毕业设计（论文）-发动机曲轴加工工艺规程及夹具设计（全套图纸三维）.pdf

湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 1 第一章第一章 前言前言 曲轴是发动机对外输出动力的核心部件， 是驱动车、 船等运输工具的重要动力来源。 曲轴的功用是把活塞、连杆传来的气体力转变为转矩，用以驱动汽车的传动系统和发动 机的配气机构以及其他辅助装置。曲轴的工作情况是极其复杂的，它是在周期变化的燃 气作用力、往复运动和旋转运动惯性力及它们的力矩作用下工作的，因此承受着扭转和 弯曲的复杂应力。 全套图纸加153893706 曲轴是内燃机中承受冲击载荷传递动力的关键零件，也是内燃机五大件（机体、缸 盖、曲轴、凸轮轴、连杆）中最难以保证加工质量的零件，发动机曲轴作为重要运动部 件，同时因曲轴工况及其恶劣，因而对曲轴材料、曲轴尺寸精度、表面粗糙度、热处理 和表面强化、动平衡等要求十分严格。其中任何一个环节的质量对曲轴的寿命和整机的 可靠性都有很大的影响。因此世界各国对曲轴的加工都十分重视，不断地改进曲轴加工 工艺，最大可能地提高曲轴寿命。在大批量生产的条件下，传统工艺已不能满足当前设 计和生产需求，在长时间、高速运转下，曲轴极容易过早出现失效或断裂，严重影响曲 轴的寿命和整机可靠性。曲轴的主要失效形式是轴颈磨损和疲劳断裂，内燃机曲轴部分 的结构形状和主要尺寸对内燃机曲轴的抗弯疲劳强度和扭转刚度有重要影响， 因而在内 燃机曲轴设计时，必须对内燃机的结构强度问题予以充分重视。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 2 第二章第二章 曲轴的结构分析及毛坯图绘制曲轴的结构分析及毛坯图绘制 2.1 分析曲轴的零件图分析曲轴的零件图 零件的结构对其机械加工工艺过程的影响很大， 使用性能完全相同而结构不同的两 个零件，他们的加工难易和制造成本可能有很大的差别。所谓良好的工艺性，首先是这 种结构便于机械加工，即在同样的生产条件下能够采用简便和经济的方法加工出来。此 外，零件结构还应适应生产类型和生产条件的要求。 曲轴是内燃机中最重要的零件之一。 它的功用是将活塞和连轴杆传来的气体力转变 为转矩输出，以驱动与其相连的动力装置，此外还驱动内燃机本身的配气机构及各种附 件。曲轴在工作中受到气体力、往复惯性力以及它们产生的转矩和弯矩的作用，受力情 况十分复杂。其精度要求非常高，它的加工质量对内燃机的工作性能，对装配劳动量都 要很大的影响。曲轴中几个主要加工表面、连杆表面、轴承轴颈及锥面键槽的精度要求 都较高，连杆轴颈需经过抛光。因此,各要素的尺寸精度、位置精度和表面质量要求相当 高.其主要尺寸和精度要求见曲轴零件示意图 2.1。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 3 图 2.1 曲轴零件示意图 根据曲轴的工作特点，对其设计要求如下： （1）合理的结构设计（结构已定） 。 （2）足够的刚度、强度。 （3）足够的耐磨性、抗震性及尺寸稳定性。 （4）一定的尺寸精度、形状精度、位置精度和表面质量。 （5）由于曲轴在旋转驱动连杆过程中承受交变载荷，因此它还应具有一定的抗 疲劳强度。 以上其中第（2） 、 （3） 、 （5）项要求可以通过选择曲轴的材料及热处理工艺予以解 决，曲轴的制造精度则由机械加工来加以保证。 2.2 曲轴主轴颈的精度分析曲轴主轴颈的精度分析 （1）主轴颈的精度）主轴颈的精度 曲轴在发电机中是以它的两个支承轴颈与相应的轴承内孔相 配合，从而确定了曲轴在发电机中的位置，同时其轴承的位置也被确定下来。曲轴的两 个主轴颈的尺寸精度一样如图 2.2，长头端轴颈尺寸 0.021 0.051 55 ，短头端轴颈尺寸为 0.021 0.051 55 。曲轴主轴颈表面的形位误差（圆度、同轴度、平行度、局部跳动）将直接影 响到曲轴的工作精度，造成曲轴的径向圆跳动、和端面圆跳动，这些跳动又影响其驱动 活塞的压缩平稳性。 曲轴的轴肩轴承端面对曲轴回转轴心线的垂直度误差是使曲轴产生 端面圆跳动的原因之一。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 4 图 2.2 左主轴颈放大视图 （2）曲轴工作表面的精度：）曲轴工作表面的精度：曲轴工作表面是指安装飞轮的锥面及连接连杆的拐颈， 飞轮转动带动曲轴的转动，从而驱动连杆带动缸体中的活塞移动。安装飞轮的工作表面 是锥面，具有配合要求的尺寸精度、形状精度、粗糙度和接触精度。技术要求锥面对右 端轴颈中心线同轴度公差为 0.01。加工表面应光洁不得有裂纹、压伤、刻痕和黑点等缺 陷，如上图 1-2 保证锥度为 1：10。 如下图 2.3 连杆轴颈要求精度磨至 0.021 0.051 55 ，并要求保证靠长头端扇板两侧轴肩间 距离为 37.5，表面粗糙度为 6.3。同时技术要求轴颈表面必须光洁不得有裂痕、压痕、 黑点等缺陷。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 5 图 2.3 连杆轴颈局部示意图 （3）曲轴其他表面及孔的精度：）曲轴其他表面及孔的精度：其他表面指扇板内侧、键槽，过油孔。扇板精度 要求表面粗糙度为 6.3，两扇板内侧面之间的距离为 82。钻过油孔要求尺寸 5 表面粗 糙度为 6.3， 10油孔要求表面粗糙度为 6.3。 （4）曲轴各表面的表面层：）曲轴各表面的表面层： 所有曲轴的支承轴颈表面、工作表面及其他配合表 面都受到不同程度的摩擦作用，曲轴采用滚动轴承、轴颈可以不要求很高的耐磨性，因 为摩擦转移给轴承环和滚动体， 但是它仍然要求适当提高其硬度以改善它的装配工艺性 和装配精度。 2.3 零件毛坯图的材料以及成型方法的选定零件毛坯图的材料以及成型方法的选定 由于生产规模大，宜采用高精度和高生产率的毛坯制造方法。精度较高的毛坯制 造方法的生产率一般也较高，即节约原材料又减少机械加工劳动量，又可简化工艺和工 艺设备、降低产品的总成本。选择毛坯时应考虑工件结构形状和尺寸大小、对零件的机 械性能的要求及本厂现有的设备和技术水平，还应考虑可能性和经济性等因素。 本次设计曲轴材料选用为 QT600 铸件。 根据制造厂现有的毛坯生产条件和曲轴生 产数量属于大批量生产类型的生产纲领，考虑到经济因素，采用壳型铸造的生产方法， 性能高、成本低、效率高、毛坯精度高、加工余量小且组织均匀无胀砂、缩砂、缩孔等 缺陷，表面尺寸精度高，可达到 GB/T 6414-1999 中公差等级 CT8。 2.3.1 零件毛坯图的绘制零件毛坯图的绘制 由于零件图曲轴扇板内侧没有任何表面粗糙度要求，故两扇板处切削余量留在外 侧，根据 GB/T 6414-1999 铸件尺寸可绘制如下图 2.4 和图 2.5 毛坯零件图，剖面线为 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 6 切削余量。 图 2.4 曲轴零件毛坯主视图 图 2.5 曲轴零件毛坯 K 向视图 从上图 2.5 零件毛坯 K 向视图可知，扇板边缘没有任何加工要求，不需要设置工序 加工。 技术要求： 1)铸件不得有砂眼裂纹气孔等缺陷。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 7 2)表面喷丸处理。 3)热处理：硬度 HB229-302。 第三章第三章 制订加工工艺过程制订加工工艺过程 3.1 基准的确定基准的确定 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 8 基准是用来确定生产对象上几何要素间的几何关系所依据的那些点、线、面或其组 合,在机器零件的设计和加工过程中,按不同要求选择哪些点、线、面作为基准,是直接 影响零件加工工艺性和表面间尺寸、位置精度的主要因素之一。 定位基准的选择与工艺过程的制订有密切的关系， 故有必要多设想几种定位方案比 较他们的优缺点，周密地考虑定位方案与工艺过程的关系，尤其对加工精度的影响。合 理选择定位基准对保证加工精度和确保加工顺序都有决定性的影响， 基准的选择其实就 是基面的选择。 根据作用的不同，基准可分为： （1）设计基准：）设计基准：零件设计图样上所采用的基准，称为设计基准。这是设计人员从 零件的工作条件、性能要求出发，适当考虑加工工艺性而选定的。一个零件图上可以有 一个也可以有多个设计基准。 （2）工艺基准：）工艺基准：零件在工艺过程中所采用的基准，成为工艺基准。其中又包括工 艺基准、定位基准、测量基准和装配基准。 （3）定位基准：）定位基准：工件在机床上或夹具中进行加工时用作定位的基准，称为定位基 准。当加工主轴颈时，其位置是由夹具上定位相接的面确定的，故该接触面即是本道工 序的定位基准。 （4）工序基准：）工序基准：在工序图中，用来确定本工序所加工表面加工后的尺寸、形状、 位置的基准，称为工序基准。应对各工序中的工件加工面作具体分析、确定某面或线作 为该工序的基准。工序基准采用工件上实际表面的点、线、面以外，还可以是工件表面 的几何中心、对称面或对称线等。例，加工主轴颈时以主轴中心线为加工的工序基准。 （5）测量基准：）测量基准：在测量时所采用的基准，称为测量基准。根据不同工序要求测量 已加工平面位置时使用不同的测量基准，如测量曲轴总长时应以曲轴两端面为测量基 准。 （6）装配基准：）装配基准：在机器装配时，用来确定零件或部件在产品中所采用的基准，称 为装配基准。 3.2 定位基准的选择 正确选择定位基准是设计工艺过程的一项重要内容。 在最初的工序中只能选择未加 工的毛坯表面作为定位基准，这种表面称为粗基准。用加工过的表面作为定位基准称为 精基准。另外，为了满足工艺需要在工件上专门设计的定位面，称为辅助基准。 3.2.1 粗基准的选择粗基准的选择 粗基准的选择影响各加工面的余量分配及不需加工表面之间的位置精度。 这两方面 的要求常相互矛盾，因此在选择粗基准时，必须首先明确那一方面是主要的，一般可遵 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 9 循如下原则： （1）如果必须首先保证工件上加工表面与不加工表面之间的位置要求，则应以不 加工表面作为粗基准。如果在工件上有很多不需加工的表面，则应以其中精度要求较高 的表面作粗基准。 （2）如果必须首先保证工件某重要表面的余量均匀，应该选择该表面作粗基准。 （3）选作粗基准的表面，应平整，没有浇口、冒口或飞边等缺陷，以便定位可靠。 （4）粗基准一般只能使用一次，即不应重复使用，以免产生较大的位置误差。 3.2.2 精基准的选择精基准的选择 选择精基准时应考虑如何保证加工精度和装夹准确方便等因素，一般遵循如下原 则： （1）用设计基准作为精基准，以便消除基准不重合误差，即所谓“基准重合”原 则。 （2）当工件以某一组精基准定位可以较方便的加工其他各表面时，应尽可能在多 数工序中采用此组精基准定位，即所谓“基准统一”原则。 选作统一基准的表面， 一般都应是面积较大、 孔以及其他距离较远的几个面的组合。 （3）当精加工或光整加工工序要求余量尽可能小而且均匀时，应选择加工表面本 身作为精基准， 而该加工表面与表面之间的位置精度则要求由先行工序保证， 即遵循 “自 为基准”原则。 （4）为了获得均匀的加工余量或较高的位置精度，在选择精度基准时，可遵循“互 为基准”的原则。 （5）精基准的选择应使定位准确，夹紧可靠。为此，精基准的面积与被加工表面 相比，应有较大的长度与宽度，以提高其位置精度。 因此曲轴的设计加工应采用统一基准原则， 交替或共同使用中心孔和外表面作为定 位基准。 3.2.3 加工顺序的安排加工顺序的安排 零件表面的加工方法确定之后，就要安排加工的先后顺序，同时还要安排热处理、 检验等其他工序在工艺过程中的位置。零件加工顺序安排的是否合适，对加工质量、生 产效率率和经济性有较大的影响。现将有关加工顺序安排的原则和应注意的问题分述如 下。 按加工性质和作用的不同，工艺过程可以划分如下几个阶段： （1）粗加工阶段：）粗加工阶段：这个阶段主要任务是除去大部分加工余量，为半精加工提供定 位基准，因此主要是提高生产率的问题。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 10 （2）半精加工阶段：）半精加工阶段：这阶段的作用是为零件主要表面的精加工做好准备（达到一 定的精度和表面粗糙度，的精加工余量） ，并完成一些次要表面的加工（如钻孔、攻丝、 铣键槽等） ，一般在热加工以前进行。 （3）精加工阶段：）精加工阶段：对于零件上的精度和表面粗糙度要求高（精度在 IT7 级或以上， 表面粗糙度在 Ra0.8 以下） 的表面， 还要安排精加工阶段。 曲轴 3 个轴颈都需要精加工， 其余表面要求不高， 这个阶段的任务主要是提高加工表面的各项精度要求和降低表面粗 糙度。 此外， 对零件上的精度和表面粗糙要求特高的表面还应在精加工后进行光整加工。 称为光整加工阶段。 （4）机械加工顺序的安排：）机械加工顺序的安排：一个零件上往往有几个加工表面需要加工，这些表面 不仅本身有一定的精度要求，而且各表面间还有一定的位置要求。为了达到这些精度要 求，各表面的加工顺序就不能随便安排，而必须遵循一定的原则，这就是定位基准的选 择和转换决定着加工顺序，以及前工序为后续工序准备好定位基准的原则。 3.2.4 热处理工序的安排热处理工序的安排 热处理工序在工艺过程中的安排是否恰当， 是影响零件加工质量和材料使用性能的 重要因素。热处理的方法、次数和在工艺过程中的位置，应根据零件材料和热处理的目 的而定。 (1)退火或正火退火或正火：为了得到较好的表面质量、减少刀具磨损，需要对毛坯预先进行 热处理，以消除组织的不均匀，降低硬度、细化晶粒，提高加工性。 (2)时效时效：为了消除残余应力应进行时效处理（其中包括人工时效和自然时效） 。 (3)淬火淬火：淬火可提高材料的机械性能（硬度和抗拉强度等） 。 (4)渗碳渗碳：由于渗碳的温度高，容易产生变形，因此一般渗碳工序安排在精加工之 前进行。 (5)氮化处理氮化处理:是为了提高零件的表面硬度和抗腐蚀性，一般安排在工艺过程的后 部、该表面的最终加工之前。氮化处理前应调质。 (6)表面处理表面处理:为了提高零件的抗腐蚀能力、耐磨性、抗高温能力和导电率等，一般 都采用表面处理的方法。如在零件的表面镀上一层金属镀层（铬、锌、镍、铜以及金、 银、钼等）或使零件表面形成一层氧化膜。表面处理工序一般均安排在工艺过程的最后 进行。 3.2.5 辅助工序的安排辅助工序的安排 辅助工序种类很多，包括中间检验、洗涤、防锈、特种检验和表面热处理等。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 11 （1）检验）检验：检验工序一般安排粗加工全部结束之后，精加工之前；送往外车间加 工的前后（特别是热处理前后） ；化费工时用于工序和重要工序的前后。以便及时控制 质量，避免浪费工时。 （2）特种检验）特种检验：X 射线、超声波探伤等多用于工件材料内部质量的检验，一般安排 在工艺过程的开始。荧光检验、磁力探伤主要用于工件表面质量的检验，通常安排在精 加工阶段。如果用于检验毛坯的裂纹，则安排在加工前进行。 （3）清洗、涂防锈油）清洗、涂防锈油：一般安排在最后工序。 3.2.6 加工加工余余量的确定及工序量的确定及工序尺寸尺寸的确定的确定 零件在机械加工工艺过程中， 各个加工表面本身的尺寸及各个加工表面相互之间的 距离尺寸和位置关系， 在每一道工序中是不同的， 它们随着工艺过程的进行而不断改变， 一直到工艺过程结束，达到图纸上所规定的要求。在工艺过程中，某工序加工达到应达 到的尺寸称为工序尺寸。 工序尺寸的正确确定不仅和零件图上的设计尺寸有关系， 还与各工序的工序余量有 关系。 （1）加工余量的确定）加工余量的确定：加工余量是指在加工过程中，从被加工表面上切除的金属 层厚度。加工余量分工序余量和加工总余量（毛坯余量）二种。相邻两工序的工序尺寸 之差称为工序余量。 毛坯尺寸与成品零件图的设计尺寸之差就称为加工总余量即毛坯余 量，其值等于各工序的工序余量总和。 由于加工表面的形状不同，加工余量又可分为单边余量和双边余量两种。如平面的 加工余量则是单边余量，即实际所切除的金属层厚度。对于外圆和孔等旋转表面而言， 加工余量是从直径上考虑的，故称双边余量。实际切除的金属厚度是从直径上的加工余 量的一半。 因各工序尺寸都有公差，故实际切除的金属层厚度不等，就产生了工序余量的最大 值和最小值。在工艺过程中，用极值法还是用调整法计算工序余量的最大值和最小值， 它们的概念是不同的。极值法是按试切加工原理计算，调整法是按加工过程中误差复原 的原理来计算。为了便于加工和计算，工序尺寸一般按“如体原则” （指向工件材料体 内的方向）标注极限偏差。对于外表面的工序尺寸取上偏差为零，而对于内表面的工序 尺寸取下偏差为零。 极值法计算的工序最大余量偏大，工序余量偏小，使得工序余量波动较大，工序余 量的偏差过大。所以在制订机械加工工艺规程中，单件或小批量生产时用极值法计算， 大批量生产和生产稳定时用调整法计算，这样可节约材料、降低成本。 加工总余量的大小，对零件的加工质量和生产率以及经济性均有较大的影响。余量 过大不但增加机械加工的劳动量，也增加材料、工具、电力等的消耗从而增加了成本， 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 12 并使切削力增大而引起工件的变形较大。相反，余量过小不能保证零件的加工质量。确 定加工余量的基本原则是在保证加工质量的前提下尽量减小加工余量。目前，工厂中确 定加工余量的方法一般有两种，一种是靠经验缺定，但这种方法不够准确，为了保证不 出废品，余量总是偏大，多用于单件小批生产。另一种方法是查阅有关加工余量的表格 来确定，这种方法应用比较广泛。 比较合理的方法是加工余量的分析计算法。 这种方法是在了解和分析影响加工余量 基本因素的基础上，加以综合计算来确定余量的大小。 加工总余量的数值，一般与毛坯制造精度有关。同样的毛坯制造方法，总余量的大 小又与生产类型有关，批量大的总余量可以小一些。由于粗加工的工序余量的变化范围 很大，半精加工和精加工的加工余量较小，所以在一般情况下加工总余量的分配是足够 的。 （2）工序尺寸的确定）工序尺寸的确定：在零件的机械加工工艺过程中，各工序的工序尺寸及工序 余量在不断地变化，其中一些工序尺寸在零件图上往往不标出或不存在，需要在制定工 艺过程时予以确定。而这些不断变化的工序尺寸之间又存在着一定的联系，需要用工艺 尺寸链原理去分析它们的内在联系，掌握它们的变化规律，正确地计算出各工序的工艺 尺寸。 本设计的曲轴毛坯是球墨铸铁铸件，查阅金属机械加工工艺人员手册可知铸造 件的毛坯厚度约 25 ，表面层有缺陷，其特点是有较高的硬度，如果刀具的刀刃切在 表面层，将使刀具加速磨损，因此刀具切入金属的厚度应大于表面层的厚度，大批量生 产类型用砂型铸造查得机械加工余量约为 2.5 。 3.3 加工工艺过程的确定加工工艺过程的确定 设计工艺过程时所涉及的主要问题是划分工艺过程的组成、选择定位基准、选择零 件表面加工方法、安排加工顺序和组合工序等。 由于零件的加工质量、生产率、经济性和工人的劳动强度等，都与工艺过程有着 密切关系，为此应在进行充分调查研究的基础上，多设计一些方案经分析比较，最后确 定一个最合理的工艺过程。经过以上问题的分析、研究、评比和估算以后，就可尽量考 虑工序的集中，减少装夹和调整的次数，以利于保证加工表面间的位置精度。经过综合 分析和调整，就得到大批量生产条件下的曲轴零件机械加工工艺过程如表 4-1： 表 3-1 加工工艺过程表 工序号 工序 车间 机床及编号 夹具及编号 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 13 01 铸造 铸造 02 退火 热处理 03 探伤检验 04 表面喷丸处理 10 粗铣两端面 机加 双面铣 V 型块 20 钻中心孔 机加 车床 三爪卡盘 30 粗车左扇板外侧、 主轴颈左端 机加 车床 三爪卡盘 40 粗车右扇板外侧、 主轴颈右端 机加 车床 三爪卡盘 50 粗车锥面 机加 CA6140 三爪卡盘、顶尖 60 钻连杆轴颈中心孔 机加 CA6140 钻床夹具 70 粗车连杆轴颈 机加 CA6140 钻床夹具 80 半精车锥面 机加 CA6140 三爪卡盘、顶尖 90 半精车主轴颈左端 机加 CA6140 三爪卡盘、顶尖 100 半精车主轴颈右端 机加 CA6140 三爪卡盘、顶尖 110 半精车连杆颈轴 机加 CA6140 偏心夹具 120 铣主轴颈左端锥面键槽 机加 立式铣床 铣键槽夹具 130 精车主轴颈左端 机加 CA6140 鸡心夹头 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 14 140 精车主轴颈右端 机加 CA6140 鸡心夹头 150 精车连杆轴颈 机加 CA6140 偏心夹具 160 钻第二扇板底油孔 机加 Z520 钻床夹具 170 钻第二扇板侧油孔 机加 Z520 钻床夹具 180 钻连杆轴颈油孔 机加 Z520 钻床夹具 190 钻主轴颈油孔 机加 Z520 钻床夹具 200 扩10 孔 机加 专用车床 专用夹具 210 扩扇板底孔 机加 专用车床 专用夹具 220 扩扇板侧孔 机加 Z520 专用夹具 230 中心孔倒角 机加 钻床 三爪卡盘 240 攻扇板油孔螺纹 机加 Z512-2 螺孔钻模 250 检测 260 氮化及表面喷丸处理 270 抛光各主轴颈 机加 车床 抛光夹具 第四章第四章 确定切削用量确定切削用量 4.1 切削用量的确定 在切削加工时，根据不同的工件材料、刀具材料和其他技术经济要求来选择适宜的 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 15 切削用量。切削用量的大小，反映了单位时间内金属切除量的多少，它是衡量生产率的 重要参数之一。正确的选择切削用量，对保证零件的加工精度、提高生产率、降低刀具 的损耗以及降低工艺成本都有很大的意义。 在单件小批生产中，为了简化工艺文件，常不具体规定切削用量，而是由操作工人 根据具体情况自己确定。在大批大量生产中，对组合机床和自动机床、多刀加工以及加 工精度和表面质量要求很高的工序，则应科学地、严格地选择切削用量，并填入工艺文 件切实执行，以便充分发挥这些高生产率设备的潜力和高精度机床的作用。 切削力：切削力对切削机理的研究，对计算功率的消耗，对刀具、机床夹具的设计， 对制定合理的切削用量、优化刀具几何参数，都有重要的意义。金属切削时，刀具切入 工件，使被加工材料发生形成切削所需的力，其来源有： （1） 克服被加工材料对弹性变形的抗力。 （2） 克服被加工材料对塑性变形的抗力。 （3） 克服切屑对刀具前刀面的磨擦和刀具后刀面对过渡表面和已加工表面的之 间的摩擦力。 切削力的指数公式： FZ n YX pFZZ kVfaCF FZ fzFZ = （4.1） （5.1）式中 CFZ决定于被加工金属和切割条件的系数； FZ X, FZ Y, FZ n分别是三个切削用量、被吃刀量ap、进给量f、切削速度 v的指数。 KFZ当实际加工条件与所要求的经验公式的条件不符时， 各种因素对切削力的 修整系数的积。 单位切削力 P：指单位切削面积上的切削力，见公式（4.2） wcp aa Fz fa Fz Ac Fz P= 2 /N mm （4.2） 现就几道工序计算切削力： 工序：粗车长端外圆 引用（4.1）切削力公式： FZ n YX pFZZ kVfaCF FZ fzFZ )60(81 . 9 = CFZ=270 YFZ =0.75 X FZ=1.0 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 16 nFZ=-0.15 ap=1.5 f=0.5 v=8 所以 FZ n YX pFZZ kVfaCF FZ fzFZ )60(81 . 9 = =9.812701.5 1.00.50.75（6086）-0.15K FZ =655.32 KFZ FroFkrF nf b FZ KKKK =) 637 . 0 ( F=0.75 b=0.588GPa FZ KFz=32.655 =0 . 194 . 0 1 . 1) 637 . 0 588 . 0 (32.655 75. 0 =638.12 (N) 切削用量：是指切削速度 v、进给量 f 和背吃刀量ap三者的总称。 （1） 切削速度 v:它是切削加工时,刀刃上选定点相对于工件的主运动的速度， 刀刃 上各点的切削速度是不同的。 当主运动为旋转运动时，刀具或工件最大直径处的切削速度由下式确定 v=*d*n/1000 (m/s 或 m/min) （4.3） 式中：d完成主运动的刀具或工件的最大直径 (mm) n主运动的转速(r/s 或 r/min) （2） 进给量 f:它是工件或刀具的主运动每转或每一行程时， 工件或刀具两者在进 给运动方向上的相对位移量。 （3）背吃刀量 ap ：对外圆切削和平面刨削、背吃刀量 ap 等于工件已加工表面与 待加工表面间的垂直距离，其中外圆车削的背刀量： 2 mw p dd a = (mm) （4.4） （4.4）式中：dw工件待加工表面的直径（mm） dm工件已加工表面的直径（mm） 对于钻孔 2 m p d a = （4.5） 对于镗孔 2 wm p dd a = （4.6） 本设计中，切削用量在工艺卡上各个工序中都已规定。因为大批量生产需流水线 作业，要保证各工序的生产节奏均衡。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 17 各工序的具体切削用量，见机械加工工序卡。 曲轴加工中各道工序的具体加工方法、及步骤，在机械加工工序卡中有明确的体 现。 第五章第五章 曲轴夹具设计要求曲轴夹具设计要求 曲轴加工过程中,其加工面较多、定位、装夹较为复杂，因此设计合理的夹具结构 是非常重要的。 夹具设计一般是在零件的机械加工工艺过程制订之后按照某一工序的具体要求进 行的。制订工艺过程，应充分考虑夹具实现的可能性，而设计夹具时，如确有必要也可 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 18 以对工艺过程提出修改意见。夹具设计质量的高低，应以能否稳定的保证工件的加工质 量，生产效率高，成本低，排屑方便，操作安全、省力和制造、维修容易为其衡量指标。 5.1 夹具设计的要求夹具设计的要求 5.1.1 夹具的组成夹具的组成 一般的夹具由以下几个部分组成： （1）定位）定位元元件：件：用来确定工件在夹具中的位置元件。如：V 型块、定位销。 （2）夹紧夹紧装装置置：用来夹紧工件，使其保持在正确的位置的定位位置上的夹紧装置 和夹紧元件，如：偏心轮、活动的 V 型块、开口垫圈和螺母。 （3）对刀和引导元对刀和引导元件：件：用来确定刀具为位置和引导刀具方向的元件。如：对刀块、 快钻套。 （4）连接元连接元件：件：用来确定夹具和机床间正确位置的元件，如：定向键。 （5）其他）其他元元件及装件及装置置：如分度装置、为便于卸下工件而设置的顶出器、动力装置 的操作系统。 （6）夹具体夹具体：将上述元件和装置连成整体的基础件。 以上组成部分，并非所有机床夹具都缺一不可。但是，通常定位、夹紧和夹具体三 部分是夹具的主要组成部分。 5.1.2 夹具的功用夹具的功用 （1）保证加工质量：如相互位置精度的保证，精度一致性的保证等。由于采用了 能直接定位的夹具，因此，可以准确地确定工件相对刀具和机床切削成形运动中的相对 位置关系，不受或少受各种主观因素的影响，可以稳定可靠地保证加工质量。 （2）提高劳动生产率和降低生产加工成本：提高劳动生产率，降低单件时间定额 的主要技术措施是增大切削用量和压缩辅助时间。采用机床夹具，即可以提高工件相对 刀具和刀具加工时的刚度，有利于采用较大的切削用量，又可以省去逐件划线找正和对 刀等，缩短了安装工件的时间；容易实现多件、多工位加工，提高了劳动生产率，使安 装工件的辅助工时大大减小，因此能显著地提高劳动生产率和降低成本。例如，采用气 压、 液压等传动装置， 只需几秒针就可以完成夹紧动作； 采用各种快速的联动夹紧装置， 只需操作一个手柄即可同时夹紧多个工件，或者在几个方位上同时夹紧一个工件，这都 可以大幅度缩短辅助时间。 由于采用与生产规模相适应的夹具，使工件质量稳定，废品大大减少，劳动生产率 提高，可使用低技术等级的工人等，皆可大大降低加工成本。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 19 （3）扩大机床的工艺范围或改变机床用途：在单件小批量生产的条件下，工件的 种类、规格较多，而机床的数量品种却有限，为了解决这种矛盾，可设计制造专用夹具， 使机床“一机多用” 。在机床上安装夹具可以扩大其工艺范围，在车床上或钻床上安装 镗模后可以进行箱体孔系的镗削加工，使车床、钻床具有镗床的功能。 （4）改善工人劳动条件：采用夹具后，工件的装夹显然比不用夹具方便、省力、 安全。如：采用液压阀便可完成压紧或松开动作；或使用一个夹具就可完成几个孔的加 工，而工件只要装卸一次。使用专用夹具安装后，定位方便、迅速，夹紧可采用增力、 机动等装置， 因此可以减轻工人的劳动强度。 还可以设计保护装置， 确保操作者的安全。 （5）在流水线生产中，便于平衡生产节拍：工艺过程中，当某些工序所需工序时 间特别长时，可以采用多工位或高效夹具等，可以提高生产效率，使生产节拍能够比较 平衡。 5.1.3 夹具设计工作的特点夹具设计工作的特点 （1）针对性强，设计人员必须全面掌握工艺和生产现场的实际情况。 （2）保证加工质量和劳动生产率是加工设计的两项主要任务，而保证加工质量又 是第一位的。 （3）夹紧机构对整个夹具结构起决定性作用。 （4）夹具的制造多属单件生产，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，尽可能地考虑设置修配和调整环节，而不能完全依靠完 全互换的方法保证制造精度。 （5）设计周期短，一般不进行强度、刚度的计算 5.1.4 夹具设计的基本要求夹具设计的基本要求 夹具设计的原则是经济和适用，它可以概括为“好用、好造、好修” ，其中好用是 主要的， 但好用也必须以不脱离生产现场的实际制造和维修水平为前提。 具体要求如下： （1）能保证工件的加工要求 （2）能提高生产率、降低生产成本 （3）操作方便、省力同时保证安全性 （4）便于排屑 （5）有良好的工艺性 所设计的夹具应便于制造、装配、调整和维修等。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 20 5.1.5 机床夹具设计原理机床夹具设计原理 （1）确定工件的定位方）确定工件的定位方案案：工件在夹具中定位就是要确定工件与夹具定位元件的 相对位置，并通过引导元件或对刀装置来保证工件于刀具之间的相对位置，从而满足加 工精度的要求。对单个工件而言，就是使工件准确地占据由定位元件所规定的位置；对 一批工件而言，则是使没一个工件都占据同一个位置。 （2）工件）工件在夹具中在夹具中的定位：的定位：六点定位原理 工件在没有采取定位措施时，它在夹具 中的位置是任意的，即对一个工件来说，其位置是不固定的，对一批工件来说其位置是 变动的。工件空间的这种不确定性可用自由度（或不定度）来描述。把工件看作空间直 角坐标系 OXYZ 中的一个刚体，在没有采取定位措施时，它有六个自由度，即沿 X、Y、Z 轴的移动自由度，和绕这三个轴的转动自由度，要使工件沿某一方向有确定的位移，就 必须设法限制该方向的自由度。 当工件的六个自由度完全被控制后它在空间的位置就完 全确定了。 在实际定位中，定位支承点并不一定就是一个真正的点，也可能是一线段或一小面 积；定位支承点数量及布置需要从定位元件所限制的自由度数目来分析它是几点定位。 轴类零件用圆柱面在长 V 型块上定位，因为 V 型块限制了工件的四个自由度，这时就把 V 型块简化为在圆柱面上的布置的四个定位支承点， 工艺过程第一道工序的 V 型块定位， 如下图 5.1，用 V 型块紧靠住扇板增加定位一个自由度，总共定位 5 个自由度。 图 5.1 粗铣端面夹紧定位示意 （3）工件）工件在夹具中在夹具中定位的定位的几几种定位种定位情况情况 根据夹具上定位元件限制工件自由度的不同， 工件在夹具中的定位， 有以下几种定 位情况： 1）完全完全定位：定位：合理选择并布置定位元件，使工件的六个自由度完全被限制而在夹 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 21 具中占有完全确定的唯一位置，称为完全定位，在实际生产加工过程中很少完全定位工 件 6 个自由度。 2）不完全定位：）不完全定位：没有完全限制工件的六个自由度，但已能满足加工要求的定位， 称为不完全定位。 在生产中有些加工工序， 并不要求工件完全定位， 如图 5-1 所示工序， 只要求部分定位即限制部分自由度。 这里有两种情况： 一种是由于工件的几何形状特点， 限制工件某些方向的自由度没有意义。 因为该自由度存在并不影响一批工件在夹具中位 置的一致性。另一种情况是由于加工特点，工件某些方向的自由度错的存在并不影响加 工要求。 考虑定位方案时，应首先分析必须限制哪些自由度，然后以相应的定位支承点去限 制这些自由度。分析需要限制那些自由度时，首先考虑工件的形状特点。完整的球形， 可不必考虑限制绕三根轴转动的自由度；对光滑的轴、套及盘形零件，则不必考虑限制 绕本身轴心线的转动自由度。然后再根据工序的加工要求确定必须限制的自由度，选择 或设计适当的定位元件对工件进行定位，以保证限制这些自由度。 有时夹具上增设支承点，限制工件余下的自由度是为了承受切削力、夹紧力等的需 要。有时为了安全可靠，在工件前方和侧面也加支承是必要的。 3）欠定位）欠定位 工件实际定位所限制的自由度数目不少于按其加工要求所必须限制的自由度数目， 称为欠定位。 4）过定位）过定位 几个定位支承点重复限制同一自由度，这种重复定位现象叫过定位（重复定位） 。 大多数情况下，应避免过定位，但在一定条件下也是允许的。该条件就是要求工件 定位基准与夹具定位元件都有较高的形状和位置精度。 5.1.6 定位方定位方式式及其及其所用所用的定位的定位元元件件 工件在夹具中定位时， 除了正确运用六点定位原理和合理选择定位基面外， 还要合 理选用定位元件。各类定位元件结构虽然不同，但在设计时应满足以下共同要求：定位 工作面精度要求高。如尺寸精度常为 IT6IT8 级，表面粗糙度 Ra 一般为 0.80.2um； 要有足够的强度和刚度；定位工作表面要有较好的耐磨性，以便长期保持定位精度。一 般定位元件多采用低碳钢渗碳淬火或中碳钢淬火， 淬火硬度为 HRC5862； 结构工艺性要 好，以便于制造、装配、更换和排屑。 工件定位基面的形状通常是平面、外圆柱面、内孔、锥面和成形表面（如渐开线） 。 下面分析各种类型表面的定位方式极其所用的定位元件。 （1）工件以平面定位 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 22 这种情况下所用的定位元件， 根据是否起限制自由度的作用和能否调整可分为以下 几种： 1）主要支承 起限制自由度作用的支承。 固定支承：属于此类的有各种支承钉和支承板。在大中型零件用精确定位时，多采 用支承板。平头支承钉或支承板一般在安装到夹具体上后，需将工件表面最终磨平，以 保证它们在同一平面上， 切与夹具体底面保持必要的位置精度故需在高度尺寸方向上预 留磨量。 可调支承： 即支承位置可在一定范围内调整， 并用螺母锁紧。 当定位基面是成型面、 台阶面等，或各批毛坯的尺寸及形状变化较大时，用这类支承。可调支承一般对一批工 件只调整一次，调整后它的作用相当于一个固定支承。 自位支承（浮动支承） ：在定位过程中自位支承的位置是随着定位基准面的变化而 自动与之相适应。因此尽管每一个自位支承与工件可能不止一点接触，实际上它只能限 制一个自由度，即只起一个定位支承点的作用。在夹具设计中，为使工件支承稳定，或 为避免过定位，常采用自位支承。 2）辅助支承 辅助支承不起定位作用。 辅助支承在形式上与可调支承相似，但他们的作用不同，辅助支承对每一个工件都 需要重新调整，它不起定位作用，必须在工件被放到主要支承上后才参与工作。多用于 增加工件的刚度、夹具的刚度以及工件的预定位。有时也用来承受工件重力、夹紧力或 切削力。 （2） 、工件以外圆柱面定位 工件以外圆柱面定位有支承定位和定心定位两种。 支承定位：有平头支承定位、V 形块定位。 V 形块不仅做定位元件用，有时也做夹紧元件用。钻5 扇板底孔的夹具中，曲轴 零件除以压板和螺栓定位外，曲轴固定在 V 形块上定位，一共限制 6 个自由度。 V 形块的结构尺寸已标准化，其两斜面的夹角一般有 60、90、120三种。 以 90为最常用。V 形块也可以自行设计，根据所需定位的外圆直径来计算，先设定夹 角、V 形块的开口大小 N、和 V 形块的高度 H 只值，再求 V 形块的标准定位高度 T 值。 T 值必须标注，以便加工检验。 尺寸 N：当=90时， N=1.41D-（0.280.32）D=（1.091.13）D； 当=120时，N=2D-（0.480.55）D=（1.451.52）D。 尺寸 H：对于工件为大直径 H0.5D，对于工件为小直径 H1.2D。 尺寸 D 可以计算如下： H ND T+ = 2 cos2 2 sin2 （5.1） 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 23 V 形块用四个内六角头螺钉和两个圆柱销固定在夹具体上。 定心定位：外圆柱面非常容易采用动定心装置，将其轴线确定在要求上的位置上。 如常见的三爪自定心卡盘和弹簧夹便是最普通的实例。 （3）工件以圆孔定位 1）心轴定位 心轴用来定位回转体零件，它的种类很多。 圆柱心轴过盈配合，由于要依靠过盈量产生的加紧力来传递扭矩，心轴定位外圆和 工件内孔常采用 H7/r6 配合。 导向部分与定位孔作间隙配合便于定位孔开始压入心轴时 起正确引导作用。两侧铣扁的传动部分，带有凸肩的起轴向定位作用，可以限制五个自 由度；不带有凸肩的结构，只限制工件的四个自由度，但可同时加工工件的两个端面， 在工件压入时需另外采取措施保证轴向位置。 过盈配合的心轴容易破坏工件的内孔表面 且装卸费时，一般采用几根心轴交替作用。间隙配合的心轴，靠螺母锁紧的磨擦力来抵 抗切削力。工件装卸方便，单必须有凸肩轴向定位，且定心精度较差。以上几类心轴都 用前后顶尖与机床的前后顶尖相连接，有时（特别是短心轴）传动部分也可以做成与机 床主轴锥孔相配合的锥柄，利用锥体连接，实现定心与转动。 锥度心轴 锥度心轴， 将心轴做成小锥度， 可提高定心精度， 又不破坏工件内表面， 为了防止工件在心轴上倾斜， 故用小锥度。 这种心轴定心精度很高， 可达 0.0050.01mm。 但它是靠工件与心轴上一小段配合，由斜锲作用的摩擦力来抵抗切削力，因此切削力不 能太大，只能在精度加工中使用。由于锥度小，工件定位孔的微小变化都会使工件在心 轴上的轴向位置产生很大的变化，因此工件定位孔的精度不能低于 IT7 级。 自动定心装置 工件以圆孔定位易采用自动定心加紧装置， 它可使工件同时定位并 加紧，减少定位和加紧的时间。常用的弹性心轴如弹簧头（涨胎式）心轴，液性塑料心 轴。其特点是定位精度高，工件装卸方便。 2） 定心销 主要用于零件上的中小孔定位， 一般直径不超过 50 mm。 定位销有两类， 一是圆柱形定位销，限制两个自由度（短柱销） ；另一类是菱形销，限制一个自由度。 3）锥销 固定锥销，限制工件三个自由度；活动锥销，限制工件两个自由度；固 定锥销与活动锥销组合定位，限制工件五个自由度。 （4）工件以圆锥孔定位 工件以圆锥孔定位时，最常用的定位方式是用圆锥心轴，限制工件五个自由度。作 为圆锥孔定位的特例是用顶尖定位，固定顶尖限制工件的三个自由度，活动顶尖限制工 件的两个自由度。 （5）组合定位 1）一个平面及其垂直的两个孔的组合 这种定位方式所用的定位元件是一个平面 和两个定位销（为避免过定位，其中一个为削边销） ，俗称“一面两销”定位，是一种 非常典型和常见的定位方式。大批大量生产的流水线、自动线上所用的夹具广泛采用这 种定位方式。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 24 2）一个平面及其垂直的孔的组合 这种情况大多用于带台阶的心轴定位，即一个 定位销和一个与它垂直的环行平面的组合。为了避免过定位，用长销小平面或短销大平 面的方案。如果工件的孔和端面不垂直度，则要用球面垫圈，以保证长销和大端面的接 触。如果工件的孔和端面的垂直度很好，夹具上定位销和环行平面垂直度很好，则可以 允许用长销大平面，这时的过定位对加工精度无影响。 5.1.7 定位误差分析定位误差分析 在机械加工中产生误差的因素可归纳为以下两类：一类与所有夹具有关的误差，包 括工件在夹具中定位误差、夹紧误差、夹具在机床上的安装误差、夹具的几何误差及刀 具调整误差；另一类是加工过程误差，如加工误差、工艺系统受力变形等。这些误差引 起的被加工工件在加工尺寸上的误差总和，若在工件公差允许范围内，即为合格，用公 式表示为： () dwjq T K=+VVV 总 （5.2） 式中： V 总加工总误差 dw V 定位误差 jq V 除定位误差外，与夹具有关的其他误差； 加工过程误差 T（K）工件误差 在夹具设计时，一般取 dw V =NT（K） 1/3N1/5 （5.3） 5.1.8 定位误差的分析计算定位误差的分析计算 （1）工件以）工件以平平面定位：面定位：工件以平面定位时可能产生的定位误差，主要是由基准不 重合引起的。至于基准位移误差，在工件以单一平面定位时，只是表面的平面度误差。 当以加工过的平面定位时， 一般不予考虑。 当工件以平面定位必须考虑基准位移误差时， 可参考有关资料。 基准不重合的计算是根据具体定位方案找出定位尺寸， 定位尺寸的公差就是基准不 重合误差。有时定位尺寸无法直接得到需用尺寸链原理来求解。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 25 （2）工件以圆孔定位）工件以圆孔定位 1）基准位置误差计算）基准位置误差