汽车发动机曲轴加工工艺与夹具设计毕业设计(论文).docx

汽车发动机曲轴加工工艺与夹具设计 本科毕业设计（论文）题目：汽车发动机曲轴加工工艺与夹具设计学 院： 机电与车辆工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化学 生 姓 名： 黄兴生 学 号： 631324110125 指 导 教 师： 王正伦 评 阅 教 师： 尹力 完 成 时 间： 2017年6月8日 重庆交通大学CHONGQING JIAOTONG UNIVERSITYII本科毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明：所提交的毕业设计（论文），是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文研究做出过重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名（亲笔）： 年 月 日-本科毕业设计（论文）版权使用授权书本毕业设计（论文）作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，本科生在校攻读期间毕业设计（论文）工作的知识产权单位属重庆交通大学，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权重庆交通大学可以将毕业设计（论文）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编毕业设计（论文）。作者签名（亲笔）： 年 月 日导师签名（亲笔）： 年 月 日摘 要内燃机的五大核心零部件有：缸体、缸盖、曲轴、连杆、凸轮轴，曲轴是其中之一，它被形象的称之为“内燃机的心脏”。曲轴是一种异形轴，内燃机工作时，连杆和曲轴相互配合，将作用在活塞上的气体压力转化为旋转的扭矩，然后传送给底盘的一种传动机构，最后驱动汽车前行，同时还会驱动其它辅助装置，如配气机构、发电机、水泵、风扇等。曲轴在工作时承受着不断变化的压力、惯性力和它们的力矩的作用，因此曲轴被要求同时具有高强度、高刚度和高耐磨性，轴颈表面加工的尺寸需要十分精确，且工作时润滑良好。柴油发动机曲轴大批量生产时的加工工艺以及加工时的夹具设计和装配是本设计的主要设计内容：曲轴的工艺分析；选择毛胚及其制造方法，并且确定加工余量和切削用量；确定铣曲轴定位面时所用的夹具；完成发动机曲轴的零件设计，分析其加工工艺规程；完成发动机曲轴的关键工艺夹具设计，并完成装配图，及关键零件的零件图的绘制。本设计是对我们所学的专业知识的考验和巩固，以及一些学习当中没有接触但工作中会有所运用的知识的了解和学习。本次设计我查阅了很多书籍和行业资料并有所解了，知道了行业的发展进程和部分先进制造技术，扩展了我的专业知识，拓展了自己的视野，为将来的学习和生活都有比较重要的影响。关键词：曲轴；加工工艺；设计；夹具Machining Process and Fixture Design of Automotive Engine CrankshaftAbstract The five core components of the internal combustion engine are: cylinder body, cylinder head, crankshaft, connecting rod, camshaft, crankshaft is one of them, it is called the heart of internal combustion engine. The crankshaft is an irregular shaft. When the internal combustion engine works, the connecting rod and the crankshaft combine the gas pressure on the piston into the rotating torque, and then transmit to the chassis a transmission mechanism, finally drive the car forward, but also drive other auxiliary devices, such as gas distribution agencies, generators, pumps, fans and so on.The crankshaft is subjected to constant pressure, inertia force and torque in its work, so the crankshaft is required to have high strength, high stiffness and high abrasion resistance, and the dimensions of the axial neck surface machining need very precise, and good lubrication at work.The machining process and fixture design and assembling of the diesel engine crankshaft mass production are the main design contents of this design: the process analysis of crankshaft; Select wool embryo and its manufacturing method, and to determine the machining allowance and cutting dosage; The fixture for determining the positioning surface of the milling crankshaft; complete the design of engine crankshaft parts, analyze its machining procedures; Complete the key process fixture design of engine crankshaft, and complete assembly drawings and drawing of parts drawings of key parts. This design is the professional knowledge we learn the test and consolidation of descriptive geometry and engineering drawings, mechanical manufacturing equipment design, etc., as well as some learning without touching but working in the knowledge. This design I have consulted a lot of books and industry information and have some solutions, know the industry development process and some advanced manufacturing technology, expand my professional knowledge, expand their horizons, for the future study and life has a relatively important impact.Key Words：Crankshaft; machining process; design; fixtureIII目 录摘 要IIAbstractIII1 绪论11.1 设计的主要内容11.2 国内外研究现状12 零件分析42.1 零件的作用42.2 曲轴零件分析43 工艺规程设计53.1 确定毛坯的材料和制造形式53.2 机床的选择53.3 基准的选择63.3.1 精基准的选择63.3.2 粗基准的选择63.4 制定工艺路线73.4.1 加工方法的选择73.4.2 确定加工顺序103.4.3 划分加工工序113.5 主要工序的机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定113.5.1 确定加工余量113.5.2 确定工序尺寸、公差及表面粗糙度和毛坯基本尺寸的确定123.6 确定主要工序的切削用量144 专用夹具设计194.1 设计主旨194.2 需要解决的主要问题194.2.1 形状复杂194.2.2 刚性差194.3 确定夹具方案194.3.1 选择定位基准，并确定工件的定位方式及定位元件的结构194.3.2 确定工件的夹紧方式，选择合适的夹紧机构194.3.3 确定夹具与机床间的正确位置204.3.4 夹具零件图的设计与绘制204.4 夹紧力的计算234.4.1 切削力的计算234.4.2 工件正确夹紧所需夹紧力的计算244.4.3 螺钉夹紧力244.5 夹具的定位精度分析244.5.1 确定的定位方案244.5.2 误差分析与计算27设计总结29致 谢30参考文献31附录A 工序卡片32V重庆交通大学17届制机械设计制造及自动化业毕业设计（论文）1 绪论1.1 设计的主要内容本设计主要是根据目标曲轴的加工技术要求，设计其机械工艺规程，然后拟定夹具设计方案，完成夹具设计。绘制产品零件图；对零件进行结构分析及工艺分析；确定毛坯种类及制造方法；拟定零件机械加工工艺过程；选择各工序的加工设备；确定各工序的加工余量与工序尺寸；计算各工序的切削用量与工时定额；填写机械加工工艺过程卡片、机械加工工序卡片等工艺卡片；设计指定的专用夹具，绘制装配总图和主要零件图是本次设计的主要工作。因为该曲轴需要大规模生产，所以，为了提高生产效率，并同时保证其加工精度。因此，制定工艺路线时应该首先确定并加工出基准，再用精基准定位加工其它工序，先加工主要部位，先粗加工后精加工的，先加工表面后加工孔的工艺设计原则。夹具设计选择的是曲轴连杆轴颈的车、磨工序，定位时选择两个V形块定位，夹紧时用压板压紧，夹具上确定好合适的偏心距，并设计分度盘以加工不同曲轴连杆轴颈。1.2 国内外研究现状上海交通大学褚守云1对曲轴加工工艺现状和发展趋势进行了比较详尽的阐述，结合16V280曲轴现有加工工艺及存在加工质量问题进行了较详细的分析。通过对滚压工艺在难以加工材料中的应用研究，得到了一组适宜42CrMoA调质钢的滚压工艺参数，并通过改进通、盲孔的加工工艺，将滚压工艺成功应用到曲轴斜油孔、法兰孔的加工。成功开发了三组件圆锥过盈联结结构的互换性工艺，在国内同类企业中具有一定的先进性和独创性。通过合理编排工艺，运用统筹的理念，利用普通机床，解决了曲轴平衡块组装偏斜的难题，与同类企业的工艺相比更先进。通过对难以加工材料的高速切削机理研究，利用陶瓷刀具，在中型机床上，实现了对氮化后的 16V280曲轴两端的高速车削，实现了“以车代磨”。天津大学机械工程学院张洪波2以CY4102 型柴油机曲轴为例，通过对该曲轴设计尺寸与经验公式比较，分析其设计合理性；着重分析了目前常用的曲轴强化手段和朝柴的曲轴氮化工艺，通过对各种强化手段的比较，提出不同曲轴应采用不同的强化手段；并经过对朝柴现行曲轴加工工艺的介绍，与世界先进加工工艺作比较，对朝柴现行曲轴工艺提出改进方向。吉林大学张纪3研究和开发了在广西玉柴机器股份有限公司生产的YC6108ZQ上首先试用的一种高强度和高韧性的球墨铸铁曲轴材质正火球墨铸铁QT800-6。该材质曲轴经轴颈淬火和圆角滚压强化工艺处理后，综合性能远远超过传统的球墨铸铁曲轴，达到了非调质锻钢的水平，在增压柴油机上得到了大量的应用，并且效果良好。山东大学王剑4研究表明从最近几年的汽车销量增长速度来看我国的汽车市场潜为绝对是非常巨大的，特别是乘用车市场在不断的扩大。并且对汽车各零部件的要求也越来越高，尤其是对于发动机中的5C件，精度要求高、质量要求稳定、成本要求低、交付要求及时，这是供应商面临的一个非常严峻的形势。所以通过运用精益工具，以建立单件流为目标，运用生产线平衡工具，节拍时间的确定，工艺流程的优化，消除瓶颈工序，采用单元式生产线的排布模式提高效率。武汉理工大学邹蕾5觉得曲轴复合车削试验装置是针对曲轴加工高精度，加工工艺高柔性以及经济性等新工艺要求而研发设计的曲轴加工车床，其通过平行四边形刀架系统以及相关内联传动实现了刀架连杆对曲轴连杆颈外圆的随动切削，可“一次定位、完全加工”曲轴外圆粗、半精加工所有工艺内容,工艺效率高同时作为曲轴加工的一套完整工艺装备，试验装置本身的几何精度及其相关部件的静、动态性能是影响该工艺装备精度的重要因素，其研究主要结合该试验装置的功能原理、结构特点等分析影响曲轴加工精度的主要因素，并提出相关改善和提高的方法。曲轴作为内燃机的一个重要零部件，国内、外对其研究开发都很重视2。欧美汽车工业发达的国家，经过多年的积累，对曲轴的结构已经有了可套用的经验公式，一般经过计算机三维设计，再通过计算机模型模拟测试系统对曲轴的各项强度指标进行分析，使曲轴在初期达到完美的设计。在加工工艺方面，国外大多采用了先进的数控设备为主，精度好，效率较高。自20世纪7080年代以来世界各国相继研制出了曲轴的CNC车削、CNC外铣、CNC内铣、曲轴车车拉等先进的加工工艺方法及加工设备6。这些加工方法不同程度的提高了曲轴粗加工的质量，并各自有不同的适用范围。如，CNC车削和CNC外铣加工都采用了数控技术，可提高曲轴的加工精度，CNC外铣还采用了多刀盘同时加工，可大大提高加工效率，这两种机床的造价较低，适用于经济型曲轴的加工。CNC内铣采用双刀盘分别加工主轴颈和连杆颈，加工精度和加工效率又有很大提高，加工质量稳定，且具有良好的柔性，对于锻钢曲轴，内铣还有利于断屑，刚性特别好，因此特别适用于大功率锻钢曲轴，内铣加工机床。曲轴车车拉工艺可在一次设定中完成所有同心圆的车削，通过特殊卡盘和刀具系统实现柔性加工，特别适用于曲柄臂侧面不需要加工，轴颈有沉割槽的曲轴。目前,世界上生产数控曲轴铣床的代表厂家有德国BOEHRINGER公司、HELLER公司、奥地利GFM公司、日本小松制作所等7 ，其中德国州BOEHRINGER公司的曲轴柔性数控铣床VDF315OM-4，可以一次装夹不改变曲轴回转中心，工件旋转铣刀进给伺服随动跟随铣削曲轴连杆颈。可加工长度450-700mm、回转直径在380mm以内的各种曲轴,具有加工精度高、切削效率高等特点，连杆颈的直径误差为0.02mm。在“一台机床称为一个小工厂”的复合方向发展的道路上，奥地利公司生产的卧式车铣复合加工中心堪称典范，以M40G为例，它将双主轴车削、五轴加工、深孔钻、铣、铿及三坐标功能集于一身，可对曲轴进行完全加工，然后直接进入精加工，大大提高了加工效率。在全球市场上，欧美汽车工业发达的国家，经过多年的积累，对曲轴的结构已经有了可套用的经验公式，一般经过计算机三维设计，再通过计算机模型模拟测试系统对曲轴的各项强度指标进行分析，使曲轴在初期达到完美的设计。在加工工艺方面，国外大多采用了先进的数控设备为主，精度好，效率较高。曲轴生产与开发能力较强的企业主要有：德国蒂森克虏伯、日本住友、印度巴勒特等少数几家巨头，给全球各大汽车制造商的发动机供应商进行配套，它们凭借领先的综合研发和制造实力占据了国际曲轴市场的大部分市场份额。虽然目前国内曲轴厂家较多，但整体规模小、设备较为陈旧、产品质量、技术水平差别较大，差距较为明显，甚至还满足不了我国内燃机工业技术发展要求。近年来，国内汽车发动机曲轴专业生产厂家主要通过引进技术消化吸收再自行研发，总体水平有了很大的提升。372 零件分析2.1 零件的作用曲轴、凸轮轴、曲轴连杆、缸盖、缸体是内燃机的五大核心部件，曲轴是内燃机中最重要的部分。曲轴是一种异形轴，如图2.1，曲轴工作时做旋转运动，曲轴连杆轴颈与连杆之间相互配合，将作用在活塞上的气体压力通过活塞推动连杆带动曲轴连杆轴颈转化为曲轴旋转的扭矩输出给汽车。2.2 曲轴零件分析主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡块等共同组成一个曲轴。一个曲轴有一个或多个曲拐。一个直列式发动机有多少个气缸就有多少个曲拐，而一个V型发动机气缸数的二分之一就等于其曲拐数。曲轴的主轴颈主要起支撑作用。气缸的排列方式和气缸的个数决定了曲轴的形状和曲拐的相对位置。本次设计主要是针对直列式两缸发动机的曲轴加工工艺及其夹具的设计。曲轴有较为复杂的结构，同时要求有较高的尺寸精度，形位精度和表面质量。主要的加工表面有主轴颈、连杆轴颈和曲轴端面，技术要求和尺寸要求由如图2.2图纸的中给出。图2.1 发动机曲轴零件三维图3 工艺规程设计3.1 确定毛坯的材料和制造形式曲轴的形状以轴类为主，毛坯形状较为复杂，因此制作曲轴所需的材料需要具备良好的刚性和冲击韧性。因为35CrMo的静力强度较好，冲击韧性和抗疲劳强度较高，在温度达到500的时候，仍然可以长期工作，所以选择35CrMo较为适合。由于35CrMo焊接性比较差，温度低时塑性也较差，所以在生产曲轴的时候用锻造进行加工，又因为生产纲领是大批量生产，所以采用模锻加工。3.2 机床的选择由图纸中可知，零件的长度L=918mm，加工连杆轴颈时加上夹具后总长度L=1060mm，回转直径也达到了360以上，所以对机床也有一定的行程要求。这里车削加工时选用马鞍山万马机床公司的CK61401500，如图3.1，其最大车削直径为400mm，最大工件长度为1500mm，达到零件加工要求；磨削加工时选用无锡烨林机床公司的MW1350B1500，如图3.2，其最大磨削直径为500mm，最大磨削长度达到1500mm，符合零件加工要求。图3.1 马鞍山万马机床CK61401500图3.2 无锡烨林机床MW1350B15003.3 基准的选择拟定加工路线的第一步是选择定位基准，零件的加工过程当中,零件质量的好坏直接由定位基准选择的好坏所决定。基准选择不当，往往会增加工序，或使工艺线路不合理，或使夹具设计困难，甚至达不到零件的加工精度要求，所以我们可以说如何选择定位基准是一个很重要的工艺设计步骤。在实际的加工过程当中，我们应该先加工出粗基准，在进行后续加工。但是在设计的阶段，为了保证零件加工后的尺寸精度，我们应该先确定精基准，再确定粗基准。3.3.1 精基准的选择选择精基准时，应该重点考虑如何减少工件加工时的定位误差。在能保证加工精度的同时，还要考虑到工件装夹时也能比较方便，夹具结构设计得也应尽量简单。选择定位基准时有以下几个原则：基准重合原则、基准统一原则、互为基准原则、自为基准原则、便于装夹原则。3.3.2 粗基准的选择选定粗基准时，应该保证加工余量能均匀分配，并能确保加工表面和非加工表面的位置关系。粗基准的选择有以下几个原则：保证相互位置原则、余量均匀分配原则、便于工件装夹原则、粗基准在一个方向上只能使用一次原则。曲轴的形状是轴类，所以应该用主轴颈的外圆来作为粗基准进行定位加工，然后再用已加工过的主轴颈定位加工曲轴连杆等。3.4 制定工艺路线制定工艺路线是工艺规程设计的关键步骤，工艺路线的优劣，对零件的加工质量、生产率、生产成本以及人工劳动强度都有很大的影响。在正确的选择了定位基准之后，制定工艺路线只要解决的问题就是选择加工方法，确定加工顺序，划分加工工序。 3.4.1 加工方法的选择首先要选择零件的加工方法，需要考虑加工的经济精度。由于各个加工方法所能达到的加工精度和表面粗糙度都有一定的范围。统计资料表明，任何一种加工方法加工误差与加工成本之间的关系都大体上和图3.111符合。在图中，AB段为较合适的加工经济精度。但随着机械制造技术水平的不断提高，各种加工方法的加工经济精度也是在不断地提高，所以也要结合实际的加工水平决定加工方法。图3.1 加工误差与加工成本的关系在分析零件图纸后，选择各表面的加工方法时一般先考虑零件上精度要求最高的表面的加工方法，该表面的终加工方法应该符合：加工表面的精度和表面粗糙度要求；零件的材料热和处理要求；零件的生产类型；现有的技术水、平生产条件等。结合图纸要求和表3.111、表3.211、表3.3 11，加工主轴颈、连杆轴颈等外圆表面时，大致选择以下加工方法。表3.1 曲轴大致加工方法加工位置加工方法定位面粗车，半精车，精车主轴颈粗车，半精车，粗磨，半精磨连杆轴颈粗车，半精车，粗磨法兰盘粗车，半精车，粗磨曲轴端面粗车，半精车，钻，扩，铰表3.2 外圆加工中各种方法的加工经济精度及表面粗糙度加工方法加工情况加工经济精度表面粗糙度Ra/m车粗车半精车精车镜面车12-1310-117-85-610-802.5-101.25-50.02-1.25 铣粗铣半精铣精铣12-1311-128-910-802.5-101.25-5车槽一次行程二次行程11-1210-1110-202.5-10外磨粗磨半精磨精磨精密磨8-97-86-75-61.25-100.63-2.50.16-1.250.08-0.32超精加工精精密550.08-0.320.01-0.16砂带磨精磨精密磨5-650.02-0.160.01-0.04表3.3 孔加工方法的加工经济精度及表面粗糙度加工方法加工情况加工经济精度表面粗糙度Ra/m钻15以下15以上11-1310-125-8020-80扩粗扩精扩12-139-115-201.25-10铰半径铰精铰手铰8-96-751.25-100.32-50.08-1.25拉粗拉精拉9-107-91.25-50.16-0.63推半精推精推6-860.32-1.250.08-0.32镗粗镗半精镗精镗金刚镗12-1310-117-95-75-202.5-100.63-50.16-1.25内磨粗磨半精磨精磨精密磨9-119-107-86-71.25-100.32-1.250.08-0.630.04-0.16珩磨粗珩精珩5-650.16-1.250.04-0.32表3.4 平面加工中各种加工方法的加工经济精度及表面粗糙度加工方法加工情况加工经济精度表面粗糙度Ra/m周铣粗铣半精铣精铣11-138-116-85-202.5-100.63-5端铣粗铣半精铣精铣11-138-116-85-202.5-100.63-5车半精车精车细车8-116-862.5-101.25-50.02-1.25刨粗刨半精刨精刨宽刀精刨11-138-116-865-202.5-100.63-50.16-1.25平磨粗磨半精磨精磨精密磨8-108-96-861.25-100.63-2.50.16-1.250.04-0.32砂带磨精磨精密磨5-650.04-0.320.01-0.043.4.2 确定加工顺序零件上的加工表面都应该安排一个合适的加工顺序，这样才有利于保证零件质量并且提高生产率，一般有以下几个原则：先加工基准面再加工其他表面；先粗加工，后精加工；先安排加工重要表面再加工次要表面；先加工零件表面再加工孔；改善材料切削性能的热处理（正火、退火等）应该安排在切削加工之前；消除内应力的热处理（退火、人工时效等）应该安排在粗加工和精加工之间；改善材料物理性质的热处理（调制、淬火等）应该安排在粗加工和精加工之间；提高零件耐磨性或耐腐蚀性的热处理以及装饰性处理（电镀、氧化、发黑等）一般放在工艺过程的最后；辅助工序（检验、去毛刺、清洗、平衡、去磁等）一般放在重要工序或不同加工工段前后。3.4.3 划分加工工序表3.5 加工工序序号工序名称定位基准1粗车曲轴前端面第三主轴颈2钻两端中心孔按划线3粗车一、三主轴颈一、三主轴颈、中心孔4半精车一、三主轴颈一、三主轴颈、中心孔5粗车第二主轴颈第三主轴颈、中心孔6半精车第二主轴颈第三主轴颈、中心孔7半精磨一、三主轴颈中心孔8精磨一、三主轴颈中心孔9半精磨第二主轴颈中心孔10精磨第二主轴颈中心孔11粗车一、二连杆轴颈一、三主轴颈12半精车一、二连杆轴颈一、三主轴颈13粗磨一、二连杆轴颈一、三主轴颈14半精磨一、二连杆轴颈一、三主轴颈15钻两个8斜油孔16粗车曲轴前端外圆第三主轴颈、中心孔17半精车曲轴前端外圆及端面第三主轴颈18粗车曲轴后端外圆及端面第一、二主轴颈19半精车曲轴后端外圆及端面第一、二主轴颈20钻、铰曲轴后端六个螺栓孔按划线21扩、铰曲轴后端中心孔4022电热淬火23在曲轴前端铣键槽24攻六个螺纹M203.5 主要工序的机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定1233.13.23.33.43.53.5.1 确定加工余量加工余量分为加工总余量和加工工序余量：加工总余量即毛坯余量，是指毛坯尺寸与零件尺寸之间的差，也就是某加工表面上应该切除的材料厚度。加工工序余量是指相邻两道工序的尺寸之差，也就是某道工序所切除的材料厚度。显然，加工总余量等于各加工工序余量之和。Zs=i=1nZi （3.1）其中，Zs为某加工表面总余量，n为该表面机械加工总工序数，Zi为该表面第i 道工序的加工余量。确定加工余量的方法有三种方法，分别是：分析计算法、查表法和经验法。这里我们主要运用的是查表法。 3.5.2 确定工序尺寸、公差及表面粗糙度和毛坯基本尺寸的确定工序尺寸及公差的确定有两种情况：一种是工序尺寸及其公差与零件上某设计尺寸或其他工序尺寸相关，需要通过解算尺寸链来确定。另一种是工序尺寸及其公差仅与工序余量有关，如加工过程中不存在基准转换的情况，则可以用如下方法确定各工序尺寸和公差：1. 确定该加工表面的总余量，再根据加工路线确定各工序的基本余量，并核对第一道加工余量是否合理。2. 从设计尺寸到第一道工序，逐次加上或减去各工序的基本余量，便可得到各工序的基本工序尺寸。3. 除终加工工序外，根据各工序的加工方法及其经济精度，确定工序公差和表面粗糙度。表3.6 主轴颈各工序尺寸，公差及表面粗糙度工序名称工序余量mm经济精度基本工序尺寸mm工序尺寸mm粗糙度Ra/m毛坯1221222粗车912-1311311310-80半精车2.210-11110.8110.82.5-10半精磨0.47-8110.4110.41.25-10精磨0.46-71101100.030.63-2.5表3.7 连杆轴颈各工序尺寸，公差及表面粗糙度工序名称工序余量mm经济精度基本工序尺寸mm工序尺寸mm粗糙度Ra/m毛坯92922粗车9.212-1382.882.810-80半精车2.210-1180.680.62.5-10粗磨0.48-980.280.21.25-10半精磨0.27-88080-0.01800.63-2.5表3.8 曲轴前端外圆各工序尺寸，公差及表面粗糙度工序名称工序余量mm经济精度基本工序尺寸mm工序尺寸mm粗糙度Ra/m毛坯84842粗车912-13757510-80半精车2.210-1172.872.82.5-10半精磨0.47-872.472.41.25-10精磨0.46-77272-0.02+0.350.63-2.5表3.9 曲轴后端外圆各工序尺寸，公差及表面粗糙度工序名称工序余量mm经济精度基本工序尺寸mm工序尺寸mm粗糙度Ra/m毛坯1521522粗车9.112-13142.9142.910-80半精车2.410-11140.5140.52.5-10半精磨0.57-81401401.25-10从而确定毛坯基本尺寸如图3.2。图3.2 零件毛坯尺寸图3.6 确定主要工序的切削用量n=1000v/d （3.2）查文献14，由公式(3.2)推倒得出：v=nd/1000 （3.3）查文献14，带入公式（3.2）、（3.3）计算出主轴转速和切削速度表3.10 工序3的切削用量工步刀具选择被吃刀量mm进给量mm/r初选切削速度m/min计算主轴转速r/min选定主轴转速r/min计算切削速度m/min粗车第一主轴颈90硬质合金外圆车刀2.20.76534535065.94粗车第三主轴颈90硬质合金外圆车刀2.20.76534535065.94表3.11 工序4的切削用量工步刀具选择被吃刀量mm进给量mm/r初选切削速度m/min计算主轴转速r/min选定主轴转速r/min计算切削速度m/min半精车第一主轴颈90硬质合金外圆车刀1.10.58042445080.07半精车第三主轴颈90硬质合金外圆车刀1.10.58042445080.07表3.12 工序5的切削用量工步刀具选择被吃刀量mm进给量mm/r初选切削速度m/min计算主轴转速r/min选定主轴转速r/min计算切削速度m/min粗车第二主轴颈90硬质合金外圆车刀2.20.76534535065.94表3.13 工序6的切削用量工步刀具选择被吃刀量mm进给量mm/r初选切削速度m/min计算主轴转速r/min选定主轴转速r/min计算切削速度m/min半精车第二主轴颈90硬质合金外圆车刀1.10.58042445080.07表3.14 工序7的切削用量工步刀具选择被吃刀量mm进给量mm/r初选切削速度m/min计算主轴转速r/min选定主轴转速r/min计算切削速度m/min半精磨第一主轴颈砂轮0.40.055014416055.29半精磨第三主轴颈砂轮0.40.055014416055.29表3.15 工序8的切削用量工步刀具选择被吃刀量mm进给量mm/r初选切削速度m/min计算主轴转速r/min选定主轴转速r/min计算切削速度m/min精磨第一主轴颈砂轮0.20.036518820069.11精磨第三主轴颈砂轮0.20.036518820069.11表3.16 工序9的切削用量工步刀具选择被吃刀量mm进给量mm/r初选切削速度m/min计算主轴转速r/min选定主轴转速r/min计算切削速度m/min半精磨第一主轴颈砂轮0.40.055014416055.29表3.17 工序10的切削用量工步刀具选择被吃刀量mm进给量mm/r初选切削速度m/min计算主轴转速r/min选定主轴转速r/min计算切削速度m/min精磨第一主轴颈砂轮0.20.036518820069.11表3.18 工序11的切削用量工步刀具选择被吃刀量mm进给量mm/r初选切削速度m/min计算主轴转速r/min选定主轴转速r/min计算切削速度m/min粗车第一连杆轴颈90硬质合金外圆车刀2.20.76534535065.94粗车第二连杆轴颈90硬质合金外圆车刀2.20.76534535065.94表3.19 工序12的切削用量工步刀具选择被吃刀量mm进给量mm/r初选切削速度m/min计算主轴转速r/min选定主轴转速r/min计算切削速度m/min半精车第一连杆轴颈90硬质合金外圆车刀1.10.58042445080.07半精车第一连杆轴颈90硬质合金外圆车刀1.10.58042445080.07表3.20 工序13的切削用量工步刀具选择被吃刀量mm进给量mm/r初选切削速度m/min计算主轴转速r/min选定主轴转速r/min计算切削速度m/min粗磨第一连杆轴颈砂轮0.60.074011512543.20粗磨第二连杆轴颈砂轮0.60.074011512543.20表3.21 工序14的切削用量工步刀具选择被吃刀量mm进给量mm/r初选切削速度m/min计算主轴转速r/min选定主轴转速r/min计算切削速度m/min半精磨第一连杆轴颈砂轮0.40.055014416055.29半精磨第二连杆轴颈砂轮0.40.055014416055.29根据计算结果后，填写如图3.3的工艺卡片图3.3 工序3工序卡片4 专用夹具设计由于曲轴是异形轴，加工曲轴连杆轴颈部位时不能直接在机床上进行加工，所以我设计加工曲轴连杆轴颈的工序（工序11、12、13、14）所用的专用夹具。4.1 设计主旨粗车第一、二连杆轴颈，精车第一、二连杆轴颈，粗磨第一、二连杆轴颈以及半精磨第一、二连杆轴颈的时候，由于连杆轴颈有一定的偏心距，所以需要设计专门的专用夹具对零件进行装夹。4.2 需要解决的主要问题曲轴加工时的顺序有一定的规律，形状复杂、刚性差、技术要求较高等是曲轴其特有的工艺特点。4.2.1 形状复杂由于曲轴的工作原理较为特殊，使得曲轴的连杆轴颈和主轴颈不在同一轴线上，有一定的偏心距，连杆轴颈和主轴颈的位置要求也较高，且轴间部位还设有平衡块，它们一起决定了曲轴的复杂形状，从而需要设计专门的偏心夹具。4.2.2 刚性差轴类零件本身长径比较大，同时曲轴零件有多个曲拐，所以其刚性较普通轴类零件更差。4.3 确定夹具方案12344.14.24.34.3.1 选择定位基准，并确定工件的定位方式及定位元件的结构由零件图纸可以看出，连杆轴颈的设计轴向尺寸基准位于第三主轴颈的左端面，轴类零件的径向定位一般选用V形块，为了方便工人的装卸，设计活动的夹具压板和六角螺钉来对零件进行夹紧。4.3.2 确定工件的夹紧方式，选择合适的夹紧机构按照夹具设计的基本原则，我选用两个V形块分别放在第一主轴颈和第三主轴颈位置来限制零件z方向上的运动和转动以及y方向上的转动，然后通过夹具压板进行夹紧，如图4.1。图4.1 夹具定位简图4.3.3 确定夹具与机床间的正确位置本夹具靠左夹具体的孔内壁与三抓卡盘和右夹具体的锥孔壁与机床尾座进行连接，因此两夹具体的内孔和锥孔有一定的位置、精度要求。4.3.4 夹具零件图的设计与绘制图4.2 左夹具三维图图4.3 右夹具三维图图4.4 分度盘三维图图4.5 夹具压板三维图图4.6 夹紧螺杆三维图图4.7 夹紧螺杆三维图4.4 夹紧力的计算4.4.1 切削力的计算由于第三章中加工连杆轴颈时选用的车刀是90硬质合金外圆车刀，只有径向切削力对零件的夹紧有影响，所以由公式Fp=2383ap0.9f0.6Vc-0.3Kp （4.1）查文献13,取被吃刀量ap=2.5mm，进给量 f=0.7mm/r，切削速度Vc=65.9m/s,修正系数Kp=0.3，计算得出径向切削分力Fp=379.3N。由于径向切削力F=KFp （4.2）M=LFp （4.3）查文献13,取K=4.6,L=25mm，计算的出径向切削力F=1744.78N，切削扭矩M=9482Nmm4.4.2 工件正确夹紧所需夹紧力的计算由公式Q1=KMsin2f1Rsin2+f2R （4.4）查文献14,工件与压板间在圆周方向的摩擦系数f1=0.16，工件与V形块间在圆周方向的摩擦系数f2=0.7，计算的出Q1=1560.6N4.4.3 螺钉夹紧力12344.14.24.34.4夹紧螺杆为M12，夹紧扳手长L=200mm，夹紧力Q=915N，由于夹紧时利用了压板的杠杆原理，所以Q=2Q0=1830NQ1,所以此夹具能安全夹紧零件进行加工。4.5 夹具的定位精度分析4.54.5.1 确定的定位方案本夹具设计如图4.7，分为曲轴的左右两端两个主要部分，分别在第一主轴颈和第三主轴颈处进行定位和夹紧；夹具压板对杠杆原理的运用，使只用M12的夹紧螺杆也能够提供足够的夹紧力；夹具压板、夹紧螺杆和夹具体之间的巧妙设计、配合，使工人只需松开夹紧螺杆上的六角螺母就可以打开夹具压板取下工件，节约了工人在装卸工件时的辅助时间；夹具设有曲轴固定的偏心距L=80mm，在左夹具部分设有一个分度盘，方便加工第一、二连杆轴颈时的切换装夹。本夹具还有一定的通用性，只需要更换夹具中的标准件V形块和调整垫块就可以装夹不同主轴颈尺寸或不同偏心距的曲轴。图4.7 夹具零件装配三维图如图4.8、图4.9、图4.10，先对零件进行网格划分，通过对夹具体的应力分析，发现在夹具体圆盘和支撑座连接部位有最大应力为6.31105Nm2，夹具整体变形位移量最大值为8.5610-5mm，可以忽略不计。图4.8 夹具应力分析网格划分图图4.9 夹具应力分析云图图4.10 夹具应力分析位移图我们知道零件加工中定位误差主要由两个因素引起，一个是定位基准与加工工序基准的不重合；另一个就是定位基准的偏移。所以定位误差z=1+2 （4.5）查文献14，只要保证夹具体的轴线和标准件V形块的定位线之间的平行度公差，就能保证连杆轴颈的圆柱度和连杆轴颈与主轴颈轴线的平行度，这里取夹具体与V形块之间的平行度公差为0.01。4.5.2 误差分析与计算由于V形块是本夹具的主要定位元件，对零件进行径向定位，不需要轴向定位，所以轴向定位误差z=0。零件的径向定位是靠主轴颈外圆和V形块的A、B两个面的接触来定位的，加工连杆轴颈外圆时的工序基准是主轴颈的中心线。因为主轴颈外圆的加工本身存在着一定的直径误差，分别表现在A、B两个面的定位上，所以径向定位误差j=2cot2cos2 （4.6）查文献14,已知加工主轴颈时的直径误差=0.03mm，=90，所以径向定位误差1233.13.23.33.43.5j=0.011mm，图纸中连杆轴颈的直径误差为0.018mm，所以此夹具方案是可以正确对零件进行定位的。设计总结在本次汽车发动机曲轴加工工艺与夹具设计的过程当中，我通过自己所学的知识和查阅的资料完成了毕业设计的要求。在王老师的指导下，我独