DA468型发动机曲轴加工工艺与专用机床夹具设计

黑龙江工程学院本科生毕业设计1摘 要本设计主要围绕发动机曲轴的工艺规程和专用夹具设计进行研究，其内容包括了解曲轴结构，确定曲轴的生产类型及相关的技术要求。在此基础上，选择毛坯，确定毛坯的尺寸公差和机械加工余量，绘制毛坯图。并在认真详细分析零件图后，进行基准的选择，制定了表面加工方法，划分加工阶段，根据生产类型确定工序的集中和分散，合理地安排工序，编排合适的工艺路线；进行详细计算，包括：加工余量、工序尺寸和公差的确定、切削用量的计算及时间定额的计算。从而制定出一套合理的机械加工工艺卡片和机械加工工序卡片。第二部分主要围绕专用钻床类夹具进行设计。首先明确夹具设计的主要任务，通过确定定位元件，导向装置，夹紧机构得出夹具的结构方案，查阅相关国家标准，绘画夹具装配图。总之，曲轴加工工艺的安排以及专用夹具的设计是一项非常复杂的高难度工作，它是一种需大批量生产的零件，且技术要求比较高，为了确保产品的质量和水平，设计工作按照科学的程序进行，分清主次。关键词：曲轴；加工工艺；定位；夹紧；钻孔；夹具设计黑龙江工程学院本科生毕业设计2of of of On of A of of of to of a as of of a of of of on by a to by to of of a It is in In to in of 摘要.第1章绪论.设计的意义和目的.研究方向及发展趋势.设计的主要内容.分析曲轴零件图.曲轴毛坯的选择. . 坯尺寸和公差.本章小结.工艺基准的选择.加工阶段的划分.工序的集中与分散.工序顺序的安排.确定工艺路线.加工余量、工序尺寸和公差的确定.确定切削用量及时间定额.本章小结.夹具的概念.钻斜油孔专用夹具设计. .孔钻模夹具的改进思路.钻中心孔专用夹具设计.集分析原始资料.本章小结.统的制造技术发展到了一个崭新的阶段；随着我国经济的持续高速发展，人们生活水平不断提高，汽车已经走进了我们的日常生活，渐渐成为一种普通消费品；随着市场对汽车需要量的增加和制造技术的发展，到了本世纪初，小作坊的生产方式已经不能满足需要，而各种新的制造工艺和新式高效机床的出现，使汽车和发动机的制造技术出现了飞跃。因此，人们对汽车的性能要求也在不断提高，不论是经济性、动力性，还是稳定性、安全性，甚至是排放性等各方面都要逐一考虑。这就需要传统制造技术和汽车专业技术相互结合，在满足汽车动力性的同时满足其经济性与生产效率，也就是工艺性。而要想使整车的工艺性完美，对各零件的加工也是最为重要的。曲轴是发动机中承受冲击载荷，传递动力的重要零件，在发动机五大件中最难以保证加工质量。由于曲轴工作条件恶劣，因此对曲轴工艺规程的编制、夹具的选择都要有严格的要求。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，因此我们应不断改进曲轴加工工艺。我国曲轴专业生产厂家不是很多，且整体规模小、专业化程度低、企业设备陈旧、产品设计和工艺落后、性能寿命和可靠性差、品种杂乱和“三化”程度低，这些都影响了整机适应国内及国际市场的能力。随着我国加入燃机零部件行业将面临更加激烈的市场竞争，也将迎来新的发展机遇。我们只有充分了解国内外内燃机曲轴制造技术现状及发展趋势，及时改进和提高曲轴制造技术水准，才能制造出具有世界一流水平的内燃机曲轴，以实力参与市场竞争。本次设计题目为“发动机曲轴加工工艺及夹具设计”，它运用了机械加工设计的基础内容，囊括了几年来所学的理论知识，使我了解曲轴飞轮组的功用及工作条件和受力情况，及了解相关零部件的材质及加工和使用特点。并确定加工工艺方案，通过对加工工艺方案的改进及加工工艺分析，提出相应加工方案，从而达到对曲轴飞轮组在发动机运转的工况了解和原理认知，为将来设计发动机打下坚实基础。同时了解机床夹具的功用、组成和分类。以及机床夹具设计的步骤和方法，夹具总图的设计和绘制方法。是在内燃机5大件(机体、缸盖、曲轴、连杆、凸轮轴)中最难以保证加工质量的零件。由于曲轴工况条件恶劣，因此对曲轴的材质、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。其中任何一个环节的质量对曲轴的寿命和整机的可靠性都具有很大的影响。因此世界各国对曲轴的加工都十分重视，都在不断地改进曲轴加工工艺，最大可能地提高曲轴寿命。曲轴质量约占内燃机质量的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。球墨铸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，所以球墨铸铁曲轴在国内外得到了广泛的应用。近年来，我国内燃机曲轴专业生产厂家通过引进技术消化吸收和自行开发，总体水平有了较大的提高。但是我国距世界先进水平仍相差很远，甚至于还满足不了我国内燃机工业技术发展的要求。我们只有充分了解国内外内燃机曲轴制造技术现状及发展趋势，及时改进和提高曲轴制造技术水准，才能制造出具有世界一流水平的内燃机曲轴，以实力参与市场竞争。目前，世界各国的发动机生产企业对曲轴加工都十分重视，都在不断更新曲轴加工设备改进加工工艺，以提高曲轴加工质量，延长使用寿命。我国的各大发动机生产厂经过多年的学习和探索，已经掌握了很多较为先进的血轴加工技术，生产效率较高，生产线中的大部分设各也已国产化。国内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。粗加工设备多采用多刀车床车削曲轴主轴颈及拐颈，工序的质量稳定性差，容易产生较大的内应力，难以达到合理的加工余量。一般精加工采用常靠手工操作，加工质量不稳定。而发动机曲轴生产得到较大的发展，总量已具相当的规模，无论是设计水平，还是产品品种、质量、生产规模、生产方式都有很大的发展。曲轴在发动机中是承受载荷传递动力的重要零部件，也是发动机五大零部件中最难以保证加工质量的零部件，其性能、水平直接影响整机的性能水平及可靠性。因此，各工业发达国家十分重视曲轴生产，不断改进其材质及加工手段，以提高其性能水平，满足发动机行业的需要。近几年来，国内曲轴加工发展十分迅速。尤其是发动机曲轴。先进的加工工艺加工出的曲轴质量好、效率高且稳定。而欧美等汽车工业发达的国家，经过多年的积累，。在加工工艺方面，由于国外大多采用了先进的数控设备，而国内大多以手动设备为主，精度差，这就要求我们在实际设计加工工艺的过程中充分考虑各方面的因素，在黑龙江工程学院本科生毕业设计7借鉴国外先进的工艺方案的同时充分考虑现有设备资源的利用和改造，达到少投入，大收益。发达国家的发展经验告诉我们，工业化是迈向现代化的必经之路。而制造业，特别是装备制造业是实现工业化的主力军，是实现现代化的原动力，发展制造业始终是振兴经济、实现现代化的最佳路径。曲轴是发动机中用于传递动力的核心零件，由于工况条件恶劣，且承受复杂的冲击载荷，因此对曲轴的材质、面质量、动平衡等的要求都十分严格。又由于曲轴的材料为高强度合金钢，难于加工和断屑，而且曲轴主轴颈和连杆轴颈几何形状复杂，因此作为发动机五大零件之一的曲轴，其加工难度、加工工艺复杂程度在发动机各零部件中都首屈一指，它的结构参数和加工工艺水平直接影响着整机的尺寸和重量，以及发动机的可靠性和寿命。世界各国的发动机生产企业对曲轴。加工都十分重视，都在不断更新曲轴加工设备改进加工工艺，以提高曲轴加工质量，延长使用寿命。我国的各大发动机生产厂经过多年的学习和探索已经掌握了很多较为先进的血轴加工技术，生产效率较高，生产线中的大部分设各也已国产化。但是，在一些关键工序所采用的关键工艺上，我们还是非常依赖国外的技术，需要使用国外的设备和刀具。因此，我们还需进一步研究曲轴加工工艺，尤其是要深入研究关键工艺和关键设备，这对提升曲轴乃至发动机的生产水平都是相当重要的。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，曲黑龙江工程学院本科生毕业设计8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。将旋转运动变成直线运动的零件。它是往复式发动机、压缩机、剪切机与冲压机械的重要零件。曲轴工作时要承受很大的扭应力及大小和方向都在不断变化的弯曲应力的作用，因此曲轴应具有足够的强度和支承刚性。曲轴工作时的旋转速度很高，曲轴的轴颈和连杆轴颈需要足够的耐磨性，且曲轴的质量分布应当平衡，以防因不平衡而产生离心力使曲轴承受附加载荷。轴颈和连杆轴颈不在同一条在线，各连杆轴颈间应有一定的角度位置要求，曲轴在各个连杆轴颈处形成了多个开檔，因此曲轴设计时应根据这些特点，正确确定其结构及尺寸、位置、形状精度，满足曲轴使用性能要求。轴的结构根据上述的使用要求及结构特点，可以看出曲轴是一个形状复杂、结构细长、多曲拐、刚性极差、技术要求高的异形轴类零件。2、曲轴的主要技术要求为了保证曲轴的正常工作，对曲轴规定了严格的技术要求。其主要技术要求如下：主轴颈和连杆轴颈的尺寸精度通常为面粗糙度 颈长度公差等级颈的形状公差，如圆度、圆柱度控制在尺寸公差之内。置精度，包括主轴颈与连杆轴颈的平行度：轴各主轴颈的同轴度：连杆轴颈的位置度不大于20。本设计中各连杆轴颈的轴心线应与主轴颈中心线在同一平面内，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、疲劳强度和耐磨性。对于材料的选择有一定的要求：一般曲轴为35、40、45钢或球墨铸铁于高速、重载曲轴，可采用352零件材料为虑该工件形状比较复杂，因此应该选用铸件，以最大限度减少金属切屑量，保证高效率低消耗。坯尺寸和公差由零件图可知，该曲轴为球墨铸铁，牌号为造，查机械加工简明手册用壳模铸造。又由械加工简明手册轴前端 主轴颈 连杆轴颈 全部曲柄 法兰端公差等级 9 9 9 9加工面尺寸 40 70 57 84 105铸件尺寸公差 G G G 3 5 75 63 90 解了曲轴的使用性能与工作条件，知道了曲轴的结构与技术要求，确定了零件的生产类型和加工余量，审查了零件的加工工艺性，选择了适当的毛坯。面选择得正确，合理，可以保证加工质量，提高生产效率，否则，就会使加工工艺过程问题百出，严重的还会造成零件大批报废，使生产无法进行。定位基准有粗基准和精基准之分，通常先确定精基准，再确定粗基准。精基准的选择选择精基准时应遵循下列原则：基准重合原则；基准统一原则；自为基准原则；互为基准原则；便于装夹原则。加工齿轮轴，主轴和曲柄侧面时，以第8侧板右侧面为精基准，符合基准统一原则。加工各轴面均一轴心为精基准。加工右端法兰盘以以经精加工后的轴肩为基准。法兰铣缺口以法兰上对应两孔为精基准，遵循互为基准原则。钻斜油孔以曲柄侧面和轴心夹角为基准、前端铣键槽。钻孔和攻螺纹以已加工曲柄侧面为基准。法兰上钻，扩定位孔，螺栓孔以法兰圆盘中心为基准。粗基准的选择选择粗基准时应遵循下列原则：余量均匀原则；保证加工表面位置正确的原则；粗基准只能有效使用一次的原则；粗基准平整光洁定位可靠的原则。该曲轴粗选择左端面和第8曲柄右侧面为粗基准进行加工。加工精度要求比较高。粗加工阶段；钻两端中心孔,为方便后续工作定位安装。将精基准准备好，使后续工序都可以采用精基准定位加工，保证其他加工表面的精度要求。铣外形,半精加工阶段：粗磨铣各主轴颈曲柄和连杆轴颈,精铣加工和铣螺纹，钻，黑龙江工程学院本科生毕业设计14扩定位，斜油孔，法兰定位孔，安装孔孔。精加工阶段；精磨各主轴颈曲柄和连杆轴颈，镗孔。超精加工阶段；抛光加工。工序较多。因此选用工序集中原则安排曲轴的加工工序。采用高效专用设备及工艺装备，以提高生产率，工序装夹的次数少，易于保证表面间位置精度，还能减少工序间运输量，缩短生产周期。循“基面先行”原则，先加工精基准遵循“先粗后精”原则，先进行粗加工工序，后安排精加工工序。遵循“先主后次”原则，先加工主要表面。各段主轴和曲柄断面，直径，后加工次要表面遵循“先面后孔”原则，先加工各平面，最后进行螺纹孔的加工。厚不均匀，在加热冷却及相变过中。会产生效应力和组织应力，应采用回火消除这种应力，毛坯在出厂前已经过相应热处理，在此工艺路线中将省略。在精磨加工前，为提高球墨铸铁的表面机械性能和磨削精度，应安排淬火工艺，本加工采用电热淬火。淬火后，为消除淬火带来的残余应力。应安排回火处理。直工序：由于结构复杂，工序较多，为严格控制加工质量，保证直线度精度，减少废品率，应在加工阶段安排多次校直工序，本加工工艺规程安排在第03，14，23，28，35，47工序，采用液压压床设备。检验工序：同样由于工序较多，结构复杂的原因，为控制废品率，安排多处检验，本规程竟检验安排在第5，7，13，26，44，51工序。清洗和去毛刺：为便于后续工序的准确定位，消除切屑对后工序表面质量的影响，在重要加工工序和检验前都应该清洗和去毛刺。综上所述，该换工件工序的安排顺序为：基准加工主要表面粗加工及一些余量大的表面加工主要表面半精加工及次要表面加工热处理主要表面精加工，超精加工。床设备及工艺装备见表3序名称 设备名称001 检查002 热处理003 批量毛坯检验004 铣两端面 数控铣床005 钻中心孔 专用钻中心孔机床006 铣工艺定位面 双柱铣床007 粗车第三主轴颈 数控车床008 粗车第一、二、四、五主轴颈 数控车床009 半精车第三主轴颈 数控车床010 半精车第一、二、四、五主轴颈 数控车床011 铣定位基准面 铣床012 粗车一、二连杆轴颈 数控车床013 粗车三、五连杆轴颈 数控车床014 半精车一、四连杆轴颈 数控车床015 半精车三、五连杆轴颈 数控车床016 钻、铰工艺孔 专用钻床017 钻油孔 深孔组合钻床018 粗磨第三主轴颈 数控磨床019 粗磨第一、二、四、五主轴颈 数控磨床020 粗磨第一、四连杆轴颈 数控磨床021 粗磨第二、三连杆轴颈 数控磨床022 精磨第三主轴颈 数控磨床023 精磨第一、二、四、五主轴颈 数控磨床024 精磨第一、四连杆轴颈 数控磨床025 精磨第二、三连杆轴颈 数控磨床026 铣键槽 键槽铣床027 动平衡检查 动平衡机028 粗抛光各轴颈 抛光机床黑龙江工程学院本科生毕业设计16029 精抛光各轴颈 抛光机床030 清洗 清洗机031 序尺寸和公差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的方法来确定。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。此时，可按如下方法确定个工序尺寸和公差：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，并核对第一道工序的加工余量是否合理。自终加工工序起，即从设计尺寸开始，至第一道工序，逐次加上（对被包容面）或减去（对包容面）个工序的基本余量，便可得到各工序的基本工序尺寸。除终加工工序外，根据各工序的加工方法及其经济加工精度，确定其工序公差和表面粗糙度。按“入体原则”以单向偏差方式标注工序尺寸，并可作适当调整。加工余量、工序尺寸和公差的计算：圆柱面加工余量、工序尺寸以及公差、和粗糙度，由机械设计简明手册得出：曲轴上各圆柱面加工余量，工序尺寸以及公差和粗糙度如表3.2(a)、(b)、(c)。序尺寸以及公差、和粗糙度（a）加工表面 加工内容 加工余量 精度等级 工序尺寸 表面粗糙度)件车螺纹精车半精铣粗铣 41 0 0 圆锥面 铸件磨削半精铣粗铣 件研磨磨削半精车 50 0 序尺寸以及公差、和粗糙度（b）加工表面 加工内容 加工余量 精度等级 工序尺寸 表面粗糙度)45油封档 粗铣 件精磨粗磨半精铣粗铣 55 0 0 件半精铣粗铣 65 0 件半精车粗车 65 0 件精磨粗磨半精铣粗铣 55 0 0 件精磨粗磨半精铣粗铣 4516. 0 0 0 序尺寸以及公差、和粗糙度（c）加工表面 加工内容 加工余量 精度等级 工序尺寸 表面粗糙度)45连杆颈 铸件研磨精磨粗磨半精铣粗铣 50 0 0 0 8孔 铰孔钻孔 2丝钻孔 孔钻孔 黑龙江工程学院本科生毕业设计192丝钻孔 5 5 孔 光钻孔 5 5 盘、顶尖装夹，分三个工步：工步1为铣40步2为铣50步3为铣60。加工后表面粗糙度为1)工步1粗铣40择刀具选择外圆车刀。根据切削用量简明手册于铣床的中心高为200故选刀杆尺寸6根据切削用量简明手册选择 车刀几何形状（选择平面带倒棱前刀面，r=60，r=10，。=6，。=12，s=10，=01 =10， 1b =）选择切削用量确定切削深度p 在一次走刀内切完，故：p=（452定进给量f 根据切削用量简明手册粗铣铸铁、表面粗糙度f=f=r 选择铣刀磨钝标准及寿命 根据切削用量简明手册刀寿命T=60确定切削速度削速度可直接由表中查出。根据切削用量简明手册vc v (11)式中： ： 92r/择n=500r/时10m/后决定的铣削用量为：p=f=r，n=500r/c=110m/）计算基本工时： （12）式中L=l+y+，l=12据切削用量简明手册削时的入切量及超切量y+=L=12+由公式(1：)工步2粗铣50择刀具选择外圆铣刀。根据切削用量简明手册于铣床的中心高为200故选刀杆尺寸6根据切削用量简明手册选择 铣刀几何形状（选择平面带倒棱前刀面，r=60，r=10，。=6，。=12，s=10，01 =10， 1b =）选择切削用量确定切削深度p 在一次走刀内切完，故： p=（552定进给量f 根据切削用量简明手册粗铣铸铁、表面粗糙度f=r 选择铣刀磨钝标准及寿命 根据切削用量简明手册刀寿命T=60确定切削速度削速度可直接由表中查出。根据切削用量简明手册vc v （11）式中： ： 05r/择n=500r/时6m/后决定的车削用量为：p=f=r，n=500r/c=86m/）计算基本工时 (12)式中L=l+y+，l=21据切削用量简明手册削时的入切量及超切量y+=L=21+由公式(1：)工步3粗车601）选择刀具选择）选择切削用量确定切削深度p 在一次走刀内切完，故： p=（652定进给量f 根据切削用量简明手册粗铣铸铁、表面粗糙度f=r 选择铣刀磨钝标准及寿命 根据切削用量简明手册刀寿命T=60确定切削速度削速度可直接由表中查出。根据切削用量简明手册vc v （11）式中： 71r/择n=500r/时10m/后决定的铣削用量为：p=f=r，n=500r/c=110m/）计算基本工时 （12）式中L=l+y+，l=6据切削用量简明手册削时的入切量及超切量y+=L=6+由公式(1：孔切削用量及时间（1）选择刀具选择高速钢麻花钻头，其直径d。=头几何形状为：双锥修磨横刃，=30，2=118，21=70，。=12，=55，b=2mm，l=42）选择切削用量1）决定进给量f 按加工要求决定进给量：根据切削用量简明手册加工要求为13精度，铸铁的硬度大于200d