曲轴圆角滚压夹具设计论文

曲轴圆角滚压夹具设计 摘要 曲轴是汽车发动机的关键零件之一 ， 其性能好坏直接影响到汽车发动机的质量和寿命 。 曲轴在发动机中承担最大负荷和全部功率 ,承受着强大的方向不断变化的弯矩及扭矩，同时经受着长时间高速运转的磨损，因此要求曲轴材质具有较高的刚性、疲劳强度和良好的耐磨性能。然而经过圆角滚压的曲轴，其各方面的性能都能得到很好的提高。 本课题目的在于设计一种进行曲轴圆角滚压的夹具。 夹具应首先能够保证曲拐轴线与机床主轴线同轴 ， 消除曲轴结构对曲拐处圆角滚压的限制。其次 ,当同一侧两个曲拐圆角滚压加工完成后 ， 另一侧相位 相差 180的两个曲拐圆角滚压加工开始 ， 这就需要调整偏心夹具的定位基准 ， 以保证新的曲拐轴线继续与机床主轴线同轴。如此反复三次完成对曲拐的圆角滚压加工。为了提高滚压加工效率 ，要求调整偏心夹具的定位基准必须快速准确地实现。 关键词：曲轴，圆角滚压，夹 具 is of in of nd s At of a of be is to a be to of at of is of 80 of of To to So,to In to of of be 目录 第 1 章 绪论 . 1 述 . 1 课题国内外研究现状分析 . 3 论文研究的主要内容及其意义 . 4 第 2 章 曲轴及曲轴加工工艺概述 . 5 轴简 述 . 5 轴加工要求 . 5 艺过程 . 6 第 3 章 曲轴强化工艺简述 . 9 轴强化的作用 . 9 轴圆角强化的几种手段 . 10 轴滚压工艺简介 . 12 轴圆角滚压的强化机理 . 12 艺过程 . 13 响强化的工艺参数 . 14 第 4 章 曲轴圆角滚压夹具设计 . 15 床夹具 . 15 床夹具概述 . 15 具的定位 . 16 具的夹紧夹紧装置的组成与要求 . 18 本夹紧机构 . 19 具设计方案拟定 . 22 具设计 . 24 具的工作原理 . 29 第 5 章 全文结论 . 31 参考文献 . 32 致谢 . 33 第 1章 绪论 述 曲轴 (如图 l 一 1 所示 )是发动机中承受冲击载荷、传递动力的重要零件，在发动机的 每一个工作行程中，都有很大交变载荷通过活塞、连杆组件作用在曲轴上，使其承受反复的冲击。由于曲轴工作条件恶劣，因此对曲轴材质、毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、动平衡等都要求十分严格。如果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；同时，这些交变载荷在曲轴的各个部位产生弯曲、扭转等复杂的交变应力，极易造成疲劳断裂，尤其在主轴颈和连杆颈与连杆臂的过渡处；为了减少应力集中，提高疲劳强度，在结构上把过渡处设计为过渡圆角，对曲轴过渡圆角进行滚压强化，可有效的提高曲轴的抗疲劳强度。经德国 司测定 ，球铁曲轴经滚压后寿命可增至 280，钢制曲轴经滚压后寿命可提高至 237。 图 1轴 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。 由于曲轴恶劣的工况条件，必须对曲轴进行强化处理来提高其疲劳寿命。目前国内外常见的提高曲轴抗疲劳性能的途径有三种：分别是改进结构设计、合理选材和采取合理的工艺措施。下面对这三种情况加以介绍。 （ 1） 改进结构设计 早在上个世纪 70 年代，通过对曲轴进行静态弯曲应力测量的方法，人们掌握了曲轴的应力分布规律，了解曲轴各处应力的大小，并针对应力分布对发动机进行了结构设计上的改进。改进后的曲轴的抗疲劳能力有所提高，圆角应力状态也有所改进。 随着有限元设计的发展和应用，曲轴的研究从静态应力测量转 向更加精确的动态应力分析。大量的文献提出了曲轴的三维有限元模型 ，并分析了轴各部分尺寸的变化对于圆角应力的影响，在保持曲轴强度、刚度、自振频率、轴承承压表面积、轴颈圆周速度等综合指标的条件下，用其所提供的方法可以更合理地设计曲轴的结构尺寸。 目前，单纯依靠曲轴结构设计来改善曲轴强 度已经不能满足曲轴工作要求，对曲轴的可靠性分析设计至关重要 。曲轴结构设计往往与曲轴材料、工艺相结合，如球铁曲轴圆角滚压强化工艺和对应的滚压沉割槽设计。 （ 2） 合理选材 常用曲 轴毛坯的制造方法有锻造和铸造两种，锻造毛坯采用钢材，如优质碳素钢、低合金钢、合金钢等；铸造毛坯一般都采用球墨铸铁。锻钢曲轴用全纤维模锻成型工艺，组织致密，综合力学性能好，疲劳强度高，生产工艺稳定，曲轴轴颈和圆角中频感应淬火后，曲轴的疲劳强度能提高 40以上。所以，锻钢曲轴在大马力柴油机上得到广泛应用。但锻钢曲轴需具备大型锻压设备，设备投入大，工艺复杂，模具费用高，生产准备周期长，对比其它常规材料，成本最高。球墨铸铁具有良好的耐磨性、减振性和工艺性能。球墨铸铁曲轴比锻钢曲轴成本降低 50 80，加工工时减 少 30 50，毛坯重量减轻，耐磨性改善，结构设计合理的球墨铸铁曲轴具有良好的承载能力。尤其是等温淬火球铁工艺的研究和发展，使球铁材料的性能得到性能上的飞跃。等温淬火球铁具有良好的切削性能，强度类似于锻钢，耐磨性达到非合金化白口铸铁指 标，抗擦伤性与渗碳淬火钢相差不多，减振能力比钢铁快 40，零件质量比钢制轻 10。基于这样的原因及成本上的考虑，许多汽车、拖拉机、陆用及船用内燃机均采用了球墨铸铁作为曲轴材料，德国排气量在 2L 以下的全部柴油机中，球铁曲轴占 50，排气量在 1 5L 以下的交通运输车发动机中球铁 曲轴占 80；美国汽车行业球铁曲轴占 70；我国中小马力柴油机中，球铁曲轴占 80。 （ 3） 采取合理的强化工艺措施 在曲轴结构设计和选材确定之后，采用不同的表面强化工艺，能在相当广泛的范围内，改变曲轴的抗疲劳特性。目前，曲轴的表面强化方法有氮化、感应淬火等组织转变强化，热应力、圆角滚压、喷丸等非组织转变强化等。 课题国内外研究现状分析 曲轴圆角滚压技术是 20 世纪 70 至 80 年代发展的一种新技术。国外经过圆角滚压的发动机曲轴在整个发动机曲轴中所占比例已从 70 年代的 50提高到现在的 80以上，而 轿车发动机曲轴则几乎无一例外地采用圆角滚压工艺进行强化。随着计算机实时控制技术的发展，发达国家在 80 年代已研制出全自动的仅对曲轴圆角进行滚压的设备。但曲轴经滚压后虽然极大地提高了其疲劳强度，却常有变形。 90 年代出现了先进行圆角滚压、再自动测量不直度，若不合格则进行滚压校直的设备。我国轿车工业起步较晚，国内在曲轴圆角滚压工艺、设备及 图 1角滚压加工系统 相关技 术的研究与应用方面都非常薄弱。国内的发动机曲轴圆角滚压加工线中，圆角滚压与校直设备均是从国外引进的，一套引进设备大约 160 万美元。研制开 发国 产曲轴滚压强化与校直设备对提高曲轴加工工艺水平、提高国内设备制造水平和节约外汇具有一定的现实意义。图 1 2 所示为 040 数控发动机曲轴圆角滚压智能柔性加工系统 。 从 70 年代起，国内的一些相关企业曾陆续作过一些研究和尝试，但未充分地展开。 90 年代，我国某汽车集团公司，研制出了 轴滚压机床和 1型单头滚压装置，并成功地用经过圆角滚压后的球铁曲轴取代了钢制曲轴，应用于 6102 型柴油机，但是该机床生产效率较低，适应对象较窄，无法实现曲轴滚压后的校直。我校研究设计由青海第二机床厂制作的 040 数控发动机曲轴圆角滚压智能柔性加工系统 (如图 1 2)，该机床可以实现六缸柴油机曲轴的圆角滚压强化与校直。 040 数控发动机曲轴圆角滚压智能柔性加工系统，适用于加工卡车内燃机曲轴 (大轴 )，而轿车内燃机曲轴 (小轴 )与大轴的结构、尺寸不同且曲轴连杆颈之间的距离非常狭窄。目前我国轿车年产量约 200 万辆，零配件市场大约按 l： 1 8 配套，我国年产轿车内燃机曲轴约为 360 万根。曲轴经滚压后可大幅度提高使用寿命，比未经滚压的曲轴市场价高出 300 元左右，其市场前景和经济价值巨大。同时由于小轴的结构尺寸较小，且曲轴 连杆颈之间的距离非常狭窄，如何在有限的轴向空间合理布置滚压机构，实现正确的滚压运动，保证滚压机构工作可靠，控制方便。 论文研究的主要 内容及其 意义 本课题的主要内容是 ，根据给定的曲轴零件， 设计一种用于曲轴圆角滚压的夹具。 对此夹具的具体要求如下， 夹具中心与曲轴被装夹后的轴心有一间距 而此间距正是曲轴轴心与曲拐轴心间的偏心距。滚压加工时 , 整个夹具安装在机床主轴上 , 即夹具体与机床主轴同心 , 亦即曲拐轴线与机床主轴线同轴。主轴回转时 , 曲轴实际上是以曲拐轴线为中心线回转 , 此时偏心距 除了由于曲轴特殊形状而产生的偏心惯量 , 使圆角滚压得以顺利进行。 通过本课题的研究，能够了解到我国以至于世界曲轴的发展状况，对于曲轴的强化手段有了初步的了解。对于曲轴圆角滚压的机理和好处有了系统的认识。并且对于夹具的设计有了初步的认识，从夹具的定位、夹紧和设计有进一步的了解，特别对于偏心夹具的设计起到一个较为系统的认识。对于以后从事相关的工作打下了牢固的基础。 第 2章 曲轴及曲轴加工工艺 概述 轴 简述 曲轴是 引擎的主要旋转机件，装上连杆后，可承接连杆的上下 (往复 )运动变成循 环 (旋转 )运动。是 发动机 上的一个重要的机件，其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 曲轴的旋转是发动机的动力源。也是整个 机械系统 的源动力。 曲轴是汽车发动机的关键零件之一 ,其性能好坏直接影响到汽车发动机的质量和寿命 承受着强大的方向不断变化的弯矩及扭矩 ，同时经受着长时间高速运转的磨损，因此要求曲轴材质具有较高的刚性、疲劳强度和良好的耐磨性能。 发动机 曲轴 的作用是将活塞的 往复 直线 运动通过连杆 转化为旋转运动，从而实现发动机由化学能转变为机械能的输出。 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。 同时，曲轴是发动 机上的一个重要的旋转机件，装上连杆后，可承接活塞的上下 (往复 )运动变成循环运动。曲轴主要有两个重要加工部位：主轴颈和连杆颈。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。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。而曲轴加工的好坏将直接影响着发动机整体性能的表现 。 轴加工要求 （ 1）曲轴的主要功能 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。 （ 2）曲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。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。 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 如下： 1） 主轴颈、连杆轴颈本身的精度，即尺寸公 差 等级 杆轴颈本身的精度，即尺寸公 差 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。 2） 位置精度，包括主轴颈与连杆轴颈的平行度：一般为 100轴各主轴颈的同轴度：小型高速曲轴为 大型低速曲轴为 3） 各连杆轴颈的位置度不大于 20。 （ 1）设计审查零件图样工艺性 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。 （ 2）选择毛坯 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。 （ 3）定位基准的选择 1）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。 2）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。 （ 4）加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。 1）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 6110 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。 2） 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。 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。 （ 5）制定工艺路线 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。 第 3章 曲轴强化工艺简述 大量理论分析及实验研究表明，轴颈和曲柄连接的过渡圆角处是曲轴应力集中最严重的部位，曲轴的破坏一般发生在过渡圆角处。图 3 1表明了曲轴圆角处的应力分布与应力集中情况，从图中的正应力， 曲柄销圆角处，正应力从离边界 22的 圆角表面处应力和应力梯度都达到最大值，同时，主轴颈圆角处的正应力虽然增加也很明显，但它是压应力，而对于钢，尤其是球墨铸铁这样的曲轴材料，抗压强度要远远 高于抗拉强度。因此，对于曲轴强度来看最危险点是曲柄销圆角处，圆角处的正应力不但在曲拐平面内分布极不均匀，而且在垂直于曲拐的平面内沿轴颈的圆周方向分布亦有很大差别，应力分布的规律随曲轴结构的不同而不同；实心曲轴的最大应力点位于曲拐中心线上；而空心曲轴的最大应力点向曲拐中心偏移，大约在 10 40 范围内变化。弯曲载荷是造成曲轴各圆角部分破坏的主要原因，弯曲疲劳破坏的疲劳裂纹的发源地几乎全部产生于过渡圆角处，图 3 2为曲轴破坏的主要形式。 曲轴在工作中承受交变载荷，圆角过渡处由于应力集中的原因属于薄弱环节，尤其 是主轴颈和连杆颈的过渡处更为严重。轴颈经过磨削加工后留下的刀痕引起的应力集中，在长时间的循环后便会产生裂纹，最终发生疲劳断裂。 图 3轴应力分布简图 图 3轴的疲劳破坏 （ 1）轴颈表面淬火强化 高频淬火是利用高频感应电流的频率越高其流动越靠近金属表面的性质而对钢进行淬火的一种方法，其特征是： 1)由于直接加热，所以熟效率非常高。 2)可以进行局部淬火。 3)处理时问短，可以提高生产效率。 4)工作环境相对较好 5)高频淬火件的疲劳强度高。 正是基于以上优点， 精选 45#钢锻造 )采用高频淬火强化工艺，同时由于加热速度快，钢中的碳不易扩散均匀，因此锻造毛坯进行调质处理，预先获得较好索氏体组织。右图是普通淬火和高频淬火得到的最高硬度，右图可以看出，原始组织为索氏体和珠光体两种材料，经过高频淬火后，硬度有明显差别。 原始组织为索氏体的钢经过高频淬火后的硬度比普通淬火的钢件高，一般认为这是急冷急热所产生的残余应力所引起的，由于残余应力是造成开裂和损坏的根源，所以，高频淬火后最好进行回火。曲轴轴颈表面经高频淬火后得到较高的硬度，提高了抗磨损能力，并在一定程度 上提高了曲轴的疲劳强度，但由于圆角部位未得到强化，所以曲轴安全系数比较低，因此在生产中又引入了圆角喷丸强化工艺。 （ 2）高频淬火 +圆角喷丸 材料的疲劳破坏，通常是由于在拉应力的反复作用下，在表面产生疲劳裂纹，而后又在这一拉应力作用下，裂纹逐渐发展，以致最后呈脆性断裂。在材料表面产生预压应力后，反复作用的拉应力会受到部分抵消，从而使材料的疲劳强度得到了提高。同时，即使材料在拉应力的反复作用下出现了疲劳裂纹，由于预压应力的存在，也会使裂纹的发展得到减缓，这从曲轴的疲劳实验中也得到了证实。曲轴圆角经过喷丸强 化后，疲劳强度有了显著提高，安全系数达到 1 7以上。 （ 3）圆角淬火 曲轴圆角淬火工艺也是强化曲轴疲劳强度的有效手段之 一。圆角淬火的基本原理与表面淬火基本相同，旨在提高曲轴圆角部位的硬度，延缓出现疲劳裂纹的时间，从而提高曲轴的疲劳强度。而曲轴圆角的形状特殊性，尤其连杆轴颈的曲臂比较薄，容易发生裂纹：另一个问题是弯曲变形较大，变形量较轴颈淬火更为严重，虽然变形弯曲可以通过后序磨削得以矫正，但也造成磨削后淬火硬度不一致，应力分布不均等问题，尤其是曲臂顶部淬裂问题。当然，对于曲臂厚的曲轴，圆角淬火也不失为一 种可取的强化措施。 （ 4）盐浴软氮化 盐浴软氮化是将曲轴放在 570氰化物一氰酸物的熔盐中进行氧化处理约 90分钟，然后淬入水中，再在热水槽中冲洗，干燥后进行抛光。软氮化后，由于氮的扩散作用，在曲轴表面形成一层氮化铁3具有很高的硬度 (耐磨性其厚度在 往里是一层氮的扩散 区，厚度在 于氮的渗入金属体积增大而 产生残余压应力。这坚实的表面薄膜和较厚的氮扩层加在一起，使曲轴具有很高的疲劳强度和耐磨性。软氮化的曲轴不宜再做机械加工，否则疲劳强度又将降低，仅允许稍微抛光处理。因此，氮化之前曲轴必须加工至最后尺寸。然而与圆角滚压不同，软氮化后允许对曲轴变形作校直处理。软氮化不止适用于氮化钢、碳钢、合金钢和球墨铸铁等都可应用。可以使碳钢曲轴弯曲疲劳强度提高 60 80，低碳合金钢曲轴提高 20 30，球墨铸铁曲轴提高 50 70。然而， 尽管盐浴软氮化应用范围非常广，效果也很明显，但是该方法采用的介质是氰化物，产生的废 液难以处理，因此，采用这种方法的企业并不多。 （ 5）离子氮碳共渗 离子氮碳共渗作为一种快速有效的表面强化技术，在生产上已得到了广泛的应用。离子氮碳共渗具有耗能低、速度快、渗层耐磨、耐腐蚀等众多优点。与传统的气体和盐浴氮碳共渗相比，离子氮碳共渗可以根除对环境的危害，如噪音、各种污染以及使用氰化盐的安全问题 离子氮碳共渗是在离子渗氮的基础上，加入少量含碳的气体，如甲烷、丙酮、丙烷等，即可获得以 主的化合物层。这种化合物层具有高的硬度和优良的耐磨抗胶合性能。近几年国外新出现的离子软氮 化处理 +后氧化处理技术是在离子氮碳共渗的基础上再进行氧化处理，使处理后的工件表面不仅具有高的硬度和耐磨性，而且还具有优良的耐蚀性能，其耐蚀性能可以和镀硬铬相媲美。据国外文献报道，离子氮碳氧化处理的前提条件是离子氮碳处理后要有较厚的化合物层，这样才能在随后的氧化处理过程中获得致密的 到耐蚀的目的。 （ 6）曲轴的圆角滚压 曲轴圆角滚压其实质是在机械力的作用下，使其金属表面冷作硬化，从而产生残余压应力的一种预应力强化方法。材料的疲劳破坏，通常是由于在拉应力的反复作用下。在表面产生疲劳裂纹，而后 又在这一拉 应力的反复作用下，裂纹逐渐发展，以致最后呈脆性断裂。在材质表面产生一个预压应力后，反复作用的拉应力会受到部分抵消，从而使材料的疲劳强度得到了疲劳裂纹，由于预压应力的存在，也会使裂纹的发展得到减缓，这从曲轴的疲劳试验中也早已得到了证实。衄轴圆角滚压强化的方法具有工艺简单，工艺周期短及经济等特点，并适用于各种金属材料。滚压后其表面光洁无裂痕，且其疲劳强度的提高比较明显。因此，目前在国内外获得越来越广泛的应用。 综上所述，圆角滚压强化是一种非常有效的强化工艺，它适用于各种金属材料，特别是对于球墨铸铁，经 滚压后的球铁盐轴的综合机械憔能的寿命基本上可以代替钢曲轴，然而成本却要低得多，因此这种曲轴才会大量用于轿车中。目前，汽车曲轴以及工程机械用发动机曲轴越来越多地采用圆 角滚压强化工艺，囡外曲轴几乎全部采用窭危滚压工艺。曲轴圆角滚压强化工艺已成为提高产品竞争力的重要手段。 轴圆角滚压的强化机理 加工曲轴圆角时 (如图 3 4)，曲轴主轴颈或连杆轴颈 (亦称曲柄销 )绕自身轴线的旋转运动是机床的主运动，滚轮托架带动滚压头做横向进给运动，直到满足 图 3圆角滚压强化简图 预定滚压力的要求。通过轴颈的主动旋转依靠滚轮与轴颈之间的接触弧线形成的摩擦力带动滚轮旋转，同理，滚轮又带动滚轮托架旋转。曲轴圆角滚压工艺能大幅提高曲轴疲劳寿命的原因在于：金属表层在滚轮压力作用下，当应力超过材料的屈服极限时，产生塑性变形，发生冷作硬化，使硬度得以提高，从金属表层直到某一深度出现残余压缩应力，在深层产生低值的补偿拉应力。去除滚轮压力后， 表层塑性变形略有恢复，然后取得稳定。压缩应力由于永久变形的存在，便残留下来。表层的残余压缩应力，抵消了部分工作拉伸应力，而拉伸应力是金属疲劳破坏的主要原因，这样 就使零件疲劳强度大大提高 (如图 4 5)。因此，滚压强化的实质是一种预应力强化方法。 图 3 5 轴颈内的残余应力及其与工作应力的合成 总结起来就是 ， 曲轴的圆角滚压，就是利用滚轮的压力作用，在曲轴的主 ,轴颈和连杆颈过渡圆角处形成一条滚压塑性变形带。这条塑性变形带具有以下特点： 1） 产生了残余压应力，可与曲轴在工作时的拉应力抵消或部分抵消，从而提高疲劳强度。 2） 表面硬度提高。滚压使圆角处形成高硬度的致密层，使曲轴的机械强度和疲劳强度得到提高。 3） 表面粗糙度值减小。圆角滚压可使圆角表面粗糙度达到 1胛 以下，从而大大减小了圆角处的应力集中，提高了疲劳强度。 艺过程 曲轴圆角滚压强化工艺过程包括以下三方面的内容。 （ 1） 曲轴圆角滚压这一过程是利用滚压钳上的滚轮分别对曲轴主轴颈和连杆颈处圆角进行滚压，在曲轴圆角滚压机上进行。在滚压过程中，由伺服传动系统控制曲轴旋转的转速和旋转角度，同时由滚压钳压力控制系统控制滚压过程的压力负载，对每个主轴颈和连杆颈依次完成整个滚压过程。 （ 2） 曲轴弯曲变形测量这一过程是在由液压机检测系统进行检查，首先检测曲轴的弯曲变形数据即弯曲度的大小和相位方向，然后由专家系统数 据库对摆差数据进行分析处理并给出校直方案，即给出在某几个主轴颈或连杆颈上的再施压方案。 （ 3） 曲轴滚压校直这一过程在曲轴圆角滚压机上进行，利用曲轴弯曲变形测量机上给出的再施压方案，滚压某一个或几个特定的主轴颈或连杆颈。滚压完成后，再上曲轴弯曲变形测量机上测量，直到达到工艺要求为止。 响强化的工艺参数 (1)滚压力 F 滚压力即滚轮压到曲轴圆角处的力。滚压力对曲轴疲劳强度影响很大，不同材料、工艺和热处理状态的曲轴滚压力差异很大，最佳滚压力与曲轴本体材料强度、圆角尺寸、轴颈大小、滚轮结构及尺寸等 有关。由于滚轮工作情况较复杂，比如：滚压接触区应力分布不均匀，接触区变形，述接触点的几形状复杂以及接触区大小的计算等，所以还没有数学公式准确计算出最佳滚压力，一般都是通过对曲轴进行疲劳强度实验确定，使曲轴疲劳强度满足发动机的要求。 (2)滚压圈数 N 滚压圈数即滚压强化时滚轮压过曲轴圆角的次数。滚压圈数对曲轴疲劳强度影响较大。实践证明，在最初几圈几乎与疲劳强度的提高成正比；随着滚压次数的增加，圆角处残余压应力趋于饱和，曲轴疲劳强度不再增加。根据 验 验 ，滚压次数在 6 8圈时，残余压应力己达到饱和，继续滚压， 一般对疲劳强度影响不大。如果滚压次数过多，将会使曲轴圆角产生接触疲劳，表面形成鱼鳞状甚至脱落，但这个数值较大，一般的正常滚压及校直不会对圆角表面产生破坏。 (3)滚压速度 V 滚压速度 轴滚压疲劳强度实验证明，滚压速度对曲轴的疲劳强度影响不大，但影响滚压加工的效率。如转速过高，在滚压连杆颈圆角时，由于偏心产生较大的离心力，使曲轴承受径向力，变形增大。另外，在滚压加工中，工件曲轴带动滚轮转动，而滚轮与曲轴存在一定夹角，仅有滚轮对称中心点与曲轴圆角接触处线速度相同，在靠近曲柄臂 侧，曲轴大于滚轮的切线速度，因此，在滚压加工过程中，滚轮既滚动又滑动，如果滚压速度过大，则有可能造成滚压表面烧伤、撕痕。所以，一般曲轴滚压速度为 20 第 4章 曲轴圆角滚压夹具设计 床夹具 床夹具概述 （ 1）机床夹具的分类 机床夹具按专门化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。 机床夹具从使用机床的分类有：车床夹具，铣床夹具，刨床夹具，磨床夹具，钻床夹具，自动生产线夹具等。 从夹紧动力源分类有：手 动夹具，气动夹具，液压夹具，气液夹具，电动夹具，电磁夹具，真空家具等。 （ 2）机床夹具的组成 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。 （ 3）机床夹具的 作用 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。 （ 4）夹具设计的特点和基本要求 夹具设计要求 针对性强，设计人员全面掌握工艺和生产现场的实际情况，专用夹具是为某零件的某工序设计的，设计人员只有全面了解产品零件的要求，工艺过程的安排以及 所使用的机床、刀 具等具体情况才可能提出合理可行的最佳方案，确定合理的定位方案。 夹紧机构对整个夹具起到决定性作用。夹紧装置 的的结构形式和种类很多，选用的灵活性很大，特别是夹紧装置中中的动力源及传动机构的设计队夹具的影响最大。因此，在同样的够保证工序要求的情况下，每个人设计的夹紧机构可能不大相同。而不同复杂程度的夹紧机构在不同的生产规模条件下其经济效果也不一样。所以设计人员必须使自己的设计与生产规模相适应，不可片面最求高精度而忽视了经济性。 保证加工精度和劳动生产率是夹具设计的主要任务，而保证加工精度又是第一位的，因此，设计时，必须把住定位方案的确定和精度分析这两关，对于制造精度不高的零件，其重点在保证提高劳动生产率上。 夹具的 制造多属于单位生产，因此，设计时应考虑采用组合加工、修配和调整等措施来保证夹具的制造精度，尽可能的考虑设置修配和调整环节，而不能完全依靠用完全互换的方法来保证制造精度。 设计周期短，一般不进行强度和刚度计算。夹具设计时直接为产品生产服务的生产技术准备工作，其设计周期要求短。因此设计时多采用参照法或凭经验确定的办法来保证受力件的强度和刚度，通常不进行详细计算，有时采用简便公式或图标作为设计参考。但是应注意，在设计一些较高精度要求的夹具是，应该对定位精度、夹紧力等进行必要的分析和计算。（ 5） 夹具设计的基本要求 夹具设计的原则是经济、实用，他可以概括为“好造，好造，好修”这六个字。其中“好用”是主要的，但是“好用”也必须不可脱离生产现场的实际制造和维修水平，具体要求为： 1）夹具的结构与用途和生产规模相适应，正确处理好质量、效率、方便性和经济性之间的关系。 2）保证工件精度。 3）保证使用方便，要便于装卸、便于夹紧、便于调整、便于测量、便于观察、便于排屑排液、便于安装运输，保证安全第一。 4）注意结构工艺性，对装配、检验和维修等通盘考虑，降低制造成本。 具的定位 （ 1）夹具定位实例分析 工件在夹具中的 定位，对保证加工精度起着重要的作用。在图 4 1 中，工件以外圆柱面在 V 型块上定位，保证了所铣键槽与轴线对称和位置尺寸 加工要求；又如图 4 2、 4 3 工件以 孔和键槽 6 及端面 A，在夹具定位销 5 和键 6 以及台阶面 Q 上定位，从而保证所钻孔至端面 A 的尺寸要求等等。 实际上，由于定位基准和定位元件存在制造误差，故同批工件在