作用，以利于将渗入在缺陷内的荧光物质吸至表面，显像剂本身不应具有荧光性能，对金属无腐蚀，对人体无毒性，易被冲洗。干性显像剂颗粒要细，一般应用 1000 目/c6000 目/c筛子筛过。通常显像剂有氧化镁、滑石粉等。目前应用的 D100 荧光显像剂，使用效果好。D100 荧光显像剂是由火棉胶 55、丙酮 16，无水酒精 14、苯 9、二甲苯 60组成的混合液，并取这种混合液 100ml 与 5锌白混合制成 D100 荧光显像剂。（3）着色探伤着色探是利用毛细管现象显示零件表面缺陷。将零件表面侵泡在着色剂中，使着色剂渗透到零件表面缺陷内，然后取出擦净。再在零件表面涂一层显像粉（常用高岭土粉） ，因毛细现象，侵入到缺陷内的着色剂将会渗透到显像粉中而呈现出缺陷。着色探伤不需专用设备，只需配制着色剂。着色剂是用煤油 80、变压器油15、松节油 5，苏丹红10g/L 混合而成。但着色探伤灵敏度较差。3.5加工工艺过程的改进在曲轴的加工工艺方面，一般采用正火处理曲轴，为表面处理做好组织准备，表面强化处理一般采用感应淬火或氮化工艺。采用数控车床、数控内铣床、数控车拉床等先进设备对主轴颈、连杆轴颈进行数控车削、内铣削、高速外铣加工，以有效减少曲轴加工的变形量。现介绍一款型号为 VDF 315 OM-4 的高速随动外铣床的性能。该机床是德国BOEHRINGER 公司专为汽车发动机曲轴设计制造的柔性数控铣床，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连杆轴颈。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 SIEMENS 840D 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 450700mm、回转直径在 380mm 以内的各种曲轴，连杆轴颈直径误差为0.02mm。16图 3.7 切削过程工件分析图CNC 曲轴磨床：以德国埃尔温勇克机器制造有限公司（JUNKER）的摆动跟踪系列磨床为例，该设备采用了用于高速加工的 CBN 砂轮和使用油冷却曲轴的组合，适用于加工汽车发动机曲轴，质量可靠。主要性能有：在加工过程中检测并修正轴颈圆度和尺寸；带有“学习功能”的控制系统，附加对圆度偏差和干扰量的自动补偿，可进行补偿的干扰量是：温度，机械及动力影响，磨削余量的变化，材料以及金相结构的变化，砂轮的可切削性，机床的磨损状况；磨削主轴颈和连杆轴颈一次装夹，理论上的偏差为零；切入式磨削及摆动式磨削；对 “敏感工件”的支撑，在主轴上采用自动对中心的三点式中心架；CNC 控制的冷却剂供给保障了磨削区域的持久用量；采用静压圆型导轨，无爬行现象，确保持久的高精确度（X 轴导轨，进给丝杠，止推轴承）；减震抗扭转床身，使用矿物的合成材料浇注而成，具有良好的吸震抗弯功能；砂轮轴适用于高达 140m/s 的磨削。该磨床具有四片 CBN 砂轮，每片均可独立磨削，一次装夹可磨削全部主轴颈和连杆颈。3.6本章小结本章主要基于 CAD 软件对曲轴进行二维的工艺规程的编制，并对加工余量，工序尺寸及毛坏尺寸的确定。17第 4 章 Pro/E 曲轴建模Pro/E 软件是美国公司开发的一套机械 CAD/CAM 软件，它集零件设计、大型组件设计、钣金设计、造型设计、模具开发、数控加工、运动分析等功能于一体，具有参数化设计、特征驱动等特点，是世界上应用最广泛的 CAD/CAM 软件之一。Pro/E 软件是最早使用参数化建模的 CAD 软件，参数化是 Pro/E 的核心技术，无论多么复杂的零件模型，都可分解为有限数量的构成特征，每一种构成特征，都可以有限的参数完全约束，这就是参数化的概念。使用参数化建模的主要优点就是当改变模型的一个尺寸时，其他与这个尺寸相关的尺寸都随之改变，这样就使设计变得相对简单。4.1 曲轴的结构及特征创建顺序分析仔细分析曲轴的结构可以看出，曲轴的飞轮端、自由端、主轴颈、连杆轴颈以及曲拐都可以由等截面的图形拉伸而成。再考虑到曲轴是对称的，可以先建立一半曲轴特征，镜像生成完整的曲拐部分，然后分别创建曲轴前后端，最后再考虑曲轴中的油道、油孔部分。4.2 曲轴三维建模基本过程4.2.1 建立零件设计文件（1）双击打开 Pro/E 软件图标，进入工作界面，选取 “文件”中的“设定工作目录” ，以便于文件的查找，使用。（2）单击工具栏上的“新建”按钮，在打开的“新建”对话框中选择“类型”为“零件” ， “子类型”选择为实体，输入文件名，取消“使用缺省模板”复选框，单击确定，在打开的“新文件选项”中选择模板“mmns-part-solid”,单击确定按钮 10。4.2.2 建立曲柄模型（1）单击窗口右侧工具栏中的“拉伸工具”按钮打开“拉伸工具” 操作板，单击“草绘”按钮，选取“RIGHT”面作为草绘平面，选取“TOP”面作为参照平面，参照方向为“左” ，单击草绘按钮，在草绘环境中以主轴颈的直径绘制一个圆，单击草绘器中的确定按钮，在拉伸长度处输入主轴颈长度的一半，单击确定按钮，完成特征的创建。（2）重复以上步骤，选取拉伸出的面作为草绘平面，选取“TOP”面作为参照18平面，参照方向为“左” ，单击草绘按钮，在草绘环境中以 R60 绘制一个圆，单击草绘器中的确定按钮，在拉伸长度处输入“1” ，完成特征的创建。如图 4.1 所示。图 4.1 第一段主轴颈特征 图 4.2 第一个曲拐（3）单击窗口右侧工具栏中的“拉伸工具”按钮打开“拉伸工具” 操作板，单击“草绘”按钮，选取上步拉伸出面作为草绘平面，选取“TOP”面作为参照平面，参照方向为“左” ，单击草绘按钮，在草绘环境中绘制曲拐平面，单击草绘器中的确定按钮，在拉伸长度处输入“17” ，完成特征的创建，如图 4.2 所示。（4）重复上述步骤，建立建立连杆轴颈，长度为实际连杆轴颈的一半。（5）在需要的地方进行倒圆角操作，方法是：左键单击要倒圆角的便所在的特征，再单击要选择的边，按住 Ctrl 键,依次选择要倒同样圆角的边，按住右键，在弹出的菜单中选择“倒圆角”命令，修改圆角值，单击确定按钮。结果如图 4.3、图 4.4所示。图 4.3 倒平衡重圆角 图 4.4 倒曲柄和平衡重连接处圆角（6）按住 Ctrl 键，用鼠标连续选取模型树已经建好的所有特征，鼠标右击选取的特征，在弹出的菜单中选择“组”命令。然后选取模型树中的组，在工具栏中单击19镜像按钮，选取连杆轴颈的拉伸出的面，单击确定，完成特征的创建，如图 4.5 所示。图 4.5 镜像得到的结果 图 4.6 第二段曲拐草绘图（7）重复步骤 1、2、3、4、5、6，建立下一段曲柄，如图 4.6 所示。（8）按住 Ctrl 键，用鼠标连续选取模型树已经建好的所有特征，鼠标右击选取的特征，在弹出的菜单中选择“组”命令。然后选取模型树中的组，在工具栏中单击镜像按钮，选取主轴颈右端的的面，单击确定按钮，完成特征的创建，如图 4.7 所示。图 4.7 镜像完成的曲轴主体部分（9）绘制润滑油道。进入草绘页面，分别以连杆轴颈和主轴颈中心作两条辅助线画一个宽 2.5 的矩形，点确定。占击扫描，去除去材料，点击确定，画出润滑油道。用同样的办法绘制其他油道，并倒 2.5 的圆角。如图 4.8 所示。20图 4.8 绘制曲轴油孔并倒圆角4.2.3 建立曲轴自由端特征 （1）单击窗口右侧工具栏中的“拉伸工具”按钮打开“拉伸工具”操作板，单击“草绘”按钮，选取曲轴左端作为草绘平面，选取“TOP”面作为参照平面，参照方向为“左” ，单击草绘按钮，在草绘环境中绘制草绘图形，在拉伸深度处输入值，预览后，点击确认按钮。（2）重复上述步骤，输入相应的尺寸数值，建立自由端的第二、三段伸出轴颈，并对轴颈相交处创建圆角特征。所建立的自由端伸出轴颈如图 4.9 所示。图 4.9 建立的自由端伸出轴颈（3）单击窗口右侧工具栏中的“孔特征”按钮打开“孔特征”操作板，在“孔特21征”操作板中点击“放置”按钮，选择曲轴自由端左侧面为放置孔的平面，输入次参考位置，输入相应的数据，预览后点击确认按钮，完成孔特征的创建。如图 4.10 所示。图 4.10 建立的自由端孔特征4.2.4 建立曲轴后端特征（1）单击窗口右侧工具栏中的“拉伸工具”按钮打开“拉伸工具”操作板，单击“草绘”按钮，选取曲轴右端作为草绘平面，选取