机械毕业设计（论文）-6170曲轴加工工艺及其夹具设计（全套图纸） .pdf

1 6170 曲轴加工工艺及其夹具设计曲轴加工工艺及其夹具设计 学 生： 指导老师： （湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128） 摘 要： 6170 发动机广泛应用于汽车、工程机械、船舶和发电机中。发动机中最重要的部 件当属曲轴。由于曲轴工作条件恶劣，因此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。本设计主要进行 6170 曲轴的加工工艺路线的编制以 及关键工序的夹具设计，通过曲轴加工工艺路线的编制以及有关工序夹具设计，对影响曲轴加工质 量的因素加以研究并提出针对性的改进方案，以提高产品质量和生产率。 关键词：6170; 发动机; 曲轴; 加工工艺路线; 夹具设计; 加工质量 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 design of 6170 crankshfats processing and fixture student: tutor: （oriental science technology college of hunan agricultural university, changsha 410128） abstract: 6170 diesel engines are widely applied in automobiles, engineering machinery, ships and generators. without doubt, the crankshaft should be the most important part in engines. as crankshafts always work in poor conditions, it is necessary to be strict to the material, the blank processing, the 2 accuracy, the surface roughness, the heat treatment, the surface intensification and the dynamic balance of crankshafts. this project aims at the compiling of the processing line of crankshafts and the fixture design of the critical process. through the compiling and the design, i will figure out the factors that affect the quality of crankshaft machining and propose specific improvement so as to enhance the quality of products and productivity. key words: 6170; engine; crankshaft; the processing line; the fixture design; the quality of crankshaft machining 1 前言 6170 发动机（柴油机）广泛应用于汽车、工程机械、船舶以及发电机组中。发动 机曲轴的加工质量对于发动机的功效等尤为重要。曲轴是发动机中承受冲击载荷、传 递动力的重要零件，在发动机各个部件中最难以保证加工质量。由于曲轴工作条件恶 劣，因此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。 而在 6170 发动机曲轴的加工工艺中，曲轴连杆轴颈的加工以及钻斜油孔等关键工 序很难加工，因此通过对曲轴加工工艺进行合理的编制，改进这些难保证加工质量部 位的加工工艺，并着重分析影响曲轴加工质量的因素，提出改进措施。提高工件质量 乃至整个发动机的功效。 本次毕业设计是我们在大学期间的最后一次设计，也是我们在学完了大学全部基 础课、专业基础课以及全部专业课之后进行的。本次毕业设计也是需要综合运用大学 四年所学的课程知识来解决生产实际中的问题。这是我们在进入生产实际以前对所学 各门课程的一次综合应用，也是一次理论联系实际的好机会。 通过本次设计，我希望能锻炼自己综合运用所学知识的能力，接触现实生产中实 际设计所遇到的问题，提高正确分析问题、解决问题的能力，为今后进入社会参加实 践积累经验，打下良好的基础。 本次毕业设计是对我们的一次全面综合的考验，由于知识和经验所限，设计会有 许多不足之处，恳请各位老师给予指导。 2 曲轴的工艺分析及生产类型的确定 3 2.1 曲轴的作用及工作状况 曲轴是发动机中承受冲击载荷、传递动力的重要零件，是发动机的心脏，它需要 承受活塞通过连杆传来的力，将活塞的往复运动变为旋转运动，并将这一旋转运动传 递给其他部分。 曲轴工作时的受力情况非常复杂。它不但受到很大的扭转应力和大小、方向都在 周期性变化的弯曲应力的作用，而且还受到振动所产生的附加应力的作用。因此曲轴 应具有足够的强度、刚度、抗疲劳强度和抗冲击韧性。同时，曲轴工作时旋转速度很 高，曲轴的主轴颈和连杆轴颈应具有足够的耐磨性。再加上曲轴工作的环境十分复杂、 工作条件恶劣，因此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 能严重影响曲轴的使用寿命和整机的可靠性。 图图 1 6170 曲轴曲轴 fig 1 the 6170 crank shaft 图 1 6170 曲轴 fig1 the 6170 crank shaft 2.2 曲轴的工艺分析曲轴的工艺分析 曲轴属于细长轴类零件，它的几乎所有表面均需切削加工，各表面的加工精度和 表面粗糙度通过加工即可获得，由于其工作环境的恶劣，加工精度要求较高。为了保 证曲轴正常的工作，曲轴要有相对严格的技术要求。主要有： 曲轴主轴颈和连杆轴颈尺寸公差等级不低于 it6， 轴颈的圆度和轴颈母线间的平行 度不大于mm015. 0，轴颈表面粗糙度ra值为m0.24 . 0 ； 连杆轴颈轴线对主轴颈轴线的平行度允差为mm10003 . 0 ； 曲柄半径公差为mm05. 0； 主轴颈、连杆轴颈与曲柄连接圆角的表面粗糙度ra值不大于m4 . 0； 4 曲轴各连杆轴颈轴线之间的角度偏差不大于30； 曲轴的主轴颈和连杆轴颈，应经过表面淬火或氮化，硬度应在hrc2650范围内 等。 2.3 曲轴的生产类型 本次毕业设计的生产类型为大批大量生产。 整体来看，曲轴加工的工艺原则： 曲轴具有完全互换性； 毛坯精度中等，加工余量中等； 设备采用通用机床、专用机床和数控机床等集中加工； 广泛采用夹具； 刀具以通用刀具为主，量具以通用量、检具为主； 需要一定熟练程度的工人。 3 选择毛坯，确定毛坯尺寸 3.1 毛坯材料及其制造工艺 3.1.1 毛坯的材料 在发动机工作过程中，曲轴承受着很大的方向不断变化的弯矩和扭矩，也经受着 高速运转中长时间的磨损，因此，要求曲轴的材质具有较高的疲劳强度以及良好的耐 磨性能。 制造曲轴的材料目前主要有三大类，即锻钢、铸钢、和球墨铸铁。锻钢曲轴可以 按一定规定的45钢或245mn、crmo35、cr40的合金制造，也有的需要用机械性能不 低于上述牌号的其他钢材制造。铸钢的曲轴一般采用45钢制造。而球墨铸铁曲轴则一 般采用不低于牌号3600qt的球墨铸铁制造。 我们在实际生产实践中要根据不同的生产类型、不同的工作环境以及工厂的具体 条件等选择合适的材料加工曲轴。由于球墨铸铁的切削性能良好，可以获得较理想的 结构形状，并且和钢质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、硬度和耐磨性。而球墨铸铁曲轴成本只有调质钢曲轴成本的 1/3 左右，可 以为工厂生产节省成本，提高效率等，所以球墨铸铁曲轴在国内外得到了广泛应用。 因此本次设计 6170 曲轴选用球墨铸铁800qt作为曲轴的毛坯材料。 3.1.2 毛坯的制造工艺 在进行曲轴加工工艺过程设计中，曲轴毛坯类型是选择加工总余量及前几道工序 的加工余量的决定因素，也是选择刀具材料及设备性能的依据。毛坯的种类和其质量 5 对机械加工的质量、材料的节约、劳动生产率的提高和成本的降低都有密切的关系。 好的毛坯制造工艺和毛坯质量，往往可大幅度降低机械加工劳动强度、提高劳动 生产率，而且比采取某些高生产率的机械加工工艺措施更为有效。如自由锻件改进为 模锻件，球墨铸铁件取代铸钢件等。前者可提高毛坯制造和机械加工效率，大批量生 产条件下也可降低毛坯制造生产成本，同时可保证非加工面的结构一致性，便于曲轴 的静、动平衡，提高柴油机性能。球墨铸铁取代铸钢曲轴，降低了毛坯制造成本和机 械加工生产成本，节约资源和提高了劳动生产率。 曲轴属于细长轴类零件， 质量较大， 近年来采用电渣熔铸技术 1铸造钢质曲轴使得 铸件质量大大提高，铸造废品率得以降低，曲轴的使用寿命也有所延长，会在将来成 为广泛应用的新技术。 目前在工厂中广泛使用的曲轴毛坯制造工艺有铸造成型、锻造成型以及全纤维锻 造成型等工艺。 本次设计选用切削性能较好，生产成本较低的球墨铸铁做为曲轴材料。采用铸造 成型的方法制造球墨铸铁曲轴。球墨铸铁曲轴铸造时容易产生夹渣和皮下气孔等缺陷, 因此，浇注系统应能保证铁水平稳的流入铸型，并要求有良好的挡渣作用。同时，由 于球墨铸铁的浇注温度一般比灰铸铁低，为了防止冷隔和浇注不足发生，必须采取较 快的浇注速度，相应的增加浇道的尺寸，以保证铁水进入横浇道后流速显著减小，在 略有压力的作用下平稳的进入型腔，而不会出现喷射飞溅现象。 毛坯图如下图所示： 图 2 6170 曲轴毛坯图 fig 2 the semi finished materials of 6170 crank shaft 6 3.2 毛坯尺寸的确定 根据 6170 曲轴的功用和技术要求，确定其铸件毛坯精度中等，公差等级ct可达 97级（参照参考文献 2机械制造技术课程设计指导查表 23） ，再根据参考文献 2 机械制造技术课程设计指导 ，查表 33查得各毛坯尺寸的单边加工余量。 见表 1： 表 1 毛坯尺寸 tab 1 rough size 零件尺寸 单面加工余量 铸件毛坯尺寸 100 200 135 150 1690 3 4 4 4 5 106 208 143 158 1700 3.3 确定毛坯尺寸公差 曲轴毛坯尺寸公差同样根据参考文献 2机械制造技术课程设计指导表 33和 表43中查得。 见表2： 表 2 毛坯尺寸偏差 tab 2 rough size deviation 铸件毛坯尺寸 偏 差 7 208 106 143 158 1700 0 . 2 8 . 1 8 . 1 8 . 1 8 . 3 4 选择加工方法，制定加工路线 4.1 定位基准的选择 制定工艺路线首先要选择好定位基准，包括粗、精基准的选择。选择的粗基准要 便于加工精基准，使所有加工表面有足够的加工余量并且保证相互位置精度，还要满 足方便装夹等要求。选择精基准时要考虑的主要问题是如何保证设计技术要求的实现 以及装夹准确、可靠、方便；要保证零件的加工精度，满足基准重合、基准统一、互 为基准、自为基准和便于装夹原则等。 6170 曲轴为细长轴类零件，在曲轴加工过程中，为了保证质量中心孔钻在主颈毛 坯外圆面的轴线位置上，选用主轴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，选用第四主轴颈两侧面为轴向粗基准。同时，在第四主轴颈两侧上铣出 两个工艺平面作为加工连杆颈时的辅助粗基准；在加工主轴颈及同轴心的轴颈外圆时， 以质量中心孔为精基准；加工连杆颈时，用加工的法兰和小头的外圆及连杆颈外圆作 为精基准。这样便于保证技术要求。 4.2 零件表面加工方法的选择 曲轴的加工表面有外圆、内孔、端面、键槽及螺纹孔等，材料为800qt。各加工 表面加工方法选择如下。 外圆 曲轴两端外圆面表面粗糙度为mra3 . 6,粗车和精车后可达到要求。 各主轴颈、连杆轴颈表面粗糙度mra2 . 3，先经过车拉加工，再经过磨削可达到 要求。 孔 曲轴直油孔和斜油孔，表面粗糙度为mra 5 . 12，通过钻孔后可满足加工要求。 曲轴两端中心孔采用钻削即可达到加工要求。 曲轴两端孔通过钻、扩满足要求，法兰端孔还要经过铰孔以达到加工要求。 8 端面 曲轴零件为回转体，以两端面作为定位基准，考虑到生产效率等要求可采用铣削 端面，后道工序采用车削可达到要求的精度。 键槽 根据键槽要求达到的表面粗糙度可采用铣键槽。 螺纹孔 先钻孔，利用丝锥攻丝。 4.3 制定工艺路线 机械加工工艺路线是机械加工工艺规程的核心。按照先加工基准面后加工其他表 面，先粗基准表面后精基准表面，先主要表面后次要表面以及先加工平面后加工孔等 原则进行加工，制订出适合工厂自身条件，确保加工质量、高效和低成本的最佳工艺 路线。本次设计的曲轴加工工艺路线如下： 工序 1 毛坯检测 工序 2 粗铣两端面 工序 3 划两端中心孔线 工序 4 钻中心孔 工序 5 粗车法兰及小端外圆 工序 6 精车法兰及小端外圆 工序 7 铣平衡块两侧 工序 8 粗车第四主轴颈 工序 9 粗磨第四主轴颈 工序 10 车拉全部主轴颈 工序 11 铣曲轴连杆轴颈 工序 12 车平衡块外圆及倒角 工序 13 钻大头端上定位销孔 工序 14 钻直油孔 工序 15 钻斜油孔 工序 16 去毛刺、清洗 工序 17 中频淬火 工序 18 精磨主轴颈和连杆轴颈 工序 19 铣键槽 工序 20 钻两端孔 工序 21 扩小端孔 工序 22 扩、铰法兰端孔 工序 23 钻 6 个螺纹底孔 工序 24 攻 6 个螺纹底孔螺纹 工序 25 油孔孔口倒角、抛光 工序 26 擦拭及吹净曲轴 工序 27 磁力探伤及退磁 工序 28 轴颈滚压 工序 29 轴颈变形检测 工序 30 滚压校直 工序 31 轴颈修磨 工序 32 动平衡测量、去重 工序 33 清洗表面铁屑 工序 34 抛光所有轴颈 工序 35 清洗、吹风 工序 36 最终检验 工序 37 防锈。 9 5 工序设计 5.1 选择加工设备与工艺装备 拟定出加工工艺路线后，需要选择各工序的加工设备和工艺装备。合理的加工设 备、工艺装备（机床、刀具、夹具以及量具等）使得加工出来的曲轴达到正常工作的 要求，也能够提高加工生产率从而提高企业的经济效益。本设计加工设备、工艺装备 选择如下： （1）第 2 道工序为粗铣两端面。由于曲轴尺寸较大，在大批大量生产的前提下， 采用双面铣床可以满足两端面所需生产率要求以及加工精度等要求。本道工序选用双 端面铣床。采用专用夹具定位加紧。双端面铣床上使用硬质合金面铣刀。 （2）第 3 道工序为划两端中心孔线。本道工序在生产车间将曲轴毛坯放置于工作 台 v 型架上划线。 （3）第 4 道工序为钻两端中心孔。曲轴两端中心孔孔径尺寸不大，由于曲轴尺寸 较大，采用双面中心孔钻床。采用可调中心架，使用中心钻（gb/t 6078.21998） 。 （4）第 5、6 道工序是粗、精车法兰及小端外圆，可采用 c630 型车床进行车削。 通过普通游标卡尺（gb/t 1214.21996）和普通式千分表（gb/t 12192000）检验。 （5）第 7 道工序是铣平衡块两侧，采用数控曲轴铣床进行铣削。铣床上采用盘铣 刀进行加工。 （6）第 8 道工序是粗车第四主轴颈，可采用 c630 型车床进行车削。采用两端中 心孔定位。由于曲轴加工为大批大量生产，考虑到生产效率等方面的因素，在车床上 选用可转位车刀（gb/t 20761987）减少换刀时间以提高劳动生产率。通过普通游标 卡尺（gb/t 1214.21996）检验。 （7）第 9 道工序是粗磨第四主轴颈。由于第四主轴颈在后续加工中起到定位基准 以及辅助支撑的作用，因此先要将其加工出来，两端并且保证一定的精度。本道工序 选用 mq8260 型磨床。采用外径千分尺（gb/t 12162004）来检验加工后是否达到要 求的精度。 （8）第 10 道工序是车拉全部主轴颈，可采用数控曲轴主轴颈车拉机床进行加工。 以主轴颈为回转中心，通过夹具装夹。 （9）第 11 道工序是铣连杆轴颈，连杆轴颈的加工是曲轴加工工艺中重点难点所 在，由于其轴颈与主轴颈偏心，在曲轴旋转加工中由于偏心力的作用加工容易出现较 大误差，因此要注意本道工序的加工，保证加工精度。采用数控曲轴内铣床。 （10）第 12 道工序是车平衡块外圆及倒角，平衡块位于曲拐上，是偏心的，因此 10 要采用多刀车床进行偏心车削。 （11）第 13 道工序是钻大头端上定位销孔，使用专用钻床夹具装夹，使用摇臂钻 床 z35 进行钻削。使用直柄麻花钻（gb/t 6135.31996） 。 （12）第 14 道工序是钻直油孔，可采用 z35 摇臂钻床使用专用钻直油孔钻模定位 夹紧曲轴钻出所要求的直油孔，钻头使用直柄长麻花钻（gb/t 6135.41996） 。 （13）第 15 道工序是钻斜油孔，柴油机曲轴斜油孔的加工是曲轴加工工艺过程中 比较关键的工序，由于其要求为斜油孔，位置与角度要求比较高，加工中要保证其位 置精度。本道工序采用 z35 摇臂钻床进行钻削加工。要使用专用钻斜油孔钻模定位夹 紧工件，定位要满足角度及位置要求，防止不能与直油孔对接等情况的发生。钻头使 用直柄长麻花钻（gb/t 6135.41996）即可。 （14）第 16 道工序是去毛刺、清洗，使用高压去毛刺清洗机器，通过高压水形成 多方向高压水流的柔性刀具对各复杂表面、孔等进行清洗及去毛刺。 （15）第 17 道工序是中频淬火，采用曲轴淬火机床，进行感应淬火，以此改善曲 轴材料表面组织，提高材料的表面强度。 （16）第 18 道工序是精磨主轴颈和连杆轴颈，采用数控曲轴磨床一次装夹磨削。 （17）第 19 道工序是铣键槽，采用 x62w 型卧式万能升降台铣床进行铣削。通过 专用铣床夹具定位夹紧曲轴，铣削键槽。 （18） 第 20 道工序是钻两端孔， 采用 z3080 型摇臂钻床。 钻头使用锥柄麻花钻 （gb/t 1438.11996） 。 （19） 第 21 道工序是扩小端孔， 采用 z3080 型摇臂钻床。 钻头使用直柄扩孔钻 （gb/t 42562004） 。 （20）第 22 道工序是扩铰法兰端孔，采用 z3080 型摇臂钻床。钻头使用锥柄扩孔 钻（gb/t 42562004） ，铰刀型号为机用铰刀（gb/t 11322004） 。 （21）第 23 道工序是钻 6 个螺纹底孔，采用 z3040 型摇臂钻床。钻头使用直柄麻 花钻（gb/t 6135.31996） 。 （22）第 24 道工序是攻 6 个螺纹底孔螺纹，采用丝锥攻丝。丝锥类型为机用丝锥 （gb/t 3464.11994） 。 （23）第 25 道工序是油孔孔口倒角及抛光，采用油孔孔口倒角工具对孔口倒角， 并利用砂布抛光孔口锐边。 （24）第 27 道工序是磁力探伤及退磁，根据国家颁布的曲轴技术条件规定， 每根曲轴必须经磁力探伤并执行严格的磁力探伤标准。磁力探伤后要退磁。使用磁力 11 探伤机进行检测。 （25）第 28 道工序是轴颈滚压，进行轴颈滚压工艺是为了提高曲轴圆角强度，起 到冷作硬化的作用，在曲轴加工工艺中是较好的提高曲轴表面强度的工序。球墨铸铁 曲轴圆角滚压强化将广泛应用于曲轴加工中。采用曲轴圆角滚压机床进行滚压强化表 面。 （26）第 29 道工序是轴颈变形检测，第 30 道工序是滚压校直。通过曲轴滚压、 校直机床对曲轴滚压强化后的轴颈进行直线度等的检测，并对直线度没有达到要求的 轴颈进行滚压校直，保证曲轴精度。 （27）第 32 道工序是动平衡测量、去重，这是发动机曲轴加工过程中较为关键的 一道工序，发动机在工作时要保证传给作用力的大小和方向不随时间变化，曲轴各个 质点具有离心惯性力，而曲轴质量分布不均匀，因此需要对曲轴进行动平衡去重。采 用动平衡机检测，并去重。 （28）第 33 道工序是清洗表面铁屑，采用清洗机进行清洗。 （29）第 34 道工序是抛光所有轴颈，采用抛光机利用砂带进行抛光。 5.2 确定工序尺寸 确定曲轴主要加工表面的工序尺寸：主轴颈等圆柱表面多次加工的工序尺寸只与 加工余量有关。前面已确定各圆柱面的总加工余量（毛坯余量） ，应将毛坯余量分为各 工序加工余量，然后由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 精度确定。 6170 曲轴零件各圆柱表面的工序加工余量、工序尺寸及公差、表面粗糙度如下： 5.2.1 加工小端外圆柱面80mm 其尺寸精度要求为 it7 级，表面粗糙度要求为mra3 . 6，其工艺路线为：粗车 精车即可达到加工要求。 由参考文献 2、参考文献5中相关资料得精车余量： mm4 . 0，粗车余量：mm5 . 2， 则总加工余量可定为mm0 . 3。查参考文献 4机械制造工艺学中表 74以及毛坯精 度要求得： 精车后选定 it7； 粗车后选定 it9。 根据上述经济加工精度查标准公差表 （参 考文献 2表 244） ，将查得的标准公差值按照“入体原则”标注。毛坯公差为8 . 1。 计算各加工工序的基本尺寸。 见表 3： 表 3 80 外圆加工余量计算 tab3 80outer annulus machining allowance 工序名称 工序间 工 序 工序基本尺标注工序 12 余量mm/ 经济精度 mm/ 表面粗糙度mra / 寸mm/ 尺寸公差mm/ 精车 4 . 0 it7( 0 040 . 0 ) 3 . 6 2 .80 0 040 . 0 2 . 80 粗车 5 . 2 it9( 0 1 . 0 ) 10 81 0 1 . 0 81 毛坯 8 . 1 86 8 . 186 5.2.2 加工小端外圆柱面 100mm 其尺寸精度要求为 it7 级，表面粗糙度要求为mra3 . 6，其工艺路线为：粗车 精车即可达到加工要求。 由参考文献 2、参考文献5中相关资料得精车余量： mm4 . 0，粗车余量：mm5 . 2， 则总加工余量可定为mm0 . 3。查参考文献 4机械制造工艺学中表 74以及毛坯精 度要求得： 精车后选定 it7； 粗车后选定 it9。 根据上述经济加工精度查标准公差表 （参 考文献 2表 244） ，将查得的标准公差值按照“入体原则”标注。毛坯公差为8 . 1。 计算各加工工序的基本尺寸。 见表 4： 表 4 100mm外圆加工余量计算 tab4 100mm outer annulus machining allowance 工序名称 工序间 余量mm/ 工 序 工序基本尺 寸mm/ 标注工序 尺寸公差mm/ 经济精度mm/ 表面粗糙度mra / 精车 4 . 0 it7( 0 040 . 0 ) 3 . 6 2 .100 0 040. 0 2 . 100 粗车 5 . 2 it9( 0 1 . 0 ) 10 101 0 1 . 0 101 毛坯 8 . 1 106 8 . 1106 5.2.3 加工法兰外圆柱面 200mm 其尺寸精度要求为 it7 级，表面粗糙度要求为mra3 . 6，工艺路线为：粗车精 车。由参考文献 2；参考文献6中相关资料得：精车余量： mm4 . 0，粗车余量：mm5 . 3， 则总加工余量为mm0 . 4。计算各加工工序的基本尺寸。 见表 5 ： 表 5 200mm外圆加工余量计算 tab5 200mm outer annulus machining allowance 工序名称 工序间 余量mm/ 工 序 工序基本尺 寸mm/ 标注工序 尺寸公差mm/ 经济精度mm/ 表面粗糙度mra / 精车 4 . 0 it7( 0 046. 0 ) 3 . 6 2 .200 0 046 . 0 2 . 200 13 粗车 5 . 3 it9( 0 115. 0 ) 10 201 0 115. 0 201 毛坯 0 . 2 208 0 . 2208 5.2.4 加工主轴颈外圆柱面 150mm 其尺寸精度要求为 it6 级，表面粗糙度要求为mra2 . 3，工艺路线为：粗车精 车精磨。由参考文献 2；参考文献5中相关资料得：精磨余量： mm1 . 0；精车余量： mm4 . 0，粗车余量：mm5 . 3，则总加工余量为mm0 . 4。计算各加工工序的基本尺寸。 见表 6： 表 6 150mm外圆加工余量计算 tab6 150mm outer annulus machining allowance 工序名称 工序间 余量mm/ 工 序 工序基本尺 寸mm/ 标注工序 尺寸公差mm/ 经济精度mm/ 表面粗糙度mra / 精磨 1 . 0 it6( 0 025. 0 ) 2 . 3 150 0 025. 0 150 车拉 4 . 0 it7( 0 040 . 0 ) 3 . 6 2 .150 0 040. 0 2 . 150 毛坯 8 . 1 158 8 . 1158 5.2.5 加工连杆轴颈外圆柱面 135mm 其尺寸精度要求为 it6 级，表面粗糙度要求为mra2 . 3，工艺路线为：粗车精 车精磨。由参考文献 5；参考文献6中相关资料得：精磨余量： mm1 . 0；精车余量： mm4 . 0，粗车余量：mm5 . 3，则总加工余量为mm0 . 4。计算各加工工序的基本尺寸。 见表 7： 表 7 135mm外圆加工余量计算 tab7 135mm outer annulus machining allowance 工序名称 工序间 余量/mm 工 序 工序基本尺 寸/mm 标注工序 尺寸公差/mm 经济精度/mm 表面粗糙度 ra/m 精磨 1 . 0 it6( 0 025. 0 ) 2 . 3 135 0 025. 0 135 14 内铣 4 . 0 it7( 0 040 . 0 ) 3 . 6 2 .135 0 040. 0 2 . 135 毛坯 8 . 1 143 8 . 1143 6 确定切削用量及基本工时 6.1 切削用量 切削用量包括背吃刀量 p a 、进给量 f 和切削速度v。确定顺序是确定 p a 、 f ，再 确定v 6。 工序 2 为粗铣两端面。已知加工材料为800qt，铸造，机床为双端面铣床，所选刀具 为硬质合金面铣刀。 确定外圆加工的切削用量。 （1）确定背吃刀量 p a 本工序的背吃刀量即铣刀铣削深度选择 p a mm0 . 4。 （2）确定进给量 f 由参考文献 6中表 1465查得，选择zmmf/20. 0=。 （3） 确定切削速度v 根据参考文献 2中表 1245铣削时切削速度选择min/100mv = mmap0 . 4=，rmmf/20 . 0 =，min/100mv =。 根据以上算法及查工艺手册 7，得出部分工序切削用量： 工序 4 为钻中心孔，钻削余量查表可得：rmmf/06 . 0 =，min/7mv =； 工序 5 为粗车法兰及小端外圆， mmap0 . 5=，rmmf/80 . 0 =，min/100mv =； 工序 6 为精车法兰及小端外圆， mmap0 . 5=，rmmf/80 . 0 =，min/100mv =； 工序 7 为铣平衡块两侧， mmap0 . 4=，rmmf/50 . 0 =，min/100mv =； 工序 8 为粗车第四主轴颈，mmap0 . 3=，rmmf/80 . 0 =，min/90mv = ； 工序 9 为粗磨第四主轴颈，rmmf/50 . 0 =， smv/30=； 工序 10 为车拉全部主轴颈, mmap0 . 3=，rmmf/80 . 0 =，min/300mv =； 工序 11 为铣曲轴连杆轴颈，mmap0 . 3=，rmmf/50 . 0 =，min/100mv =； 工序 12 为车平衡块外圆及倒角， 车外圆，mmap0 . 3=，rmmf/80 . 0 =，min/90mv =， 倒角，rmmf/50 . 0 =，min/90mv =； 工序 13 为钻大头端定位销孔，rmmf/80 . 0 =，min/25mv =； 工序 14 为钻直油孔，rmmf/13 . 0 =，min/20mv =； 工序 15 为钻斜油孔，rmmf/08 . 0 =，min/5 .18 mv =； 工序 18 为精磨主轴颈和连杆轴颈，rmmf/30 . 0 =，smv/30=； 工序 19 为铣键槽，zmmf/10 . 0 =，min/25mv =min/250rn =； 15 工序 20 为钻两端孔，rmmf/50 . 0 =，min/55mv =； 工序 21 为扩小端孔，rmmf/80 . 0 =，min/75mv =； 工序 22 为扩铰法兰端孔，扩孔，rmmf/80 . 0 =，min/75mv =； 铰孔，mmap25 . 0 =，rmmf/50 . 0 =，min/10mv =； 工序 23 为钻六个螺纹底孔，rmmf/10 . 0 =，min/50mv =； 工序 31 为轴颈修磨，rmmf/30 . 0 =，smv/30=； 6.2 基本时间的确定 在进行生产加工工艺制订时，要确定好时间定额。时间定额是指在一定生产条件 下，规定一件产品或完成一道工序所需消耗的时间。它是安排作业计划、进行成本核 算、确定设备数量、人员编制以及规划生产面积的重要依据。合理的制订时间定额对 保证产品质量、提高劳动生产率、降低生产成本都是十分重要的。 直接改变生产对象的尺寸、形状、相对位置、以及表面状态或材料性质的工艺过 程所消耗的时间称为基本时间。它是时间定额组成中最基本的要素。下面确定 6170 曲 轴加工工艺中各工序主要的基本时间： 粗铣两端面的基本时间：根据参考文献 2机械制造技术课程设计指导中表 1445端面铣刀铣平面时间的计算公式： mzmz j f lll f l t 21+ =（1） 式 中 ： 小 端mml150=，mmaddl e 30)31 ()(5 . 0 2 2 1 =+=，mml2 2 =， rmmf/2 . 0=， 则stj 5 . 45= 钻中心孔的基本时间：根据参考文献 2 机械制造技术课程设计指导中表1425 钻中心孔时间的计算公式得：stj 5 . 19= 粗车法兰及小端外圆的基本时间由计算公式得：法兰外圆，stj90= 小端外圆，stj120=； 精车法兰及小端外圆的基本时间由计算公式得：法兰外圆，stj100= 小端外圆，stj120=； 铣平衡块两侧的基本时间由计算公式得：stj126= 16 粗车第四主轴颈的基本时间由计算公式得：stj87= 粗磨第四主轴颈的基本时间由计算公式得：stj28= 车拉全部主轴颈基本时间为：stj90= 铣曲轴连杆轴颈的基本时间为：stj90= 车平衡块外圆及倒角的基本时间由计算公式得：外圆，stj20=；倒角，stj15= 钻定位销孔的基本时间由计算公式得：stj60= 钻直油孔的基本时间由计算公式得：stj100= 钻斜油孔的基本时间由计算公式得：stj150= 精磨主轴颈和连杆轴颈的基本时间为：stj70= 铣键槽的基本时间由计算公式得：stj40= 钻两端孔的基本时间由计算公式得：法兰端，stj63=；小头端，stj58= 扩小端孔的基本时间由计算公式得：stj 5 . 87= 扩铰法兰端孔的基本时间由计算公式得：扩孔，stj50=；铰孔，stj30= 钻六个螺纹底孔的基本时间stj80= 7 曲轴加工质量研究 曲轴是发动机的关键部件，它将发动机内活塞的往复直线运动变为旋转运动，并 将这一旋转运动传递给所需动力的部分。可以说，柴油机的全部功率是由曲轴传给发 动机的。 曲轴在整个运动和能量传递过程中受力状况复杂，是承受载荷最大的零件之一。 由于曲轴的工作环境十分恶劣，而曲轴在工作中要承受较大的冲击载荷、较大的弯矩 和扭矩等，又要经受很高的旋转速度，因此其在发动机各个部件中最难以保证加工质 量。曲轴的材质以及毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化及动平衡 等要求都十分严格。其中任何一个环节质量没有的到保证，将会严重的影响曲轴的使 用寿命和整机的可靠性。 在曲轴加工过程中，曲轴的材料、加工设备、表面强化乃至加工方法等都将影响 17 曲轴加工质量。下面对影响曲轴加工质量的一些因素进行分析并提出相应对策： 7.1 曲轴的加工方法 曲轴是结构较复杂的零件，由于其为细长轴类零件，其长径比一般都大于 10，其 轴向刚度和横向刚度相对较弱，给机械加工带来了很大困难。曲轴的加工工艺难点主 要在主轴颈和连杆轴颈外圆的加工，其各个轴颈需要保证有较高的表面精度，而且要 对表面进行热处理和表面的强化处理，才能够使加工的曲轴能够满足工作时的要求。 在曲轴加工过程中各工序的加工方式常常影响曲轴的加工精度、表面强度、使用 寿命以及企业的生产效率等。下面从机械加工工艺技术和热处理及表面处理等方面分 析影响曲轴加工质量的因素。 7.1.1 曲轴加工工艺的发展 曲轴属于细长轴类零件，其长径比往往大于 10。而其在发动机中的工作环境比较 恶劣，这就要求其加工质量要达到一定精度。采用什么样的加工工艺往往决定着曲轴 的加工质量，并且关系到企业的生产效率等方面的问题。从机械加工技术工艺方面来 看，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较好。粗加 工设备多采用多刀车床车削曲轴主轴颈及连杆轴颈。一般的精加工采用 mq8260 磨床进 行磨削，并进行抛光。能够达到所要达到的加工要求。 但从零件加工精度、制造柔性以及加工工序质量稳定性等方面考虑，上述曲轴的 加工工艺还存在着一些问题，如零件的加工精度相对较低、制造柔性差并且其加工工 序质量不太稳定。曲轴加工工艺还需要不断向前发展。 在 20 世纪 70 年代到 80 年代左右， 曲轴粗加工开始采用 cnc 车削、 cnc 外铣加工， 加工状况有所改善。 精加工仍以普通磨床磨削工艺为主。 cnc 数控技术的广泛应用给零 件的加工带来了很多方便。cnc 车削、铣削系统取代了通用机床的手工操作，具有充分 的柔性。加工零件的一致性很好，避免了通用机床加工时人为因素的影响。数控机床 系统易于调整机床，减少了调整时间，可以大大提高企业生产效率。另外还可以建立 网络连接，便于自动化生产。 随后又出现了 cnc 内铣工艺， cnc 内铣加工性能指标要高于 cnc 外铣加工， 尤其是 对于锻钢曲轴，内铣更有利于断屑。精加工工艺采用半自动曲轴磨床，头架和尾座同 步传动，加工精度有一定的提高。 随着对零件精度和生产效率的高追求，又开发出了曲轴车拉、车车拉工艺，该 工艺具有精度高、效率高等优点，特别适合于平衡块侧面不需要加工且轴颈有沉割槽 18 (包括轴向沉割槽)的曲轴，加工后曲轴可直接进行精磨，省去粗磨工序。曲轴精加工 采用数控磨床磨削工艺，使得尺寸的一致性得到改善。 20 世纪 90 年代中期又开发出 cnc 高速外铣， 它对平衡块侧面需要加工的曲轴， 比 cnc 车削、cnc 内铣、车车拉的生产效率还要高。另外，cnc 车车拉工艺加工连杆 轴颈需要二道工序，cnc 高速外铣只要一道工序就能完成，具有以下优点：切削速度高 (可高达 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。所以 cnc 高速外铣将是曲轴主 轴颈和连杆轴颈粗加工的发展方向。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。 进入 21 世纪以后，复合加工工艺已进入曲轴制造业中。复合机床应具有工序集成 功能， 多种加工集成功能。 奥地利 wfl 公司生产的卧式车铣复合加工中心(图 3 为 m40g 型)能在曲轴硬化前“一次装夹，全部加工”，加工后的曲轴可直接转入精加工工序； 曲轴精加工方面，也出现了工序集成的 cbn 数控磨床，即一次装夹磨削全部曲轴主轴 颈和连杆轴颈(摆动跟踪磨削)。 由以上演变可以看出，曲轴的加工工艺正向着高速、高效、复合化方向发展。目 前较为流行的粗加工工艺是主轴颈采用车车拉工艺和高速外铣，连杆颈采用高速随 动外铣，全部采用干式切削；精加工采用数控磨床加工，具有自动进给、自动修正砂 轮、尺寸和圆度自动补偿、自动分度和两端电子同步驱动等功能。主轴颈和连杆颈可 一次装夹全部磨削完毕。 8 7.1.2 曲轴轴颈加工工艺分析 6170 发动机（柴油机）广泛应用于汽车、工程机械、船舶以及发电机组中。随着 经济和科技的发展进步，这类型号的曲轴加工工艺需要不断改进。本次 6170 曲轴的加 工工艺路线中采用了较为先进的加工工艺，能够提高曲轴加工质量。 曲轴轴颈是曲轴的重要部位，通过轴颈连接连杆进行动力的传动。为保证传动的 精确性，曲轴的主轴颈和连杆轴颈的加工要达到工作要求的高精度。根据技术要求， 曲轴轴颈要满足： 曲轴主轴颈和连杆轴颈尺寸公差等级不低于 it6， 轴颈的圆度和轴颈 母线间的平行度不大于mm015. 0，轴颈表面粗糙度ra值为m0.24 . 0 。 曲轴外圆的粗加工和半精加工经历了车削加工、铣削加工和车拉加工几个阶段。 车削加工： 19 车削加工是曲轴轴颈外圆加工发展过程中最早出现的一种加工方法，即直接利用 车削加工曲轴的主轴颈和连杆轴颈。其加工中存在如下不足: （1）曲轴的质量理论上是以主轴颈轴线为中心对称分布的，在用车削工艺加工曲 轴连杆轴颈时，以连杆轴颈轴线为旋转中心，偏心质量将产生很大的离心惯性力，转 速越高，离心惯性力越大。周期性的离心惯性力会引起振动，振动严重时会导致扎刀 现象，从而影响加工表面质量，且工件圆周上各处切削深度不均，使得工件外圆产生 圆度误差。 （2） 车削加工曲轴时， 由于切削力和切削热的影响， 会使工件产生较大弯曲变形， 增大连杆轴颈轴线对主轴颈轴线的平行度误差。 曲轴铣削加工： 在车削加工过程中，为避免产生较大离心力，工件要以较低的速度转动，为提高 加工效率，通过提高刀刃线速度的方法即铣削加工。铣削加工生产率较高、加工质量 稳定而且使用范围广、柔性强。 曲轴车拉加工： 车拉加工是将曲轴车削加工和拉削加工结合起来的加工工艺，曲轴车拉加工具有 以下特点： （1）生产效率较高。车拉加工过程中，每个刀片切削刃仅切削工件一次，提高刀 具寿命，减少换刀时间，机床利用率高。 （2）加工精度高。曲轴车拉加工过程中，车拉加工刀盘将通过合理的随机动平衡 控制，使车拉设备在加工过程中尽可能减小设备主轴和工件系统所受到的离心惯性力 的冲击，提高加工精度。 （3）自动化水平高，工艺柔性好。车拉机床加工刀盘以及刀具的调整、清洗都有 整套专用设备，自动化程度高。 20 图 3 车拉工艺 fig 3 the turn- broaching process 以上三种加工工艺的加工精度见表 8： 表 8 曲轴三种加工工艺精度比较 tab 8 contrasts between three kinds of crankshaft process 机床厂家 参数 沈阳第一机床厂 s1-217a 曲轴车床 沈阳第一机床厂 s1-342 曲轴铣床 奥地利 gfm fkp-20 曲轴铣床 德国 heller drz400 曲轴车拉机床 直径mm/ 开挡宽度mm/ 圆度mm/ 轴向尺寸mm/ 偏心距mm/ 相位/ 10. 0 15. 0 10. 0 20. 0 15. 0 30 10. 0 10. 0 10. 0 10. 0 10. 0 15 10. 0 05. 0 08. 0 10. 0 10. 0 10 05. 0 05. 0 10. 0 05. 0 05. 0 10 通过上述比较看出，曲轴车削加工由于其生产效率低，加工质量较差以及加工不 够稳定，不适应现代工业的发展需求。而曲轴铣削虽然效率高、质量稳定、柔性好， 但其加工设备成本较高，限制了工艺的推广。曲轴车拉加工兼备了上述两种工艺的优 点，将成为曲轴外圆粗加工和半精加工的发展趋势。 21 作为关键工序的轴颈加工中，主轴颈粗加工采取车拉工艺，连杆轴颈粗加工采取 高速随动外铣工艺。精加工采取主轴颈、连杆轴颈一次性装夹，通过数控曲轴磨床完 成。 曲轴车拉加工是将曲轴车削加工和拉削加工结合起来的加工工艺，可在一次装夹 中完成轴颈、圆角和辐板侧面的加工。加工精度高，可以省去车削、粗磨轴颈等工序。 在工件加工时，除了工件做旋转运动以外，刀具也做进给运动，以实现车拉切削加工。 车拉工艺生产效率高、自动化程度高并且具有良好的加工柔性。 相对传统的粗车-精车-粗磨-精磨主轴颈的曲轴加工工艺路线加工精度较低、柔性 很差、工序质量稳定性低，且容易产生较大的内部应力，难以达到合理的加工余量。 在粗加工后一般需要进行去应力回火处理，释放应力。 下表列出两种加工工艺的对比情况： 表 9 车拉工艺与传统工艺对比 tab 9 contrasts of the turn- broaching process and the tradition process 工序 单面加工余量 车拉一次完成，一次装夹 铸件毛坯尺寸 粗车-精车-粗磨 加工时间定额 约s90 20. 0 15. 0 约ss240180 05. 0 05. 0 加工精度 轴向尺寸mm/ 偏心距mm/ 本设计中，曲轴轴颈加工采用车拉工艺已使加工质量有所提高。 曲轴连杆轴颈由于偏心布置，在传统的多刀车床车削曲轴连杆轴颈中，加工零件 的一致性很好，避免了通用机床加工时人为因素的影响。数控机床系统易于调整机床， 减少了调整时间，可以大大提高企业生产效率。 在实习中， 我们观察到某种型号的曲轴连杆轴颈就利用了数控铣削工艺。 采用 cnc 内铣工艺加工曲轴的连杆轴颈。提高了加工精度，也提高了企业生产率。在本设计中 就采用了 cn