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可持续夹具及固定装置的高精度安装的方法论 J. 国巴斯大学机械工程学系 摘要 在夹具安装阶段，夹具组件的精确测量能力决定其精确性，尤其是对大尺寸的产品和应用来说。大量定制一些在设计上有多样性的小批量产品和零部件是十分重要的。产品质量应该与迅速转换理念相互协调，对于敏感元器件及组件而言，以牺牲产品质量来提高速度是不明智的，例如在航空航天工业中所看到的那些零部件。提高精确性对于夹具的安装是很有必要的，为了要尽量少用，这可取决于夹具和夹具定位变化的耐受 性预算。在航空航天工业中，灵活和可重构夹具的概念的发展及固定装置是夹具的主要开销成本。吸引他们的是重构夹具的可重用性，可持续使用是由于那些零部件也能够被重新应用到许多种产品和装配中去。一直不佳的准确性和可靠性为这类夹具的缺点，这篇论文主要是研究可持续夹具主要零部件的精确定位，影响夹具性能的因素在安装阶段会得以审查。本文介绍了一种在灵活夹具中为了最大限度地减少定位和夹紧的不确定性的方法。 关键词 :可持续性夹具；夹具安装；校准不确定性；夹具的监测；计量； 可重复使用的夹具 1 引言 质量和可靠性等因素 早已经转换为新零件固有的特征。在他们的产品和服务范围内，近期市场趋势已经迫使制造业走向大规模定制。其次增加新陈品的多样化设计在部件和组件级别上遵循第二次高幅度的变化。有先进制造系统和技术的国家提供了更多的灵活性，能使设计师更加自由的发挥想象。例如在过去几十年发展起来的一种新的大体积测量方法，就能测量及公丈的距离。用来检测大尺寸零件的这些设备通常是由多个组装部件所制造出来的。在重组和装配期间，那些大尺寸产品的制造需要用到专用的夹具和固定装置，以便于他们的零部件能够被定位在设计基准上。对于大批量产品，在计算机辅 助软件上就能估算出其主要的花费需求，否则，在某些情况下或以其他方式生产的产品成本可能会是非常高的。这个问题与客户不断用钱来寻求具有更高价值的市场需求相互矛盾。用一种典型的变化产品可以创建一个更加具有持续性的商业，因为它能够满足相对比较大地市场需求。由支持产品变化的不同形状的产品而形成的灵活和可重构夹具及固定装置则是应对上述挑战关键的解决方案。灵活夹具的概念已经在研究领域存在了几年 1。然而，它们在很大程度上没有充分利用真正的生产设施，尤其是大尺寸产品的制造，如航空航天设备。这是由于关于它们的初始安装、校准 困难和可重复性等挑战往往超出公差要求。这些夹具和高品质关键部件装置的制造以及大量的集成计量系统，都可以减少上述限制。本文包括了有关安装的计量问题和灵活的夹具校准以及检测服务。 2 相关工作 型零件的制造和装配 通常把要精密制造的机械零件移动到机床工作台是必需的，先进行粗加工，然后精对准和夹紧。在这个阶段，一方面是准备用于加工高精度的关键所在，然而，这对于一些大尺寸或重的零部件并不总是可以实现的。大型产品是指那些与一些不经济的可能需要处理或在工厂周围移动的的组件一起来达到制造和装配的目的 2。制造业和 这些部件的装配工艺包括所需机器和系统的运动以及这些部件的位置和方向。这些零部件通常定位在大尺寸夹具及固定装置上该定位的位置。如果这些部件以小批量生产，在航空航天工业、高开销的情况下，每个产品将会出现。在设计和制造夹具上，已经有了许多尝试，以便于能够持有许多种组件的变种。然而，这方法是不可行的，因为敏感或关键的零部件完全是由它们的 高精度要求所决定的。与固定的夹具相比较，可调、可重构夹具会产生更低的重复性。固定夹具有固定的方式，可以通过焊接或铆接的接头固定在一起来实现。这些机械故障，例如夹具和固定装置由于疲劳和 塑料变形就是一个终止其服务的主要原因，发送它们再进行回收。小批量制造的需求是目前常见的淘汰不合格夹具，其使用寿命取决于产品的生命周期。换句话说，在制造变种零件停止不久之后，与之有关联的夹具和固定装置将会变得多余。即使夹具有工作顺序，但它们仍然有报废并送往循环再造。这种方法会带来高负担回收的能耗。在大尺寸零件下的固定夹具和夹具的漂移以及夹具都能影响大尺寸零件组装的精确性 5。对于大尺寸的夹具已经开发出了几种分析夹具刚性的方法，可用来评估振动的影响因素。在任何情况下更加可持续生产要通过选择性方案才能得以实现。 如图 图 型的大型夹具元件 用于制造所延误的时间是固定夹具的又一重大缺点，这些夹具应该在制造前就被订购，在生产计划和产品上市前还可以创建额外的复杂性。不管他们的类型，大型夹具有一些共同的元素，包括一个主框架、内在的框架，有可能有一个或数多个可移动的机制或更小的组件，如钳、套管、皮卡和可调螺丝 表 1。 性夹具 开发的柔性夹具的概念增加了其可持续性、快速转换以及降低了成本。现在可以使用现成的模块来设计和组装夹具。根据规定，只有极少数夹具的专用零件需要设计和制造。以这种概念看，大 多数散装部件、附件关节都应用的很具体。一旦产品设计变异完全制造出来，然后就可以拆卸上述组件和重组成一种新的元 件来与未来的设计变异相匹配。因为组装和组件范围上的设计都相当接近，所以这种方法是最能降低夹具成本的。 根据组件的变化水平和工作类型的需求，每一个不同比例的柔性夹具都需要被重新安排。为了增加使用这种类型夹具的效益，这个问题在设计阶段考虑是十分重要的。例如，在可能的情况下，皮卡车的位置和三维定位夹具上的组件的不同变种，甚至完全不同的部分应该是在靠近增加兼容性和夹具子系统间变性。夹具关键部件的收集在短期内能 保证所需夹具的可用性。另外，这些夹具的存储需要很少空间，因为拆除所有模块是可能的，通常以脚手架的形式并把它们彼此放在一起。目前在一些汽车公司应用到柔性夹具，因为它们的精度等级是足够满足的。大尺寸制造的夹具设施尽管没有许多柔性夹具那样操作灵活，比如航空航天设备。准确性和定位销的不确定性、夹具的可重复性以及夹具结构的漂移都出现这样一个事实，这些夹具在发电和航空航天等工业不能满足公差要求。一旦它们的精度问题得以解决，这些夹具在上述的工业中将会有很高的利用价值。 图 具与汽车行业中的可重构组件 大量的体积 计量系统和技术一直有许多新的发展。依靠计量系统和技术的现代激光技术现在就能够测量一些可接受精度的大尺寸产品甚至到几公丈的产品。在安装和初期安装调试期间，这些系统能够用来精确定位一些夹具的关键部件。 夹具的安装通常开始形成机架或主要框架，然后是那些大的部件和像皮卡和夹具那样逐渐更小的零部件。计量系统能够用于柔性夹具的主要框架和其内部框架的安装，从而来保证每个零部件彼此之间的准确定位。表 1 显示了这些大规模的测量系统数。跟踪系统能够测量基准点，它是实现这一目的的最合适的测量系统。一起跟踪球式反射镜在三维空间内都可 以认准所要记录的位置。球式反射镜可以直接练习目标对象来提供几何位置信息或可以在机械重复的球式反射镜下 应用，从这个角度用激光来跟踪目标或短期目标。像一些其他测量仪器的激光跟踪有时候不确定，在夹具的安装过程中需要做以说明。此外，激光跟踪和目标点之间的光线问题还应该考虑到。如果必要的话，多个跟踪职位都可以使用，在实际测量活动中，其结果必然是伴随着一个不确定的说明。经过测量，这些给定的分散的特征值是合理的，这个问题与一些夹具或夹具的安装及以后的审核都是一样的。这些知识阐明了一个给定的定位夹具的能力和装配任务。换句话 说，它表示在其相关流程中一套夹具是否能够满足公差要求。 具理论比较 为了用于多种生产装置和组装应用，在不同的公司也有大量不同形状和设计的夹具。这些夹具中的某一些的形式都是标准形式，然而另一些是经过专门设计和制造的特殊零部件。后者可以说是建立在产品的复杂性和大规模的基础上的，所以可能会是非常昂贵的 9。 无论成本和目的如何，制造和组装过程都可以完成，要么不使用夹具，要么用固定帧夹具或用可重构或柔性夹具。表 2 对它们的典型应用的这些方法做出了比较。 固定框夹具通常用于重型应用上，它们更适合于应用在能够减 轻花费开销的大量产品上。 对于制造业和大型组装及复杂产品来说，柔性夹具的应用有很多好处。特别是在研究和发展工作中，以及低容量产品的情况下，制造柔性夹具和夹具可能会是非常有益的。除了在时间和金钱上使利益均衡外，柔性夹具还会有一个更加灵活的设计思路。由于在夹具的制造和装配过程中，会直接和经常改变夹具的拓扑成本。与传统夹具相比较，这种类型的柔性夹具的可重用性和可重构性是一个主要的优点。这一点尤为重要，因为它在绿色制造方面符合行业的发展方向，通过回收使用系统的组成部件，为相关项目的工装费用降低了项目成本。 表 于验证夹具大量的例子、便携式测量仪器 仪器 辅助部件 测量类型 接触式 非接触式 图像 激光跟踪仪 赛立信探头 是 T 型探头 是 激光雷达 球形目标 是 摄影 目标 是 光投影 是 关节臂 三坐标测量机 基于激光扫描头 是 接触探头 是 性夹具的安装 本节中描述的夹具在安装过程中需要考虑一些问题。夹具元件安装在合适位置可以说是一种挑战，尤其是当定位公差比较小时，柔性夹具也应当被监测以便于开发和与传统夹具相比较它们的刚性。 给出了一个通用的描述阶段根据初步夹具安装在仿真软件环境和利用一些尺寸为 5m 4m 3m 的大尺寸夹具的实际实验结果来测量指令阶段。这是不论这个夹具是否是第一次安装在夹具中还是对已经存在的夹具只做外形上的更换，其都是为了定位不同的零部件。 根据其复杂性，一种典型的大尺寸夹具具有三至五个结构。通常除了有一个主框架之外，在每一个级别的基本水平， 也可以由一个或多个结构。这些结构用来作为参考以便于作为夹具基准来定位。在一个自动化固定的平台上，机器系统会进行多项任务，比如定位、加工和进行装配。因此机器人的工作基准与夹具的工作框架相联系。仔细考虑夹具的综合数据，会确保后续安装达到预期的公差要求。 试辅助柔性夹具的安装 柔性夹具的安装在第一次进行模拟仿真时有几个安装阶段。使用模拟演习，在这个工程中可以减少一些潜在的错误和返工。测量辅助安装过程是类似的跟踪对象位置的过程，是常见的大尺寸组件用到的。夹具的组件先用这种方法使其大致位置公差在 1，然后当所有的夹具组件被放到所设计的位置时，在 差内，它们可以使用适当的扭矩收紧。典型的计量协助柔性夹具安装阶段如下： 在出厂时设置初试参考结构； 测量初始参照系； 安装基地或其位置的主框架； 安装脱机内结构； 安装控股和定位； 在内框和主框架位置安装钳、套管和皮卡。 底座上安装内框； 重点定位元件的精细调整和紧固； 核查参照系和夹具； 对于夹具关键位置的服务监测。 这些阶段是从无到有夹具的完整安装。更不用说，在设计变化略有变化的情况下，一些下面的操作将被忽略。 表 同夹 具理念之间简明的比较 典型特征 固定框架 柔性夹具 夹具 应用 大批量产品 小批量产品 样机 优点 唯一性 可重复性 可重构性 成本效益 耐用性 非常高 高 低 刚度 非常高 刚性不确定 低 缺点 重量 重 中 低 可移植性 不可移植 难以在每一个安装中定位 难以进行 成本 非常高 中等 低 生产时间 长 中等 短 性夹具的安装 柔性夹具安装过程中采取了以下阶段： 安装夹具的主框架； 移动单元和子系统组装； 夹具内框架在夹具装配中的安装； 皮卡和夹具的装配。 主框 架通常是夹具的骨干。因此，它一般不会改变外形，和内框架及较小的元素如衬套、皮卡和夹具一样具有规律性。慎重考虑制造过程可以减少夹具元件 较大元素的重新排列，也会更进一步节约时间和成本。图 3 显示了三组不同活动小组对于柔性夹具的安装过程。在这个过程中，假定夹具的标准件是从可供选择的现成的部件和组件中选出来的，然后提前在大量的物理安装测试和调试时以降低测量不确定度来进行一次夹具安装。一旦达到可接受水平的不确定性的物理安装才能进行。 图 性夹具的测量辅助安装程序 在夹具安装过程中，它可能需要用到多个测量 系统或用到包括一套完整夹具安装关键点的测量系统。这应该包括在夹具维修期间放在工厂的地板和墙壁上的稳定性及漂移检查的目标参考点。 在夹具上定位的关键点、测量仪器的不确定性应该予以考虑。作为一个经验法则，每个夹具关键位置的定位的准确性应该是在 10 倍，甚至比所需的耐受性更好。换句话说，如果组件公差指定至 夹具定位精度至少应为 柔性夹具安装的最佳做法如下： 一个工厂的墙壁和地板上的初始参考点的位置是首选，以减少测量的不确定性； 应验证该仪器所在位置上经常使用初始参考点的基地； 在每个夹具的 大节上，为更好地具有跟踪和可重复性，可以附加多个球式反射跟踪系统； 夹具大型组件有关于弯曲或扭曲的测量应集中在角梁的中央部分，以减少定位误差； 内框架参考点应选择尽可能远的创建框的坐标系统。这可能会导致在内框坐标系时的较小的不确定性。 由于评估的结果旨在对于所描述物体真正价值范围内的评估定位，则不确定性被定义为胶 8。这里的不确定性来自两方面的审查，首先是与测量过程中有关的，其次是与夹具定位的不确定性有关。测量不确定性的一些因素，如灰尘、重力、温度、气压、湿度、测量仪器和相关软件中的系统误差 、操作人员的技能、接触探针或球式反射跟踪仪。基于胶 8的定义，测量结果应伴随着它的不确定性说明，这些错误详细来源的讨论超出了本文的范围。已经有多项研究来建立真正的不确定性的一些测量仪器 10、 11。 夹具关键点的测量结果应该包括相关的置信水平。除了最初的不确定性上升的测量仪器，夹具的不确定性还有其他方面的影响。夹具框架方面的应用由于产品重量以及制造工艺过程在夹具框架中能创建一些弹性变形。夹具有了集成化、自动化和移动部分，是这个问题变得更加复杂。 仔细考虑夹具设计阶段不确定性的来源可以在一个给定的情况下减 少过度使用公差预算的风险。夹具的精度和夹具的成本之间有着直接的关系。然而，整体的成本也应该被考虑在内。高数额的零部件有更长的使用寿命。换句话说，质量特征接近平均值是，在使用过程中会很少失效。朝六个方向靠近在安装时是很必要的，然后是在高精度夹具和敏感部位上的可重构、柔性夹具及夹具的监测。 柔性夹具适用于组装和在加工部分有不同的设计和几何参数。尤其是当这些部件之间的设计变化小时，这种类型的夹具被证明是具有成本效益和快速的解决方案，这是因为它可能会通过夹具重新配置到一个新的产品或组件的变种上。然而，当所 需的零件盒装配的设计完全不同时，可能需要不同尺寸夹具组件的完整地重排，因此，在设计一个新的零件和重组夹具的拓扑结构时应该考虑到要便于减少夹具的安装和重新配置的时间以及成本，并最大限度的重用现在的组件在当前的装配中。 一个柔性夹具有许多种装配方式，是由于其灵活性。在正确的安装顺序下选择合适的组件，可以最大限度的节约成本和时间。本次选择的过程中应该对未来产品的夹具的潜在的重用予以考虑。在产品不断变化的情况下，计划和设计夹具框架是很重要的。使用定制的夹具、紧固件、轴套和其他夹具元件都是降低成本的关键问题。 仿真软 件和工具的广泛使用，可以减少返工和浪费夹具材料相关的成本。例如测量仪器，其目标点之间的视线检查就会使用这些软件来辅助。图 4 显示了柔 性夹具安装在测量仿真软件中的第一个阶段。由于夹具正在兴建的模拟的效益越 来越明显，因此它可以突出仪器与目标测量点的水平视线的问题和不确定性。 由于关于夹具操作中重量和力使夹具元件的电位漂移和变形，则可以提前在仿真中分析以及在购买夹具元件方面的财政。更重要的是，这种工具允许更好的装配和制造等操作，因为它们能提前分析出夹具的长处和弱点，揭示其物理设置。 选择合适的测量仪器最重要的是要 协助夹具安装的的计量。一个连贯的计量系统，其测量结果的不确定性能够决定夹具的不确定性，也暴露了夹具和是否符合一个给定的公差范围内所需任务的能力。 图 量辅助夹具安装的模拟过程 由于关于夹具操作中重量和力使夹具元件的电位漂移和变形，则可以提前在仿真中分析以及在购买夹具元件方面的财政。更重要的是，这种工具允许更好的装配和制造等操作，因为它们能提前分析出夹具的长处和弱点，揭示其物理设置。 选择合适的测量仪器最重要的是要协助夹具安装的的计量。一个连贯的计量系统，其测量结果的不确定性能够决定夹具的不确定性 ，也暴露了夹具和是否符合一个给定的公差范围内所需任务的能力。 总 结 零件和装配体应该以尽量减少夹具成本的方式来设计，以满足使用标准组件。如果在夹具更新至下一产品时提前思考，则其速度和成本可能会增加。在夹具和固定装置的设计上有强大的总成本、碳足迹及其可持续性。它往往要求生产出只有极少数的典型设计或产品，子系统或组件，以满足产品的变化和客户的需求。对于大型产品的几何尺寸超出几米夹具的可能会造成重大的开销。此外，一旦所需的零部件倍制造出来，这些夹具则会变得多余。常规回收多余夹具是不经济的。因此，找到增加夹具的灵活 性才是所需求的方法。 柔性夹具和夹具的概念已存于二十余年。然而它们的潜能还没有真正发挥，是由于其精度可可重复性的不确定性。高精度计量系统现在能够用来对夹具进行初始安装和服务。然后使用该系统有可能重新设定夹具元素使其精确到一个新的拓扑结构，以便于定位不同几何位置的组件，允许几次使用夹具。 本文提出了一种对于大规模柔性夹具及夹具初始定位和安装的通用的算法。计量辅助夹具安装的新概念被证明对复杂的设置和夹具的安装是有益的。当完全装配好时，夹具的稳定性可以通过慎重考虑和选择夹具几何位置上的关键点来予以保证。这种方法将 应用于大尺寸元件和产品的制造以及装配件，尤其是应用于航空航天和发电工业中。 G. et (, of 149 78 011 . he to of of is in of in be in as is as in It is of to be in to of to in in to of of of as be of a or of of In of of is of a in of as to of to in in of is by a of at of to in of of to be of in to be in be by in or of be In a in a as it of a be in to of is a of in 1. to a in as is to to of as as to of as as 2 of to of it is to to At is of is or to to or in 2. of 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I . - 1 - 前 言 . - 3 - 1 发动机曲轴零件图的分析 . - 4 - 轴的功能和用途 . - 4 - 轴的结构和技术要求 . - 4 - . - 5 - 定生产类型 . - 5 - . - 5 - . - 6 - 艺过程设计 . - 6 - 计毛坯图 . - 11 - 要工序设计 . - 12 - 定切削用量及基本时间 . - 14 - . - 19 - 床夹具的分类、 基本组成和功用 . - 19 - 动机曲轴夹具的设计思路 . - 19 - 轴连杆钻中心孔夹具设计 . - 21 - 总 结 . - 27 - 参考文献 . - 28 - 致 谢 . - 29 - - 3 - 前 言 曲轴的 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，（还有其他）。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 这个一般都是压力润滑的，曲轴中间会有油道和各个轴瓦相通，发动机运转以后靠 机油泵 提供压力供油进行润滑、降温。发动机工作过程就是，活塞经过混合压缩气的燃爆，推动活塞做直线运动，并通过连杆将力传给曲轴，由曲轴将直线运动转变为旋转运动。曲轴的旋转是发动机的动力源 。 曲轴的结构包括 轴颈、曲轴臂、曲轴销、侧盖以及连杆大端轴承。轴颈具有一第一油路。曲轴臂连接于轴颈。曲轴销设置于曲轴臂之中，并且抵接于轴颈。曲轴销具有第一机油缓冲室、第二机油缓冲室以及第二油路。第一机油缓冲室系连接于第二机油缓冲室，第二油路连 接于第二机油缓冲室。侧盖设置于曲轴臂中，侧盖与曲轴销之间成形有一空间，该空间连接于第一油路与第一机油缓冲室之间。连杆大端轴承设置于曲轴臂之中，曲轴销套设于连杆大端轴承之中，第二油路连接于第二机油缓冲室与连杆大端轴承之间。本实用新型可将机油内微小异物过滤掉，减少了连杆大端轴承遭受微小异物侵入的机会，并避免连杆大端轴承损坏，进而可延长曲轴结构的使用寿命。 在曲轴的机械加工中，采用新技术和提高自动化程度都不断取得进展。 目前，国内较陈旧的曲轴生产线多数由普通机床和专用机床组成，生产效率和自动化程度相对较低。粗加 工设备一般采用多刀车床车削曲轴主轴颈及连杆轴颈，工序质量稳定性差，容易产生较大的加工应力，难以达到合理的加工余量。精加工普遍采用 普通曲轴磨床进行粗磨、半精磨、精磨、抛光，通常靠人工操作，加工质量不稳，尺寸一致性差。现在加工 曲轴粗加工比较流行的工艺是：主轴颈采用车拉工艺和高速外铣，连杆颈采用高速外铣，而且倾向于高速随动外铣，全部采用干式切削。在对连杆颈进行随动磨削时，曲轴以主轴颈为轴线进行旋转，并在一次装夹下磨削所有连杆颈。在磨削过程中，磨头实现往复摆动进给，跟踪着偏心回转的连杆颈进行磨削加工。 - 4 - 1 发动机曲轴零件图的分析 轴的功能和用途 曲轴是发动机上极为重要的零件，他是将连杆传来的径向力转变成饶其本身轴线旋转的扭矩，并将此扭矩输出给汽车或其他装置。同时，曲轴还驱动配气机构以及其它各辅助 装置。 曲轴 在工作 时 ，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 ， 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。 轴的结构和技术要求 曲轴 绝大部分是整体式，只有极少数柴油机采用组合式。大致结构如图所示，曲柄臂和连杆轴颈、主轴 颈由圆角连接。通常在前端设有驱动附件、凸轮轴的轴颈，在后端设有输出法兰。曲轴内设有主轴颈通向连杆轴颈的供油孔。 - 5 - 图 轴结构图 曲轴在低转速时主要受到燃烧压力的作用，在高转速时主要受到惯性力和弯曲振动、扭转振动合成的附加 力的作用。振动引起的附加力的精确计算非常复杂，所以常和实测并用。 曲轴的主要要求 杆轴颈本身的精度，即尺寸公关等级 杆轴颈本身的精度，即尺寸公关等级 面粗糙度 为 m。轴颈长度公差等级为 颈的形状公差，如圆度、圆柱度控制在尺寸公差之半。 括主轴颈与连杆轴颈的平行度：一般为 100内不大于 轴各主轴颈的同轴度：小型高速曲轴为 大型低速曲轴为 20。 算生产纲领，确定生产类型 发动机的曲轴，现在已知该产品为中型机械，可确定其生产类型为大批量生产。 查零件图样工艺性 曲轴零件图样的视图正确、完整，尺寸、公差及技术基本要求齐全。但油封轴颈端 - 6 - 轴承孔的内表面粗糙度未给出，一般 7 级孔的表面粗糙度为 m 即可。第四主轴颈，齿轮轴颈和皮带轮轴颈的表面粗糙度也未给，一般 7 级基准要求 m 即可。本零件的各表面加工并不困难。斜油孔倾 斜较深，但由于只做储油孔用，位置精度不需要太高的要求，只要钻到轴颈的中间靠外就可以了，所以斜油孔的加工也不成问题。 择毛坯 曲轴是发动机上必须的传动件，要求具有较高的刚度、强度、耐磨性和平衡。该零件的材料为整体软氮化，轮廓尺寸不大且形状比较复杂，又属于大批量生产，因此采用模锻成型。 曲轴零件的形状比较复杂，因此毛坯形状要与零件的形状尽量接近，即外形锻成六拐形式，两端空寂台阶不用锻出。毛坯尺寸通过确定加工余量后决定。 艺过程设计 位基准的选择 （一）粗基准的选择 曲轴的毛坯一般都 呈弯曲状态，为保证两端中心孔都能在两端面的几何中心上，粗基准应选靠近曲轴两端的轴颈。为保证其他轴颈外圆余量均匀，在钻中心孔后，应对曲轴进行校直。 由于大批量生产的曲柄毛坯的精度高，曲柄不加工，所以轴向的定位基准一般选取中间主轴颈两边的曲柄。因为中间主轴颈两边的曲柄处于曲轴的中间部位，用作粗基准可以减少其它曲柄的位置误差。 （二）精基准的选择 曲轴和一般的轴类零件相同，最重要的精基准三中心孔。 曲轴轴向上的精基准，一般选取曲轴一端的端面或轴颈的止推面。但在曲轴加工的过程中，定位基准要经过多次转换。曲轴圆周方向 上的精基准一般选取曲轴上的定位平台或法兰上的定位孔。 - 7 - 工阶段的划分与工序顺序的安排 曲轴的主要加工部位是主轴颈和连杆轴颈，次要加工部位是法兰盘、曲柄、斜油孔、螺孔和键槽等。除机械加工外还有轴颈淬火、磁探伤、动平衡等。在加工过程中还要安排校直、检验、清洗等工序。 （一）加工阶段的划分 曲轴的机械加工工艺过程大致可分为：加工基准面 粗加工主轴颈和连杆轴颈 加工斜油孔等次要表面 主轴颈和连杆轴颈的热处理 精加工主轴颈和连杆轴颈 加工键槽和两端孔等 动平衡 光整加工主轴颈和连杆轴颈。 曲轴 的主轴颈和连杆轴颈的技术要求都很严格，所以各轴颈表面加工一般安排为：粗车 精车 粗磨 精磨 超精加工。 对于本发动机曲轴进行粗加工时，以中间主轴颈为辅助定位基准，所以先粗加工和半精加工中间主轴颈，然后再加工其他主轴颈。而连杆轴颈的粗、精加工，一般都要以曲轴两端主轴颈定位，所以连杆的粗精加工都安排在主轴颈加工之后进行的。 （二）工序安排 斜油孔的进出口都安排在曲轴的轴颈上，所以在轴颈淬火之前加工。钻 斜油孔时，用加工过的轴颈定位，可以保证其位置精度。 主轴颈是连杆轴颈的设计基准，所以，主轴颈与连杆轴颈 的车削（铣削）和磨削，一般都是先加工主轴颈再加工连杆轴颈。 在精磨主轴颈的过程中，先精磨第四主轴颈，这样在精磨其他主轴颈、油封轴颈时就可以以第四主轴颈为辅助支撑面，因而可以大大降低曲轴精磨后的弯曲变形。 在最后检查后，以曲轴两端的主轴颈为测量基准，测量其他轴颈的径向跳动。钢曲轴在加工的过程中，轴颈产生跳动的原因之一是，曲轴经加工后应力重新分布，从而造成变形，所以在曲轴的第一主轴颈精磨之后，应紧接着安排齿轮轴、皮带轮轴颈的精磨工序，在第七主轴颈精磨工序之后，应紧接着安排油封轴颈的精磨工序，以免内应力重新分布， 造成过大的影响。同时为了避免曲轴刚度降低造成这些轴颈磨削后径向跳动增大，其他主轴颈的精磨应该放在这些轴颈的精磨之后。 校直对曲轴的疲劳强度有着不利的影响，在制定曲轴的加工工艺过程中，应尽量减少曲轴的校直的次数。为了保证余量均匀、减少变形的影响，在关键工序上，如第四主轴颈加工前、淬火后、动平衡去重后仍需安排校直。 - 8 - 曲轴各轴颈的表面粗糙度要求较高，所以把各轴颈的超精密加工放在最后。如果在超精密加工后再安排其他工序，则有可能破坏已加工好的轴颈表面。 定工艺路线 制定曲轴工艺路线的出发点，应当使曲轴的 几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求得到合理保证，在大批量的生产情况下，可以考虑采用专用机床和专用夹具等，并尽量使工序集中来提高生产率，除此之外，还应当考虑经济因素，以降低生产成本。 由于曲轴在加工过程中塑性变形大，因此为了保证余量均匀、减少变形的影响，应该在关键工序上安排一些校直工序，而方案一中只有一次校直。斜油孔口在淬火时由于受热不均匀很容易发裂，因此必须在热处理前对其进行压堵处理，而方案一也忽略了这一点。方案二对方案一中的问题作了一些较大改进，但如果仔细分析其在工序安排上仍然存在问题，如连杆轴颈的粗 、精铣最好安排在相邻两道工序中以减少工件的搬运，在一台机器上进行加工完毕，提高生产效率。 因此，经过综合考虑，最终确定曲轴加工工过程如下表 2 表 2序号 工序名称 定位基准 1 2 3 4 5 6 7 铣端面中心孔 粗车第四主轴颈 校直第四主轴颈 半精车第四主轴颈 粗磨第四主轴颈 粗车第四主轴颈以外的主轴颈、齿轮轴颈和皮带轮轴颈 校直主轴颈摆差 第一、七主轴颈及第四主轴颈侧面，并以三、四主轴颈为辅助支撑面 顶尖孔、油封轴颈，并以第二、六主轴颈为辅助支撑面 第一、七主轴颈 顶尖孔、油封轴颈，并以第二、六主轴颈为辅助支撑面 顶尖孔，并以第四主轴颈为辅助支撑面 顶尖孔和第四主轴颈 第一、第七主轴颈 - 9 - 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 粗磨第一主轴颈和齿轮轴颈 精车第二、三、五、六、七主轴颈、油封轴颈和法兰 粗磨第七主轴颈 粗磨第二、三、五、六、七主轴颈 在第一、十二曲柄上铣定位面 内铣六个连杆轴颈及过度圆角 内精铣六个连杆轴颈过度圆角 清洗 在连杆轴颈、主轴颈上锪球窝 钻一、二 和六、七轴颈上两道斜油孔 钻四、五和三、四轴颈上两道斜油孔 钻五、六和二、三轴颈上两道斜油孔 各油孔口倒角 攻各油孔口螺纹 去除各油孔口锐边毛刺 清洗各油孔及螺孔 各油孔口压堵 校直曲轴 精磨第四主轴颈及其过度圆角 精磨第七主轴颈及其过度圆角 顶尖孔、第七主轴颈，并以第一、第四主轴颈为辅助支撑面 顶尖孔、第一主轴颈，并以第六主轴颈为辅助支撑面 顶尖孔、第一主轴颈，并以第三、五主轴颈为辅助支撑面 顶尖孔、第七主轴颈，并以第 四主轴颈为辅助支撑面 第一、第七主轴颈及第一连杆轴颈 第一、第七主轴颈及曲柄定位面 第一、第七主轴颈及曲柄定位面 第一主轴颈和油封轴颈，并以第四主轴颈为辅助支撑面 第一主轴颈和油封轴颈，并以第三主轴颈为辅助支撑面 第一主轴颈和油封轴颈，并以第四主轴颈为辅助支撑面 齿轮轴颈和油封轴颈 第一、七主轴颈 顶尖孔、油封轴颈，并以第四主轴颈为辅助支撑面 顶尖孔、第四主轴颈，并以第六 - 10 - 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 精磨第一主轴颈与齿轮轴颈及其圆角 精磨油封轴颈和法兰 精磨二、三、五、六主轴颈及其过度圆角 粗磨六个连杆轴颈 精磨六个连杆轴颈 在皮带轮轴颈、齿轮轴颈上铣键槽 钻扩铰中心孔 52 钻中心孔 镗中心孔 52 及 55 内环槽和中心孔 的 060 锥面 攻 27 L 螺纹 钻油封轴颈 6孔 12 攻 6 14 螺纹 曲轴动平衡，去不平衡重 去毛刺 校 直曲轴 氮化 抛光主轴颈和连杆轴颈 清洗 检验 主轴颈为辅助支撑面 顶尖孔、第七主轴颈，并以第四主轴颈为辅助支撑面 顶尖孔、第一主轴颈，并以第四、七主轴颈为辅助支撑面 油封轴 颈、第一主轴颈，并以第四、七主轴颈为辅助支撑面 顶尖孔，第一、七主轴颈，并以其他主轴颈为辅助支撑面 顶尖孔，第一、七主轴颈，并以其他主轴颈为辅助支撑面 齿轮轴颈，并以第二、七主轴颈为辅助支撑面 第七主轴颈、皮带轮轴颈 第一、七主轴颈 第七主轴颈、皮带轮轴颈 第二、六主轴颈 第二、六主轴颈 第二、六主轴颈 第一、七主轴颈 第一、七主轴颈 第一、七主轴颈，并以第四主轴颈为辅助支撑面 - 11 - 定加工余量及毛坯尺寸、设计毛坯图 定机械加工余量 钢质模锻件的机械加工余量 按 定，根据估算的锻件质量、加工精度及锻件形状复杂系数，由机械制造工艺设计简明手册表 中余量值为单面余量。 （ 1）锻件质量 根据零件成品质量 算为 （ 2）加工精度 零件除两端孔外的各表面为磨削加工精度2F。 （ 3）锻件的形状复杂系数2 （ 2 锻件包容体的质量，假设锻件的最大直径为 220 965 22( ) 9 6 . 5 7 . 8 5 2 8 7 8 1 4 2 8 7 . 1 42m g g k g 1 机械制造工艺设计简明手册表 查得形状复杂系数2S，属于一般级别。 （ 4） 机械加工余量 根据锻件质量、2F、2械加工工艺手册平方向为 上查得的加工余量适用于机械加工表面粗糙度 m， 设计毛胚图 （一）确定毛胚尺寸公差 本零件的锻件质量 状复杂系数2S，含 按机械制造工艺设计简明手册表 件的材质系数 取平直分模线 ，锻件为精密精度等级，则毛坯的公差可从机械制造工艺设计简明手册表 本零件毛坯的尺寸公差如表 2坯的同轴度误差允许值为 表 2轴毛坯（锻件）尺寸公差（ - 12 - 零件尺寸 单面加工余量 锻件尺寸 偏差 85 3 91 + 62 3 68 + 54 60 + 75 90 + 958 4 962 二）确定毛坯热处理 钢质曲轴毛坯颈锻造后应安排正火，以消除残留的锻造应力，并使不均匀的金相组织通过重新结晶而得到细化均匀的组织，从而改善了加工性。 要工序设计 择加工设备和工艺装备 工序 1：选用 钻组合加床，使用 钻组合机床夹具，根据金属机械加工工艺人员手册表 10径 =125 L=40金属机械加工工艺人员手册表 10用 B 形带护锥的中心钻 d=8l=100具选用 1000 125的游标卡尺。 工序 8：据金属机械加工工艺人员手册表 8用顶尖定位、 100 300使用中心架，保证加工效率和精度；由金属机械加工工艺人员手册表 10用 16 40检具选用测量范围为 75 100度为 外径千分尺，分度值 0125的游标卡尺，同轴度、端面跳动检具，手提式 曲轴表面粗糙度检验仪。 工序 9：根据曲轴的车削直径和长度，为保证加工精度和加工效率，据金属机床加工工艺人员手册表 8用精车主轴颈专用夹具，采用 用可转位车刀（ 切槽刀亦选用高速钢。量检具选用 24 工序 13：查 型单刀盘内铣床，使用内铣自带卡座和中心定位和夹紧；选用刀盘型号为 径 300片号 16/8； - 13 - 量检具选 24气动量仪，曲轴自动检验机和圆规卡规，手提式曲轴表面粗糙度检验仪。 工序 29：据金属机械加工工艺人员手册表 8用 圆磨床，使用顶尖定位、 100 130使用中心架，由表 10用 16 40砂轮；量检具选用分度值 量范围 0 12524柱度、端面跳动检具和圆规卡规，手提式曲轴表面粗糙度检验仪。 工序 35：据连杆 轴颈磨削直径和曲轴长度，由金属机械加工工艺人员手册表 8用精磨连杆轴颈专用夹具；由表 10用 16 40砂轮；量检具选用分度值 125游标卡尺，24轴自动检验机和圆规卡规，手提式曲轴表面粗糙度检验仪。 工序 36：据金属机械加工工艺人员手册表 用 式铣床；使用铣键槽专用夹具定位夹紧；据金属机械加工工艺人员手册表 10=50径 d=16L=6数为 14的直齿三面铣刀（ 选用分度值 125 定工序尺寸 确定工序尺寸的一般方法是，由加工表面的最后工序往前推算，最后工序的工序尺寸按零件图样的要求标注。当无基准转换时，统一表面多次加工的工序尺寸只与工序（或工步）的加工余量有关，当基准不重合时，工序尺寸应用工艺尺寸链解算。 1. 确定主要圆柱面的工序尺寸 圆柱表面多次加工的工序尺寸只与加工余量有关。前面根据有关资料已查出本零 件各圆柱面的总加工余量（毛坯余量），应将总加工余量分为各工序加工余量，然后往前计算工序尺寸。中间工序尺寸的公差按加工方法的经济加工精度确定。 参照机械加工工艺手册表 最后工序的尺寸可一次算得本零件各圆柱表面的加工余量、工序尺寸及公差以及表面粗糙度。如表 2附）。 2. 确定主要轴向工序尺寸 参照机械加工工艺手册表 零件图上的轴向尺寸及所设计的毛坯尺寸可以一次算得本零件的工序的轴向尺寸。本零件各主要端面的加工余量、工序 - 14 - 尺寸及 公差、表面粗糙度。如表 2附）。 3. 铣键槽 零件图样要求键槽精度为 宽 定切削用量及基本时间 切削用量一般包括切削深度、进给量及切削速度三项，确定方法是先确定切削深度、进给量，再确定切削速度。 序 1（铣端面钻中心孔）切削用量及时间的确定 本工序为粗加工工序。已知材料为 b=650锻件，有外皮； 机床型号为 钻组合机床，工件装夹在铣钻专用夹具上。 铣端面 确定切削深度p： 由于单边余量为 照金属机械加工人员手册表 14在一次走刀内切完，故 9 6 6 9 6 1 2 . 52p （ 2 (2) 确定进给量 参照金属机械 加工人员手册表 14刀为高速钢套式镶刃面铣刀，机床的功率为 510 列刚度为中等，可查得r。 （ 3）确定切削速度 v ： 切削速度 v 可以根据公式计算，也可以由表中直接查出。参照金属机械加工人员手册表 14铣刀直径 d=125刀 齿数 z=6 和r 查得 v=261m/ (4) 确定铣端面的基本时间1 1 4 4 0 3 1 0 . 2 8 m i 1 3 6 7 0 0l （ 2 - 15 - （ 1）确定切削深度 钻中心孔一次行程即可完成，2 （ 2）确定进给量 f ： 参照金属机械加工人员手册表 14用的中心空钻，为带护锥 60复合中心钻，由 d=8查得 f=r。 （ 3）确定切削速度 v： 同进给量，可查得 v=1225mm/工序中取 v=20m/ （ 4）确定主轴转速 n 按 n=655r/ （ 5）确定钻中心孔的基本时间 122 2 2 2 3 2 0 . 8 4 m i n. 0 . 0 8 6 5 5j l l lT （ 2 故工序 1的基本时间是 12j j T= （ 2 序 8（粗磨第一主轴颈）切削用量及时间的确定 1. 粗磨第一主轴颈 （ 1）确定磨削深度 由于双边余量仅为 照金属机械加工人员手册表 14作台一次往复行程横向进给量 0 . 0 2 5 2 0 . 0 4 8 4为 可在两次行程内完成 0 m m （ 2 （ 2）确定进给量 参照金属机械加工人员手册表 14算得纵向进给量 b=（ 16r,取0mm/r。 （ 3）确定切削速度 v ： 切削速度 v 可以根据公式计算，也可以直接由表中查出。参照金属机械加工人员手册表 14件磨削表面的直径 d=75查得316工序去3m/机械加工工艺手册表 5m/s。 - 16 - （ 4）确定主轴转速 n： 1 0 0 0 6 0 d （ 2 按 n=3200r/ （ 5）确定粗磨第一主轴颈的基本时间： 参照金属机械加工人员手册表 15 1( 4 3 . 9 2 3 . 5 ) 0 . 1 1 . 1 2 0 . 3 2 m i 1 0 0 . 0 4 8 4j w B tL h f f （ 2 其中 K 外圆磨系数，据表 15 工件每分钟转数 （ r/, 1000 1 0 0 0 1 3 5 5 / m i 1 4 7 5ww （ 2 粗磨齿轮轴颈 确定切削深度 由于双边余量为 照金属机械加工人员手册表 14作台一次往复行程横向进给量 0 . 0 2 3 6 0 . 0 4 7 4tf m m,取为 故可在 0 . 3 0 . 1 52ea m m （ 2）确定进给量 参照金属机械加工人员手册表 14可算得纵向进给量( 0 . 5 0 . 8 ) ( 0 . 5 0 . 8 ) 1 6 8 1 2 . 8 /b m m m m r ，取 1 2 /Bf mm r 。 （ 3）确定切削速度 v： 切削速度 v 可以根据公式计算，也可直接由表中查出。参照金属机械加工人员手册表 14件磨削表面的直径 d=52得 1 2 1 4 / m i ，本工序 v=12m/机械加工工艺手册表 5 /sv m s。 （ 4）确定主轴转速 n 1000 1 0 0 0 2 5 6 0 / m i 1 4 1 5 0= （ 2 据 n=3200r/（ 5）确定粗磨齿轮轴项的基本时间 同上可知 - 17 - 2( 3 5 2 1 ) 0 . 1 5 1 . 1 2 . 5 0 . 3 2 m i . 5 1 2 0 . 0 4 7 4j w B tL h f f （ 2 工序的基本时间为 12T 0 . 3 2 0 . 3 2 0 . 6 4 m i nj j 序 9（精车第二、三、五、六、七主轴颈、油封轴颈和法兰）切削用量即基本时间的确定 本工序为精加工工序，选用 控车床和 质合金车刀，选用可转位车刀（ ,刀具副偏角 10，刀尖圆弧半径 。 精车轴项部分： 1 . 5 0 . 7 52pa m m 2 3 5 / m f mm r 1 0 0 0 / m 1 1切槽（采用 18 4 15 / f mm r 5 1 m 2 0 m 工序的基本时间： 12 1 0 . 4 3 1 . 4 3 m i nj j T （ 2 序 13（内铣六个连杆轴颈）切削用量即基本时间的确定 本工序为粗加工工序。已知条件同工序 1，查 型单刀盘内铣床，选用刀盘型号为 径 300，刀片号 16/8。 各数据计算方法同 骤从略。 - 18 - 1 2 5 / m f mm r 600 / m 17.9 m 序 29（精磨第四主轴颈及其过渡圆角）切削用量及基本时间的确定 本工序为精加工工序，选用 用顶尖定位、 1 0 0 1 3 0 3 3 9 2 8 3鸡心头夹紧，并使用中心架，所选砂轮的宽度为 32Mb 2 5 / m 35 /sv m s 2 0 /Bf m m r 4 5 0 0 / m 0 m 序 35（精磨六个连杆轴颈）切削用量及基本时间的确定 本工序为精加工工序，连用 圆磨床，使用精磨连杆曲轴专业夹具，所选砂轮的宽度 16Mb 数据 计算方法同 骤从略。 0 5ea 30 /v m s 1 0 /bf mm r 3 8 5 0 / m 2 m 序 36（铣键槽）切削用量及基本时间的确定 各数据计算方法同 骤从略。 50 / m - 19 - 0 /zf m m r 350 / m T 0 1 m 一个机床的机械制造工艺系统由机床、工件、刀具和夹具组成。机床夹具的用以装夹工件的一种装置，其作用是使工件相对于机床或刀具有一个正确的位置，并在加工过程中这个位置不变，可以看出夹具在机械加工中占有很重要的地位，尤其是在成批生产时更是大量采用机床夹具，它们是机床和工件之间的连接装置，使工件相对机床或刀具获得正确的位置 。机床夹具的好坏直接影响工件加工表面的位置精度。所以，机床夹具设计是装备设计中的一项重要工作。 床夹具的分类、基本组成和功用 机床夹具按其使用范围可分为以下五种基本类型：通用夹具，专用夹具，通用可调整夹具和成组夹具，组合夹具，随行夹具。机床夹具的基本组成，根据功用一般可分为：1）定位原件或装置，用以确定工件在夹具中的正确位置； 2）刀具导向原件或装置，用以引导刀具或用以调整刀具相对于工件的位置； 3）夹紧元件或装置，用以夹紧元件； 4）连接原件，用以确定工件在机床上的正确位置并与机床相连接； 5）夹具体， 用以连接各夹具元件及装置，使之成为一个整体，并通过它将夹具安装在机床上； 6）其他元件及装置，如分度装置、防错装置等。 机床夹具的功用一般为： 1）保证加工质量； 2）提高生产率，降低成本； 3）扩大机床工艺范围，做到一机多能； 4）平衡各工序时间 ，以便组织流水生产； 5）减轻工人劳动强度，保证生产安全。 动机曲轴夹具的设计思路 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： 状复杂 - 20 - 曲轴主轴颈与连杆轴颈不在同一轴上 线，偏心距有一定的尺寸要求，并且两轴有较高的位置度要求，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： 连杆轴颈与机床主轴重合，并使夹具能回转 180 度，加工另一连杆轴颈。 计夹具时应精确设计平衡重。 性差 因本曲轴长径比较大，同时具有曲拐，因此刚性较差。曲轴在切削力及自重的作用下会产生严重的扭曲及弯曲变形，特别在单边传动的机床上加工更为严重，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，可用中间托架来增强刚性，减小变形和振动，同时机床刀具及夹具都应有较高的刚度。 （ 2）：在加工时尽量使切削力的作用相互抵消，可用前后刀架同时横向进给。 （ 3）：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）：在有可能产生变形的工序后面增设校直工序。 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、半精加工及精加工余量。 B：粗基准选 择用曲轴两端的中心孔。中心孔的加工以主轴颈外圆作为基准，这样能保证曲轴加工径向及轴向加工余量的均匀性。 C：精加工时仍用中心孔作为基准，但要重新修磨中心孔，避免精加工时因中心孔磨损引起加工误差。也可一端用主轴颈定位，另一端用中心孔定位以提高刚度。 D：曲轴轴向定位以主轴颈轴肩定位，工艺设计时定位基准应尽量与设计基准一致。 综上分析，鉴于磨削连杆轴颈夹具的典型性和特殊性，决定设计六个连杆轴颈的粗磨夹具，本夹具将用于 本夹具可同时粗磨位于同一轴心线上的连杆轴颈、两侧面及过度圆角。其中，各 连杆轴心线的相位差要求控制在