（机械制造及其自动化专业论文）曲轴加工工艺及曲轴内铣技术的研究.pdf

摘要 摘要 、 近年来，随汽车工业的蓬勃发展，国内对汽车用柴油机、汽油机的需求量不断上升， 对其质量的要求也不断提高。曲轴是柴油、汽油发动机中的一个关键零件，起着传递动 力的作用，工作中承受复杂的交变载荷，主要失效形式是圆角处的疲劳断裂，曲轴的质 量直接影响发动机的动力性能，也影响整机的使用寿命。 曲轴内铣技术是一种先进的曲轴加工技术，用于主轴颈、连杆轴颈的粗加工，亦可 同时用于圆角和曲柄臂侧面的加工。对于汽车发动机用锻钢曲轴，内铣加工容易断屑， 加工余量大，对毛坯质量要求低，比较适应国内曲轴毛坯的生产现状，被多家发动机生 产厂所采用。 有限元法随着计算机技术的发展，已经在很多工程领域中得到了广泛的运用。发动 机零部件的研发、设计也大量使用有限元方法进行分析，这使零部件的可靠性得到了提 高，设计周期得到了缩短，给设计者带来很大方便。 本文以z j 2 5 型曲轴为研究对象，对其加工工艺进行了分析，并着重对打中心孔、 磨削、强化等工序进行了研究，找出了工艺中存在的一些问题，做出了工艺水平评价。 文章还对曲轴内铣技术做了重点研究，将内铣工艺与其它曲轴轴颈粗加工工艺进行 了比较分析，对内铣加工原理、内铣加工设备进行了研究，还对曲轴连杆轴颈及圆角处 进行了受力分析，发现了经内铣加工后轴颈圆角处存在的应力集中问题。 针对z j 2 5 型曲轴的连杆轴颈，设计了三种不同形状、尺寸的圆角，并建立了三种 连杆轴颈的几何模型，在a n s y s 软件中对其划分网格，施加约束条件及载荷，求解。 对计算结果进行分析，找出了最适合内铣加工工艺，最大应力较小的一种圆角设计方案， 提高了内铣加工质量，改善了圆角应力集中现象。 关键词：曲轴；内铣；有限元法 大连交通大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r yr e c e n t l y ，t h en a t i v ed e m a n d so fd i e s e l e n g i n ea n dg a s o l i n ee n g i n ea r er i s i n gc o n s t a n t l yw h i l et h eq u a l i t yr e q u i r e m e n t sa r ec o n t i n u o u s l y h e i g h t e n e d c r a n k s h a f tw h i c ha c t s 懿ap o w e r - t r a n s f e rm e d i u mi st h ek e yc o m p o n e n to fd i e s e l e n g i n ea n dg a s o l i n ee n g i n ea n di te n d u r e sc o m p l e x i t ya l t e r n a t i n g 1 0 a d t h em a i nf a i l u r em o d ei s t h ef a t i g u ef r a c t m ei nf i l l e t s t h eq n a u t yo fc r a n k s h a f td i r e c t l ya f f e c t st h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e a n dt h es e r v i c el i f eo f e n g i n e t h ei n n e rm i l l j n go fc r a n k s h a f t 嬲趾a d v a n c e dt e c h n o l o g yi sn o to n l ya p p l i e dt ot h er o u g h m a c h i n i n go ft h em a i nj o u r n a la n dm dj o u r n a l ，b u ta l s ou s e di nt h em a c h t m n go ft h em i l l i n gf i u e t s a n dt h ec r a n ka r ms i d e t h ei n n e rm i l l i n g , w h i c hi su s e dt of o r g es t e e le r a n k s h a i ti na u t o m o b i l e e n g i n e ，h a sb e e na d a p t e dt ot h ed o m e s t i cc l a i l k s h r f tb l a n kp r o d u c t i o ns t a t u sa n du s e db ym a n y e n g i n ef a c t o r i e s ，b e c a u s eo fi t se a s yb r o k e nc h i p ，l a r g em a c h i n i n gr e d u n d a n c ya n dl o wr e q u i r e m e n t o fq u a l i t yr o u g h c a s t a l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) h a s b e e nw i d e l ya p p l i e di nm a n ye n 咖e e r i n gf i e l d s i th a s a l s ob e e na p p l i e dt ot h ed e s i g n i n ga n d d e v e l o p i n go fa u t o m o b i l ee n g i n ea c c e s s o r y f e mb r i n g sal o to fc o n v e n i e n c et ot h ed e s i g n e r s ， b e c a u s ei ti m p r o v e st h er e l i a b i l i t yo fa c c e s s o r ya n ds h o r t e n st h ed e s i g nc y c l e t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fc r a n k s h a f tz j 2 5 ，e s p e c i a l l yt h ew o r k i n g p r o c e d u r e so fd r i m n gt h ec e n t r a lh o l e ，鲥锄i n ga n ds t l e n g t h e n j n g s o m ep r o b l e m si np r o c e s s i n g h a v eb o o nf o u n do u t a u da ne v a l u a d o nf o rp r o c e s s i n g - t 舭i m i c a ll e v e lh a sb e e nm a d e t h i sa r t i c l ea l s oe m p h a t i c a l l ys t u d i e st h et e c h n o l o g yo ft h ei n n e rm i n i n go fc r a n k s h a f t b y m e a n so f c o m p a r i n gt h ei n n e rm 讧h n gp r o c e s s i n gw i t ht h eo t h e rr o u g hm 粼牺n i 咀gp r o c e s s i n gf o rt h e c r a n k s h a f tj o u r n a l ，t h ei n n e rm i l l i n gm a c h i n i n gp r i n c i p l ea n dm a c h i n i n ge q u i p m e n ta r es t u d i e d t h r o u g ht h ef o r c ea n a l y s i so ff i l l e t sa n dr o dj o u r n a l ，t h es t r e s sc o n c e n t r a t i o np r o b l e mo ft h ej o u r n a l f i l l e t sa f t e rt h ei n n e rm i l l i n ga r ef o u n do u t t h r e ek i n d so ff i l l e t sw i t hd i f f e r e n ts h a p eo rs i z ef o rt h er o dj o u r n a lo fz j 2 5c r a n k s h a f th a v e b e e nd e s i g n e d i te s t a b l i s h e st h r e ek i n d so fg e o m e t r i cm o d e l sf o rt h er o dj o u r n a l ，m e s h i n ga n d d e f i n i n gt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n da p p l y i n gs l i c s s ，a n ds o l v i n gw i t ht h ea n s y ss o f t w a r e b y a n a l y z i n gt h er e s u l t s ，af i l l e t sd e s i g ns c h e m ew i t ht h em o s ts u i t a b l ei n n e rm i l l i n gp r o c e s s i n g t e c h n o l o g ya n dt h el e s sm a x i n m l ms t r e s si so b t a i n e d i ti n c r e a s e st h ep r o c e s s i n gq u a l i 锣o fi n n e r m i l l i n ga n di m p r o v e st h es t r e s sc o n c e n t r a t i o no ff i l l e t s k e yw o r d s ：c m n k m m f t ；i i l i b e rm i l l i n g ：f e m n 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太重塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：1 日期：w 。g 年i 月 1 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 导师签名：彩 d 日期： 2 护罗年p 月日 电话： 邮编： 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：t 习 日期： 护年1 月叫日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 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。因此，市场上对乘用车、商用车的的需求量不断提 高，这给汽车行业的迅速发展提供了一个良好的机遇。但是，在我们一味的扩大生产规 模、提高产量的同时，还应清楚的意识到，汽车的动力性、安全性和排放性能等方面， 我们与欧、美、日等发达国家的先进水平相比还存在着很大的差距。这种差距的一个重 要根源，便是汽车各零部件，尤其是核心零部件的加工质量差。立足于此点，本文将以 汽车发动机中的重要零件曲轴为对象，深入研究其加工工艺及设备【l 】。 1 2 课题研究的背景和意义 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。 汽车工业作为制造业的一个重要组成部分，进入2 l 世纪以来，在我国宏观经济持 续发展的大好形势带动下，也进入了快速发展时期。国家相应对汽车工业加大了投资力 度，用于购买设备和技术改造，使我国汽车的生产量连年大幅度提高，并逐渐诞生了许 多拥有自主知识产权的汽车品牌。另外，国内市场对乘用车、商用车的需求持续增长， 也是推进汽车行业发展的强大动力。但与发达国家相比，我们在汽车制造的诸多关键技 术上还存在很大差距，因此学习、运用先进的制造技术来提高汽车质量和产量，成为保 障汽车行业持续健康发展的关键。 发动机作为汽车的心脏，其质量的优劣是衡量汽车性能的重要标准。我国各汽车制 造商也十分重视发动机的研发和制造，各汽油机、柴油机制造厂已掌握了较先进的技术， 具备一定的生产能力。 发动机中的零件很多，其加工质量和装配精度都要求很高。曲轴( 如图1 1 ) 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、n i 精度、表面质量、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( 缸体、缸盖、曲轴、连杆、凸轮轴) 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 大连交通大学工学硕士学位论文 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1 2 - 4 。 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p j 。 图1 1 曲轴零件图 f 培1lc o m p o n e n t o f c r a n k s h a h 图中，a 小端；b 连杆颈；c 主轴颈；d 曲柄臂；e 法兰。 1 3 国内外曲轴加工工艺现状及发展趋势 汽油机、柴油机曲轴一般采用锻造毛坯，主要加工部位是主轴颈、连杆轴颈、大小 端轴颈、法兰螺孔以及曲柄臂侧砸、斜油孔等。机加工时多以质量中心孔定位，粗加工 采用车削、铣削等方法，精加工采用数控磨削工艺，使用抛光、氮化等工艺处理表面， 枪钻斜油孔，动平衡检测去重，有条件的厂家还使用圆角滚压等强化工艺。生产线基本 上是由数控机床和专用机床组成的，这确保了加工质量和生产节拍【6 j 。 在曲轴的加工工艺中，曲轴的主轴颈、连抒颈及盐柄臂侧面的加工是整个工艺中占 用工序最长的，其传统的粗加工方法是在主轴颈车床、连杆颈车床上，用偏心卡具夹紧 工件，分别加工曲轴的主轴颈、连杆颈及扇板面( 目前国内仍有部分厂家使用) 。这种 方法加工时变形大、容易产生较大的内部应力、刀具磨损快、节拍时间长、精度低，对 第章绪论 精加工质量的影响很大。因此，自2 0 世纪7 0 8 0 年代以来世界各国相继研制出了曲轴 的c n c 车削、c n c 外铣、c n c 内铣、曲轴车一车拉等先进的加工工艺方法及加工设备。 这些加工方法不同程度韵提高了曲轴租加工的质量，并各自有不同的适用范围。如，c n c 车削和c n c 外铣加工都采用了数控技术，可提高曲轴的加工精度，c h c 外铣还采用了多 刀盘同时加工，可大大挺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。c n c 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，内铣加工机床如图12 。曲轴车一车拉工艺可在一次 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【7 州。 图1 2 曲轴内铣加工机床 f i g i 2 c r a n k s h 啦m a c h i n e t o o l f o r i r m e r m i l l i n g 就我国目前的实际情况，曲轴的铣削工艺非常适合我国目前的毛坯质量和生产要 求，因此国内一些机床生产厂，如沈阳第一机床厂已研制出了曲轴内铣机床，其加工质 量也己接近国井先进水平。未来数控曲轴铣床的设计和制造技术的发展趋势主要表现在 以下几个方面 i o - 1 2 1 ： ( 1 ) 多品种的发展方向。汽车行业的快速发展，对曲轴的设计制造及加工工艺都不 断提出新的要求，这样就不可能用单一品种的设备来满足曲轴加工工艺条件的要求，所 以多品种发展我国曲轴加工机床的方向是正确的。 大连交通大学t 学硕+ 学位论文 ( 2 ) 设计制造的多方位发展。目前，我国的曲轴加工设备还处于起步阶段，除了专 业机床制造厂以外，用户单位，一些研究机构，都在从事该方面的技术研究工作，尤其 是用户单位，在曲轴加工方面积累了丰富的经验，而且接触国际先进水平较多，这样就 为该类机床的开发研制提供了较好的技术保障。 ( 3 ) 理论研究与技术开发的高水平发展。近年来，随着我国机床行业整体技术水平 的提高，机床机械理论、电气理论等方面都有了长足进步，这些理论指导着技术开发也 取得了较好的成果。例如：机构运动理论、节能理论、平衡理论、运动特性、动力特性 分析理论等，都对发展曲轴加工设备起到了指导作用。 1 4 有限元方法在发动机零件设计中的应用 有限元理论经半个多实际的发展已成为一项较成熟的理论，随着计算机科学的发 展，有限元方法更加广泛的应用到了包括汽车发动机在内的几乎所有工程领域中，它为 新产品的研制、开发及工程设计提供了一个强大的计算工具。各软件公司加大对有限元 软件的开发，使其功能更加强大、使用起来更加方便，推动了有限元技术在工业产品设 计中的普及，使其发挥了越来越重要的作用。汽车发动机零部件的设计也是有限元技术 最早的应用领域之一。使用有限元技术，可缩短零部件设计周期，提高汽车发动机零部 件及整机的可靠性，降低设计成本，从而大大推动了汽车发动机工业的发展。目前，有 限元技术已不局限于对发动机零部件的设计，已经运用到整机设计及整机工作性能的分 析当中。随着计算机软硬件水平的提高，汽车发动机零部件有限元技术一定还会取得很 多更新的进展。 虽然有限元技术在发动机设计中取得了较大进展，但在实际应用中还是存在很多问 题。主要表现在：发动机零件的几何形状大都很复杂，对于有些零件在几何建模上还存 在困难：对于某些特定类型的单元，为了提高计算精度而需要提高网格密度，这也提高 了对计算机硬件的要求，普通计算机难以满足；发动机零部件的工作状态一般都比较复 杂，因此难以全面准确地确定边界条件；现代发动机零部件采用了许多新型材料，对这 些材料在不同条件下的力学特性研究还不够，也给有限元分析带来很大困难。但相信随 着计算机、材料等相关领域的发展，上述问题都会得到相应的解决，这也会促进有限元 技术自身更加完善【1 3 - 1 s 。 1 5 论文的主要研究方法及工作内容 研究零件的加工工艺及相关设备，需要采取理论联系实际的办法。作者通过阅读大 量的文献资料及相关书籍奠定的研究的理论基础，并通过多次、多地的现场调研，确立 4 第一章绪论 了以某柴油机厂生产的z j 2 5 型曲轴为研究对象，分析了其加工工艺，并对加工中的关 键工序进行了深入研究。论文还利用有限元的方法分析了曲轴连杆颈圆角应力情况，根 据应力集中理论的思想，对连杆颈圆角做了重新设计了，通过改变内铣刀片在刀盘的布 置和安装角度，可以实现对此种圆角的的加工，改善圆角处的应力集中。 本论文的主要工作包括： ( 1 ) 分析了z j 2 5 型柴油机曲轴的工艺内容及设备，重点对打中心孔，轴颈粗加工， 轴颈磨削精加工，圆角、表面强化，表面光整，曲轴检测等工序深入分析。还对整体工 艺水平进行了评价，对原工艺进行了改进。 ( 2 ) 对几种曲轴粗加工工艺经行了比较分析。深入研究了曲轴内铣加工技术，对其 加工原理、使用设备以及工艺都进行了重点分析。分析了曲轴的工作状态及受力情况， 对z j 2 5 型曲轴圆角部分的受力经行了重点研究。 ( 3 ) 对有限元原理、有限元分析方法经行了学习和研究，学习并掌握了a n s y s 软 件的使用方法。对应力集中理论进行了研究，探索了降低应力集中的办法。 ( 4 ) 设计出两种改进后的圆角几何形状。分别对三种圆角建立曲轴连杆颈部分有限 元分析的几何模型。对其划分网格，设置材料属性、单元类型及边界条件，施加载荷、 求解。对计算结果进行分析，计算了三种圆角的应力集中系数，并结合曲轴内铣加工的 原理及设备，选择最为可行的圆角改进方案。针对加iz j 2 5 型曲轴使用的内铣机床， 改变了内铣刀片在刀盘的布置和安装角度，制定出可行的刀具设计方案。 本章小结 曲轴是发动机中传递动力的重要零件。国内对曲轴的质量和生产效率的要求不断提 高，与国外相比在曲轴加工的关键工艺上还有较大差距。对z j 2 5 曲轴加工工艺进行了 分析，并深入研究了内铣加工工艺，发现了工艺中的一些不足，利用理论分析结合实际 调研的方法提出了改进的工艺方案，为提高曲轴的加工质量提供了参考。 国外曲轴的加工技术发展很快，出现了很多先进的加工工艺。铣削工艺尤其是内铣 工艺非常适合我国的生产现状，未来将有很大的发展。有限元方法将在工程领域得到更 广泛的应用，为机械零部件设计提供更大的帮助。 本章还阐述了论文的主要研究内容。 5 大连交通大学丁学硕+ 学位论文 第二章z j 2 5 型柴油机曲轴工艺分析 2 1z j 2 5 型曲轴材料及工艺流程 某柴油机厂生产的z j 2 5 型曲轴是柴油机用锻钢曲轴，材料为4 2 c r m o 。这种材料是 一种性能比较优良的亚共析中碳低合金钢，常常应用于比较重要的较大截面的零件，如 齿轮、轴类零件等，其淬透性好，淬火变形较小，还可采用渗氮工艺提高表面强度。但 4 2 c r m o 韧性较高，加工时比较粘刀，不易断屑，毛刺较多【l 6 ，1 7 j 。 z j 2 5 型曲轴采用锻造毛坯，生产纲领为1 万件年，其基本工艺流程为： 图2 1z j 2 5 曲轴工艺流程图 f i g 2 1f l o wc h a r to fz j 2 5p r o c e s s i n g 2 2z j 2 5 型曲轴工序内容及设备 z j 2 5 型柴油机曲轴的的工序内容及使用的设备见表2 1 表2 1z j 2 5 曲轴工序内容及设备 t a b l e2 1p r o c e s sc o n t e n t sa n de q u i p m e n to fc r a n k s h a f tz j 2 5 序工序设备 号号 工序名称 工序内容 型号名称 11 0 粗铣两端面 粗铣两端面 z b t 8 2 6 1 卧式双面铣床 2 2 0 精铣两端面精铣两端面 s 3 x 5 0 21 卧式双面铣床 6 第二章z j 2 5 型柴油机曲轴t 艺分析 33 0 打质量中心孔钻两端质量中心孔 s m 0 0 2 质量定心机 租车大端外圆、侧面、巾1 2 0 44 0 粗车大端轴颈c w 6 1 6 3 普通车床 台阶外圆及倒角 55 0 粗车七主轴轴颈粗车小端外圆及侧面c w 6 1 6 3 普通乍床 粗车一主轴和小粗车一主轴侧面、外圆和小 66 0 c w 6 1 6 3 普通车床 端外圆端轴颈外圆 数控车大端油封轴颈和齿轮 77 0 数控车大端外圆v 3 6数控车床 轴颈 数控车一、七轴 数控车一、七轴轴颈、圆角 88 0v 3 6 数控车床 和小端外圆 和小端外圆 99 0 铣定位面铣第一曲柄臂定位面x 1 5 3 2 单柱卧式铣床 内铣2 6 主轴颈 1 01 0 0 铣轴颈、圆角及侧面 g p 1 2 4 0 f 2 3 内铣机床 和全部连杆轴颈 1 11 1 0 时效 热时效处理 1 21 2 0 粗磨主轴颈粗磨各轴颈、圆角及侧面m 1 3 5 0 外圆磨床 钻大端中心孔、半精车大端 1 31 3 0 钻大端中心孔c a 6 1 4 0 普通车床 油封轴颈外圆 半精车小端外圆 1 41 4 0和刀检第四、五 半精车小端外圆和刀检第 四、五曲柄臂 c 6 3 0 普通车床 曲柄臂 钻、扩、铰大端飞轮定位销 1 51 5 0 钻大端定位销孔j s 2 7 4 定位销孔专机 孔 粗磨各连杆轴颈、圆角及侧 1 61 6 0 粗磨连杆轴颈 m q 8 2 6 0 外圆磨床 面 m s - u 0 2 8 、 油孔专机 1 71 7 0 钻油孔钻巾7 直油孔和由6 斜油孔 d k x 0 0 5 、 摇臂钻床 z 3 0 5 0 直油孔和斜油孔喷砂去除油 1 81 7 5 油孔喷砂 y b p s 0 0 1 油孔喷砂机 孔内腔毛刺 半精车大端齿轮轴颈和止推 1 91 8 0 车大端台阶c 6 2 0 普通车床 面台阶 半精磨2 - 6 主轴颈、圆角及侧 2 01 9 0 半精磨2 - 6 主轴 h 1 7 3 数控外圆磨床 面 半精磨一、七轴颈、圆角及 2 12 0 0半精磨一、七轴m 1 3 5 0 外圆磨床 侧面 2 22 1 0精磨小端轴颈 精磨小端皮带轮轴颈 h 1 7 6 数控外圆磨床 7 大连交通人学丁学硕十学位论文 2 32 2 0 精磨大端轴颈精磨人端齿轮、油封轴颈 h 1 7 7 数控外圆磨床 精磨各连杆轴颈、圆角及侧 2 42 3 0 精磨连杆轴颈5 s e 、g v l 0 0 c数控外圆磨床 面 精磨一、七主轴颈、圆角及t o y o d a 2 52 4 0 精磨一、七轴数控外圆磨床 侧面 g l l 0 0 m t t o y o d a 2 62 5 0 精磨2 石主轴颈精磨2 - 6 主轴颈、圆角及侧面数控外圆磨床 g l 7 p 2 72 6 0 稻个曲瑞回 梢 t - - 阴骊圆及1 剑角c 6 2 0 普通车床 2 82 6 5 油孔倒角油孔倒角 z 1 3 q 0 0 5 风动砂轮机 2 92 7 0 氮化前抛光全部轴颈、圆角抛光 t f 9 3 0 0 a 砂带精研机 3 02 8 0中间清洗 3 1 2 9 0 氮化 s m t c e w 3 23 0 0 探伤轴颈表面探伤曲轴磁粉探伤机 4 0 0 0 a 3 33 1 0 钻双端面螺纹孔钻、铰、攻丝两端面螺纹孔 y n c 0 2 7 双端面加工中心 钻大端齿轮定位 3 43 1 5 钻大端齿轮巾5 定位销孔 d u 2 9 8 3 专机 销孔 3 53 2 0油孔抛光全部油孔抛光 d c q r i c 电磁圈加热器 q b 2 a 曲轴专用动平衡 3 63 3 0动平衡不平衡量检测及去重平衡f r k 0 0 4 1 s c h e n c k 机床 3 73 3 5 清理去毛刺清理表面和去重孔内毛刺 主轴和连杆轴轴颈、圆角、 3 83 4 0 轴颈抛光 t f 9 3 0 0 a 砂带精研机 侧面抛光及油封轴颈抛光 止推轴侧面和小端皮带轮外 3 93 5 0 止推轴颈抛光 t f 2 3 0 0 a i i 砂带精研机 圆抛光 4 03 6 0入库防锈和防护处理后入库 2 3z j 2 5 型曲轴关键工艺分析 2 3 1 打中心孔工艺 该厂z j 2 5 型曲轴打中心孔工艺，是利用s m - 0 0 2 质量定心机定出曲轴的质量中心， 然后打质量中心孔的方法。此方法是目前国际上比较先进的一种打中心孔工艺，但由于 设备造价较高，在国内使用较少。 8 第二章z j 2 5 型柴油机曲轴t 艺分析 曲轴属于细长型零件，两端的中心孔是加工过程中的主要定位基准，按照加工方法 可分为几何定心法和质量定心法两种。 几何定心法是以两端主轴颈外圆为径向粗基准，利用双v 形块定位，再以中心轴颈 两侧的曲柄臂斜面为轴向粗基准定位，找出曲轴中心，加工出中心孔。 几何中心孔加工方法简单，购置设备费用低，较适合国内部分中小企业采用，以降 低成本。但由于曲轴毛坯几何形状误差大，及质量分配不均等原因，会使几何轴线偏离 质量轴心线。这样在利用几何中心孔定位进行车削和磨削加工时，工件旋转会产生较大 的离心力，影响加工质量，降低定心元件的使用寿命，加工后剩余较大的动不平衡量， 在后续的动平衡去重工序中，需要多次检测、去重才能达到要求，影响了生产节拍，降 低效率，部分零件还会因无法去重达到动平衡要求而报废。 质量定心法是利用专门的质量定心机，对曲轴毛坯进行动平衡试验，找出质量中心 线，在此中心上加工出中心孔。利用此中心孔定位，可大大降低曲轴在车、磨工序中的 转动惯量，提高加工精度，缩短动平衡去重工序的工时，降低废品率。另外，可将铣两 端面和加工质量中心孔合并为一道工序，用c n c 技术控制，可提高加工效率。 比较两种打中心孔工艺，在零件毛坯质量较差时，综合考虑对车、磨加工质量，机 床使用寿命的影响，以及对动平衡工时影响等因素，质量定心法要大大优于几何定心法。 但在毛坯质量好，加工余量较小时，几何中心孔与质量中心孔基本重合，采用几何定心 法更为简便，投资成本也降低很多。 2 3 2 轴颈粗加工工艺 曲轴轴颈粗加工包括对主轴颈、连杆轴颈、止推面、轴肩、沉割槽、曲柄臂侧面等 的加工。z j 2 5 型曲轴的粗加工工序，采用日本小松公司生产的g p m 2 4 0 内铣专用机床， 一次将工件各部位加工完，加工质量稳定，生产效率较高。 曲轴轴颈的粗加工工艺有车削、内铣、外铣、车拉( 车车拉) 等。依造价、加工质 量、加工范围等因素各自有一定优势，具体的加工原理、设备及加工质量，将在下一章 中做详细介绍。 2 3 3 轴颈精加工工艺 z j 2 5 型曲轴轴颈的精加工主要以磨削工艺实现，采用主轴颈和连杆轴颈分开磨削的 方法。粗磨主轴颈工序采用普通外圆磨床m 1 3 5 0 ，单砂轮顺次磨削各主轴颈外圆及圆角， 砂轮进给为手动进给，砂轮修整亦为人工手动修整，加工效率低，加工质量依赖于工人 技术水平。粗磨连杆轴颈工序采用普通外圆磨床m q 8 2 6 0 ，偏心夹具装夹，单砂轮磨削， 一次装夹可加工同相位角的连杆颈，相位角精度和生产组织较好，生产效率较高。半精 9 大连交通大学t 学硕十学位论文 磨主轴颈采用数控外圆磨床h 1 7 3 ，磨削精度高，加工质量稳定，但若适当提高粗磨工 序精度，可省去半精磨工序。精磨连杆轴颈工序采用进口连杆颈数控外圆磨床g v l 0 0 c ， 精磨主轴颈工序采用丰田工机的主轴颈数控外圆磨床g l 7 p ，加工效率高，尺寸精度、 表面粗糙度均可达到要求。连杆颈磨削工序图见图2 2 。 此生产线所采用的曲轴磨削工艺及设备，基本可满足目前的生产纲领，达到质量要 求。但与国内外先进的生产工艺相比，还存在较大差距。 己舌 uj 0 10 0 1 i o vo r0n 卜 6 44 0 一 卜c 3 - 5 j - h n c _ 、j 团g 日 一 - 一 ， _ l _ 一 l、i i _ l 甲甲芦 ) _ - j 一 上t fii _ ， 、 ， 1j i i -= - 一 i 1 0 0 5 ia一e z = d + 2 e ) ，偏心距e 可以靠机床铣头上的另一个偏心机构作一定量的调整。因此，对 于一定直径铣刀盘，只能加工出一定直径范围的曲轴轴颈。b o c n g 盯内铣机床的结构 如图3 8 所示。 大连交通大学t 学硕十学位论文 图3 8b o e h r i n g e r 内铣机床结构图 f i g 3 8d i a g r a mo fi n n e rm i l l i n gs t r u c t u r eo fb o e h r i n g e r 图中，1 旋转进给驱动装置；2 偏心齿环；3 大摇臂；4 罩；5 一 一小摇臂；6 主驱动轮；7 _ x 轴；8 交换齿轮：9 十字滑台；1 卜 内铣刀。 3 2 3 不同原理内铣机床分析对比 上节所述四种曲轴内铣机床，都是利用内铣刀盘包络的方法加工曲轴轴颈的，但因 其原理上的不同，在加工精度、易操作性、机床造价等方面存在一定差异。 加工精度方面，德国h e l l e r 的r f k 曲轴内铣床和日本小松的g p m 曲轴内铣床最好， 因其铣刀盘包络轨迹更为精确；德国b o e h r i n g e r 的曲轴内铣床，其刀盘轨迹由机械结构 保证，加工精度依赖于机床零部件及装配精度，因此加工精度较低：沈阳机床厂的 s 1 3 0 5 c 曲轴内铣床，因两垂直轴插补控制系统性能较低，加之床体本身原因，加工精 度亦较低。 第四章有限元法及应力集中理论 易操作性方面沈阳厂s 1 3 0 5 c 机床最佳，其程序编制相对简便，该厂亦可提供较为 全面、专业的技术服务；德国b o e e d n g e r 的内铣床因其控制系统并不复杂，机械部件性 能稳定，操作和保养也比较方便；德国h e l l e r 的r f k 机床和日本g p m 机床都配备了档 次很高的数控系统，程序编制也更为复杂，因此在更换新型号曲轴时，需要国外厂家帮 助编制数控程序，对技术支持的依赖性很强。 造价方面德国h e l l e r 的r f k 机床和日本小松的g p m 机床最高，德国b o e h f i n g e r 内铣床次之，沈阳厂s 1 3 0 5 c 机床价格最低廉。 3 3 曲轴轴颈圆角部位应力集中问题研究 曲轴的主轴颈与曲柄臂之间，以及连杆轴颈与曲柄臂之间，都需加工出一定形状、 尺寸的过渡圆角。这个圆角有利于改善曲轴在轴肩处的应力集中现象，可提高曲轴整体 疲劳强度，延长使用寿命，保证曲轴的正常工作。 国内外各曲轴生产厂采取了不同的工艺加工轴颈部分的过渡圆角，本节将针对经内 铣加工后的曲轴零件，以z j 2 5 型曲轴为例，对圆角部分的应力情况进行分析。 3 3 1 曲轴连杆轴颈的受力情况分析 为了更好的研究轴颈圆角处的应力集中问题，首先对曲轴在工作中的受力情况进行 分析。 由于连杆轴颈到曲柄最上端的距离通常较小，如z j 2 5 型曲轴只有1 0 m m ，因此连 杆颈处的圆角半径大小受到限制，不能随意加大。从他人的一些研究中可以得到结论， 增大轴颈与曲柄臂之间的过渡圆角半径，可使此处最大平均应力减小。而主轴颈与曲柄 臂端面距离较大，设计时可适当增大圆角半径，以减小平均应力。因此，首先针对连杆 轴颈及连杆轴颈圆角进行受力分析，并在后面的章节中对连杆轴颈圆角的应力情况做有 限元分析，此分析结果亦可应用于主轴颈圆角。 发动机在工作过程中，曲轴、连杆、活塞组成了曲柄滑块机构，大多数发动机都采 用中心式曲柄滑块机构，即气缸的轴线通过曲轴的轴线，因此本节针对中心式曲柄滑块 机构进行分析，其机构简图如图3 9 所示。 大连交通火学丁学硕十学位论文 图3 9 中心曲柄滑块机构简图 f i g 3 9d i a g r a mo fc e n t r a lc r a n ka n d c o n n e c t i n gr o dm e c h a n i s m 其中，o 点为曲轴主轴颈中心，b 点为连杆颈中心，o b 长度为两中心的中心距r ， o b 作为曲柄以o 点为中心做旋转运动；a 点为活塞销中心，在气缸内做往复直线运动； a b 为连杆，作平面复合运动，长度为连杆两孔中心距l 。 a 为曲柄转角，从气缸轴线顺着曲柄转动方向度量。当活塞位于气缸上止点，气缸、 连杆、曲柄的轴线共线，此时a o 距离最长，o = 0 。，对应点为a ，和b 。；当活塞位于气 缸下止点，气缸、连杆、曲柄的轴线共线，此时a o 距离最短，a = 1 8 0 。，对应点为a ： 和b ：。 b 为气缸轴线与连杆轴线的夹角，从气缸轴线转到连杆轴线，逆时针时为正，反之 为负，将此角称为连杆摆动角。 曲轴连杆颈在工作时可近似看成做匀速圆周运动，受到的动力和阻力大致平衡。主 动力方面气缸内气压力，和各运动部件运动时产生的惯性力，通过连杆传递作用在曲轴 颈表面：阻力方面包括运动产生的摩擦阻力，和发动机上的负载阻力。摩擦阻力数值较 小，可忽略不计；负载阻力将与动力平衡，这里不予计算。因此，只考虑曲轴在启动加 速时受到的主动力作用，进行受力分析。 第四章有限元法及应力集中理论 气缸内的气体对活塞的压力f 。是主动力的主要来源，沿连杆方向用在轴颈上，f 。 的大小随活塞的形成而周期性变化，任意时刻作用在活塞上的气体总压力可表示为： f a _ ( p 。- p o ) s 。( 3 1 ) 其中，p 。气缸内的绝对压力； p o 大气压力； s 。活塞顶面面积。 活塞组件的惯性力沿连杆方向的分力f h ，与曲柄转角a ，曲柄半径与连杆长度之比 r l 存在函数关系。 连杆大头组件简化到曲轴上的离心力为： f i - - - m i r o o z( 3 2 ) m l 连杆组件简化到大头孔中心的质量 曲轴旋转产生的离心力为： f 2 - - m 2 r c o z( 3 3 ) m 2 曲轴质量简化到连杆颈中心的质量 曲轴连杆轴颈的受力，可最终合称为沿连杆方向的力f l 和沿曲柄方向的力f o ，如 图3 1 0 所示。 ，。 j l j ； o 大连交通火学工学硕+ 学位论文 f l = f h + f c o s p( 3 4 ) f q _ f l + f 2 = ( m l + m 2 ) r c o z( 3 5 ) 3 3 2 曲轴连杆轴颈圆角的受力分析 为研究方便，选择同时经过主轴颈中心线和连杆轴颈中心线的截面，将曲轴连杆颈 剖开，在此截面中分析圆角的受力情况。将力f l 和f o 向该截面投影，得到分力f l l 和 f q , ，则连杆轴颈受的合力为f 合= f l l + f q l ，受力分析如图3 1 1 。 f q l 、 么 f 3 图3 1l 连杆轴颈受力投影图 f i g 3 11p r o j e c t i o no f f r e eb o d yd i a g r a mo f r o d j o u r n a l 发动机在工作过程中力f l 和f q 的大小和方向都在不断变化，因此f 合的方向亦可 向上，亦可向下。为简便起见，假设对发火的气缸，当活塞处于上止点位置时作用在连 杆轴颈的合力f 合达到最大值，则此时连杆轴颈及圆角的受力图如图3 1 2 。 图3 1 2 连杆轴颈及圆角受力图 f i g 3 1 2f r e eb o d yd i a g r a mo f r o d j o u r n a la n df i l l e t 第四章有限元法及应力集中理论 由图可知，连杆颈在此截面中受到向下的均布载荷，此时截面上端的圆角部分承受 拉应力，下端圆角部分承受压应力。而相同应力值的情况下，拉应力更易使材料产生裂 纹，致使曲轴失效，因此上端圆角为最危险的一个截面部分。 3 3 3 内铣工艺加工曲轴圆角的问题 采用内铣方法加工曲轴时，在内铣刀盘上都会装夹一种类型的刀片，专门用于a n t 轴颈与曲柄臂之间的过渡圆角部分，如图3 1 3 所示为g p m 曲轴内铣机床的刀具布置图， 刀片2 就是用于加工曲轴圆角的，刀片1 加工曲柄臂侧面，刀片3 、4 用于加工轴颈外 圆。 1234 1 口口 2 汐q 3口 4 口d 图3 1 3g p m 内铣机床刀具布置图 f i g 3 13c u t t e r sl a y o u to f i n n e rm i l l i n gm a c h i n eo fg p m 在内铣加工时，零件的：m i 量很大，为提高效率，都采用一次旋转迸给，一次走刀 来加工，因此刀具的吃刀量较大，加工后零件易产生较大残余应力。 对于z j 2 5 型曲轴，经过内铣加工后，圆角部分的几何尺寸和公差需达到零件的最 终尺寸要求，对表面粗糙度的要求由后续的磨削和抛光工序来保证，而且在曲轴强化工 艺中，又没有安排滚压工序，只有表面氮化处理工序，因此内铣工序后圆角部分的几何 形状及尺寸公差不再改变。经过内铣工序加工后，z j 2 5 型曲轴圆角部分几何尺寸及公差 如图3 1 4 所示。 上述两条原因使轴颈圆角处产生了较大的应力集中，这成为内铣加工工艺的一个比 较严重的问题，若不加以解决，对圆角处的疲劳强度