基于柴油机拆装的零件毕业设计与数控编程

哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第 1 页 共 19 页目 录第一章 R175A 柴油机的工作原理11.1 柴油机的概述11.2 柴油机的工作原理 11.2.1 进气冲程21.2.2 压缩冲程21.2.3 燃烧膨胀冲程31.2.4 排气冲程3第二章 曲轴概述42.1 曲轴的作用42.2 曲轴的组成52.2.1 主轴颈52.2.2 连杆轴颈62.2.3 曲柄62.2.4 自由端（前端）62.2.5 功率输出自由端（后端）6第三章 曲轴的加工工艺73.1 一般曲轴的加工工艺73.2 零件设计与工艺分析83.2.1 零件材料选择83.2.2 零件几何尺公差及技术要求的确定93.3 确定生产类型103.3.1 确定毛坯种类103.3.2 确定铸件余量及形状103.4 曲轴加工工艺过程设计103.4.1 选择表面加工方法10哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第 2 页 共 19 页3.4.2 确定工艺过程方案113.5 选择加工设备与工艺装备133.5.1 选择机床133.5.2 选择夹具133.5.3 选择刀具133.5.4 选择量具143.6 确定工序尺寸14致谢18参考文献19基于柴油机拆装的零件设计与数控编程专业班级： 学生姓名： 指导教师： 职称：摘要 本文主要介绍了 R175A 柴油机曲轴数控加工的工艺设计。本文作者是在保证产品质量、提高生产率、降低成本、充分利用现有生产条件、保证工人具有良好而安全劳动条件的前提下进行设计的。能通过运用数控编程加工工艺哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第 3 页 共 19 页学课程中的基本理论以及在生产实习中学到实践知识，正确的解决一个零件在加工过程中的定位.夹紧以及工艺路线安排.工艺尺寸确定等问题，保证零件的加工质量。学会使用图表资料以及手册，掌握与本设计有关的各种资料的名称，出处，能够做到熟练运用。因此，它在我们的大学生活中占有重要的地位。就我个人而言，我希望能通过这次课程设计对自己未来从事的工作进行一次适应性训练，从中锻炼自己分析问题，解决问题的能力，为今后参加工作打下一个良好的基础。由于能力有限，设计当中可能会有不足之处，恳请老师给予批评指正。关键词：曲轴 工艺设计 数控编程 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第 4 页 共 19 页Based on disassembly of parts engine design and NC programmingAbstract This paper mainly describes the R175A diesel engine crankshaft machining process design. The authors premise of the design is to ensure product quality, increase productivity, reduce costs as well as making full use of existing production conditions to make sure that workers have a good and safe working conditions. Could be able to use of CNC programming courses in basic theory and practice learned in the production of practical knowledge, the correct solution to a part in the process of positioning. Clamping and process routing. Geometries to determine the issues to ensure that parts processing quality. Learn to use graph data as well as manual, master varieties of information s names, sources that related to the design and can use them skillfully. Therefore, it lives in occupies an important position in our universities processing. Personally, I hope that is an adaptation of the training exercise for future jobs of mine , to gain abilities of analysis and solving problems, for future participation in the work to lay a good foundation. Limited capacity to design there may be inadequate, ask teacher to give criticiem.Key words crankshaft technological design NC programming哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第 5 页 共 19 页第一章 R175A 柴油机的工作原理在农业生产中，从耕种、排灌、收割、脱粒到加工等作业，除部分手动以外，均需要有动力机械带动才能进行。农用动力机械常用的有柴机、汽油机和电动机三种。而柴油机在现代化农业生产中应用最为广泛，如我国生产的拖拉机、农用车都采用柴油机。1.1 柴油机的概述柴油机是现代化农业生产所必备的动力机械，在农业生产中作用大，用途广。柴油机是农业机械、农用车以及拖拉机的动力来源，它是一种能够把柴油燃烧时产生的热能转换成为机械能的机器。燃料在气缸内燃烧的发动机称为内燃机。R175A 型柴油机是单缸、卧式、水冷、四冲程、高速轻型柴油发动机。标定功率为 4.4 千瓦，标定转速 2600 转分，净质量 68 kg ,编号 NO.004600 ,日期 07 03，工作可靠、性能稳定，可作为小型手扶拖拉机、机动三轮车、挂桨、喷灌和农副产品加工机械之动力。1.2 柴油机的工作原理柴油机的工作是由进气、压缩、燃烧膨胀和排气这四个过程来完成的，这四个过程构成了一个工作循环。活塞走四个过程才能完成一个工作循环的柴油机称为四冲程柴油机。图 1-1 说明它的工作理原理。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第 6 页 共 19 页图 1-11.2.1. 进气冲程 第一冲程进气，它的任务是使气缸内充满新鲜空气。当进气冲程开始时，活塞位于上止点，气缸内的燃烧室中还留有一些废气。 当曲轴旋转肘，连杆使活塞由上止点向下止点移动，同时，利用与曲轴相联的传动机构使进气阀打开。 随着活塞的向下运动，气缸内活塞上面的容积逐渐增大：造成气缸内的空气压力低于进气管内的压力，因此外面空气就不断地充入气缸。 进气过程中气缸内气体压力随着气缸的容积变化的情况如图所示。图中纵坐标表示气体压力 P，横坐标表示气缸容积 Vh(或活塞的冲 S)，这个图形称为示功图。图 1-1 中的压力曲线表示柴油机工作时，气缸内气体压力的变化规律。从土中我们可以看出进气开始时，由于存在残余废气，所以稍高于大气压力P0。在进气过程中由于空气通过进气管和进气阀时产生流动阻力，所以进气冲程的气体压力低于大气压力，其值为 0.0850.095MPa，在整个进气过程中，气缸内气体压力大致保持不变。 当活塞向下运动接近下止点时，冲进气缸的气流仍具有很高的速度，惯性很大，为了利用气流的惯性来提高充气量，进气阀在活塞过了下止点以后才关闭。虽然此时活塞上行，但由于气流的惯性，气体仍能充入气缸。 1.2.2. 压缩冲程 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第 7 页 共 19 页第二冲程压缩。压缩时活塞从下止点间上止点运动，这个冲程的功用有二，一是提高空气的温度，为燃料自行发火作准备：二是为气体膨胀作功创造条件。当活塞上行，进气阀关闭以后，气缸内的空气受到压缩，随着容积的不断细小，空气的压力和温度也就不断升高，压缩终点的压力和湿度与空气的压缩程度有关，即与压缩比有关，一般压缩终点的压力和温度为：Pc48MPa,Tc750950K。 柴油的自燃温度约为 543563K，压缩终点的温度要比柴油自燃的温度高很多，足以保证喷入气缸的燃油自行发火燃烧。 喷入气缸的柴油，并不是立即发火的，而且经过物理化学变化之后才发火，这段时间大约有 0.0010.005 秒，称为发火延迟期。因此，要在曲柄转至上止点前 1035曲柄转角时开始将雾化的燃料喷入气缸，并使曲柄在上止点后510时，在燃烧室内达到最高燃烧压力，迫使活塞向下运动。 1.2.3. 燃烧膨胀冲程 第三冲程燃烧膨胀。在这个冲程开始时，大部分喷入燃烧室内的燃料都燃烧了。燃烧时放出大量的热量，因此气体的压力和温度便急剧升高，活塞在高温高压气体作用下向下运动，并通过连秆使曲轴转动，对外作功。所以这一冲程又叫作功或工作冲程。 随着活塞的下行，气缸的容积增大，气体的压力下降，工作冲程在活塞行至下止点，排气阀打开时结束。 在图 1-1 中，工作冲程的压力变化这条线上升部分表示燃料在气缸内燃烧时压力的急剧升高，最高点表示最高燃烧压力 Pz，此点的压力和温度为： Pz615MPa， Tz18002200K最高燃烧压力与压缩终点压力之比(PzPc)，称为燃烧时的压力升高比， 用 表示。根据柴油机类型的不同，在最大功牢时 值的范围如下：PzPc1.22.5。 1.2.4. 排气冲程 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第 8 页 共 19 页第四冲程排气。排气冲程的功用是把膨胀后的废气排出去，以便充填新鲜空气，为下一个循环的进气作准备。当工作冲程活塞运动到下止点附近时，排气阀开起，活塞在曲轴和连杆的带动下，由下止点向上止点运动，并把废气排出气缸外。由于排气系统存在着阻力，所以在排气冲程开始时，气缸内的气体压力加比大气压力高 0.0250.035MPa，其温度 Tb10001200K。为了减少排气时活塞运动的阻力，排气阀在下止点前就打开了。排气阀一打开，具有一定压力的气体就立即冲出缸外，缸内压力迅速下降，这样当活塞向上运动时，气缸内的废气依靠活塞上行排出去。为了利用排气时的气流惯性使废气排出得干净，排气阀在上止点以后才关闭。 在图 1-1 中，排气冲程曲线表示在排气过程中，缸内的气体压力几乎是不变的，但比大气压力稍高一些。排气冲程终点的压力 Pr 约为 0.1050.115MPa,残余废气的温度 Pr 约为 850960K。 第二章 曲轴概述2.1 曲轴的作用曲轴（图 2-1）是柴油机中最重要的零件之一。它的功用是将活塞和连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，此外还驱动柴油机本身的配气机构及各种附件。柴油机工作时，曲轴受到很大气体压力和惯性力的作用，传递很大扭矩，因此曲轴受到拉、压、弯、扭等周期性交变载荷的作用，可引起曲轴的振动和疲劳破坏。因此要求曲轴具有足够的强度与刚度；轴颈表面耐磨；在使用转速哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第 9 页 共 19 页范围内不发生扭振、共振现象；具有良好的平衡性，保证柴油机的运转平稳，重量轻等。图 2-12.2 曲轴的组成曲轴的基本组成，如图 2-2 所示，是由主轴颈 4、连杆颈 3、曲柄 2、自由端 1 和功率输出端 5 所构成。图 2-21自由端； 2曲柄； 3连杆轴颈； 4主轴颈； 5功率输出端; 6曲拐； 7平衡块2.2.1. 主轴颈 它是曲柄的支撑点。安装在机体主轴承内，用螺栓固紧轴承端盖，曲轴便靠此点运转。为了润滑，在主轴颈内钻有与连杆轴颈相通的油道。轴颈表面要求较高的加工精度和光洁度。为了提高耐磨性，轴颈表面经过哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第 10 页 共 19 页高频淬火或氮化处理。2.2.2 连杆轴颈 连杆轴颈用来安装连杆大头的。连杆轴颈表面要求精度和光洁度也很高，与轴颈相同。连杆轴颈一般做成中空的，作为润油路，亦可利用离心原理使机油进一步净化，如机油从主轴颈经曲柄进入连杆轴颈内，随同连杆轴颈一起高速旋转，在离心力的作用下，机油中较重的杂质和胶物质被甩向内孔外侧，干净的机油通过一短铜管从油口流到轴颈表面。柴油机检修时，应将附着在连杆轴颈孔内壁上的杂质清洗干净。2.2.3 曲柄 它用来连接主轴颈和连杆轴颈。它的长度等于主轴颈中心到连杆轴颈中心间的距离，即曲柄半径 R。曲柄内有油道贯通主轴颈和连杆轴颈。因为主轴颈与连杆轴颈不在同一中心线上，它们之间有一偏心距 R，通过曲柄连接成整体，这样就构成了一根弯曲的轴曲柄。曲柄是曲轴受力最复杂而结构最薄弱的环节。椭圆形曲柄具有较高的弯曲和扭曲刚度，材料利用率高。为了减少曲轴轴颈与曲柄连接处的应力集中，提高曲柄的强度，连接处均采用过渡圆角连接，过渡圆角半径越大，应力集中现象则越小。但是过渡圆角半径增大，使轴颈承压面积相应缩小，或使柴油机轴向尺寸加大。为了解决这一矛盾，出现了内圆弧连接结构形式，即将连接圆弧凹入曲柄平面内，这样既可以使曲轴轴颈以较大圆弧半径与曲柄相连，又保证轴承具有足够的承压面积。2.2.4 自由端（前段） 上面装有扭振减振器和密封装置等。2.2.5 功率输出自由端（后端） 它上面设有从动装置连接结构，用以输出功率。常见连接方式有三种形式。（1）键连接。 飞轮连接套与曲轴之间用平键或花键连接在一起。（2）静液压锥度过盈配合连接。 曲轴功率输出端为一光滑圆锥体，带有孔的飞轮连接套压装在上面，两者靠一定过盈量紧密压合在一起。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第 11 页 共 19 页（3）螺栓连接。 在曲轴功率输出端有法兰盘，利用螺栓将飞轮连接在上面。 内圆弧与外圆弧 曲轴功率输出端连接方式图 2-3第三章 曲轴的加工工艺3.1 一般曲轴加工工艺曲轴作为是柴油机中最重要的零件之一，其材质大体分为两类：一是钢锻曲轴，二是球墨铸铁曲轴。由于采用铸造方法可获得较为理想的结构形状,从而减轻质量，且机加工余量随铸造工艺水平的提高而减小。球铁的切削性能良好，并和钢制曲轴一样可以进行各种热处理和表面强化处理，来提高曲轴的抗疲劳强度和耐磨性。而且球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，应力集中也没有钢制曲轴来的敏感。所以球墨铸铁曲轴在国内外得到广泛采用。本次设计中曲轴的材质为球铁。曲轴的关键技术项目仍与国外相差 12 个数量级。国外的机加工工艺大致哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第 12 页 共 19 页可归纳为如下几个特点：广泛采用数控技术和自动线，生产线一般由几段独立的自动化生产单元组成，具有很高的灵活性和适应性。采用龙门式自动上下料，集放式机动滚道传输，切削液分粗加工与精加工两段集中供应和回收处理。曲轴的主要加工工序基准中心孔，一般采用质量定心加工方式，这样在静平衡时，加工量很少。轴颈的粗加工一般采用数控铣削或车拉工艺。工序质量可达到国内粗磨后的水平，且切削变形小、效率高。铣削和车拉是曲轴粗加工的发展方向。国外的曲轴磨床均采用 CNC 控制技术，具有自动进给、自动修正砂轮、自动补偿和自动分度功能，使曲轴的磨削精度和效率显著提高。油孔的加工采用鼓轮钻床和自动线，近几年随着枪钻技术的应用，油孔的加工大多已采用枪钻自动线钻孔修缘抛光。曲轴的抛光采用 CNC 控制的砂带抛光机，所有轴颈一次抛光只需 20 多秒，粗糙度可达 Ra0.4 以下，大大减小了发动机的磨合期。动平衡一般采用 CNC 控制的综合平衡机，测量、修正一次完成。检验一般在生产线上配备 MARPOSS 或 HOMWORK 综合检测机，实现在线检测，对曲轴的几乎所有机加工项目均可一次完成检测、显示和打印。曲轴的清洗采用专用精洗机定点定位清洗，保证了曲轴清洁度要求。广泛采用了轴颈过渡圆角滚压技术。专用圆角滚压机自动控制，对所有轴颈圆角进行一次滚压，而且滚压力和滚压角度可自动调节，使圆角处产生最佳的残余压应力，提高了曲轴的疲劳强度。曲轴热处理的关键技术是表面强化处理。一般均正火处理，为表面处理作好组织准备。表面强化处理一般采用感应淬火或氮化工艺，少数厂家还引进了圆角淬火技术和设备。球铁曲轴具有诸多优点，国内外广泛采用。但整体水平与国外还有相当差距，除生产规模小、管理落后外，主要差距仍是制造工艺的落后。借鉴国外的先进技术和工艺方法是提高我国曲轴制造水平的捷径。 3.2 零件设计与工艺分析3.2.1 零件材料选择根据 GB/T1345-2009 和 JB/T6727-2000 的规定，一般应选择不低于 QT700-2哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第 13 页 共 19 页的球墨铸铁制造，本课题选 QT800-2 球墨铸铁制造，该材料具有较高的强度、韧性和塑性，切削性能良好；结构工艺性比较好。3.2.2 零件几何尺公差及技术要求的确定1、选择正火为曲轴的初次热处理工艺、淬火为曲轴的表面热处理工艺，根据 JB/T6727-2000 的规定 ，其正火本体硬度为 230300HBS,硬度差小于或等于50HBS；其淬硬层深度为 1.54.5mm，硬化层硬度为 4255HRC,硬度差小于或等于 6HRC。2、选择气体软氮化为曲轴的氮化工艺，根据 JB/T6727-2000 的规定，氮化层深度大于或等于 0.1mm，氮化层硬度大于或等于 420HV1.0。3、查 JB/T6727-2000 表 2 可知：主轴颈及连杆轴颈 Ra0.63，轴颈过渡圆角、止退凸台端面、轴颈上油道孔口及带内圈的滚动轴承的主轴颈的表面粗糙度 Ra为 1.25。根据表面粗糙度标准等级，分别取 Ra0.4、Ra0.8。4、根据 JB/T6727-2000 的规定，主轴颈和连杆颈直径公差等级为 IT6，由于是氮化曲轴，可将 IT6 放大 0.01mm，查 GB/T 1800.3-1998 表 1，可知IT6=0.016mm，因此可选择制造公差为 0.016mm，考虑到连杆体与连杆盖可自由拆卸，而连杆盖与连杆轴颈工作时保持相对静止，因此连杆与连杆轴颈采用基轴制的间隙配合查 GB/T 1800.3-1998 表 2，取轴偏差为 h 级，可知 es=0 则ei=es-IT=0-0.016=-0.016,即连杆轴颈的基本尺寸及偏差为 ；主轴颈和连杆016.45轴颈的圆柱度按 GB/T 1184-1996 表 B2 中 7 级制造，查 GB/T 1184-1996 表 B2，得圆柱度为 7um；主轴颈与连杆轴颈轴线距离的尺寸公差为 0.1mm；连杆轴颈对两端主轴颈公共轴线平行度为 GB/T 1184-1996 表 B3 中 6 级，查 GB/T 1184-1996 表 B3，可知平行度公差为 20um；该曲轴采用两端主轴颈支撑，各轴颈及端面对主轴颈公共轴线的圆跳度公差等级应符合表 3 中的规定，查表 3 得：曲轴中间主轴颈、装滚动齿轮轴颈、装飞轮的圆锥形轴颈、止推凸台端面以及装油封轴颈均为 8 级，装飞轮端端面为 7 级，装风扇带轮轴颈为 9 级；曲轴上正时齿轮的键槽中心面对第一连杆轴颈轴线和主轴颈轴线组成平面的角度偏差为 ；曲轴上各连杆轴颈轴线和主轴颈轴线组成的平面对第一连杆轴线和主轴30哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第 14 页 共 19 页颈轴线组成的平面的角度偏差为 ；曲轴连接飞轮一段的端面应平整，其平20面度公差为 0.05mm，表面不得有凸起。5、曲轴轴颈与油道孔口交接处应倒钝和抛光。6、主轴颈和连杆轴颈与曲柄连接的过渡圆角处应圆滑过渡，连接处不应有明显接痕。根据各加工方法的经济精度及一般机床所能达到的位置精度，该零件没有很难加工的表面，上述各表面的技术要求采用常规加工工艺均可以保证。3.3 确定生产类型确定零件生产类型为大量生产。故初步确定工艺安排的基本倾向为：加工设备以自动化和专用设备为主，通用设备为辅；机床按流水线或自动线排列；采用高效专用夹具；广泛采用专用夹具；广泛采用专用量具、量仪和自动检验装置。3.4 确定毛坯3.4.1 确定毛坯种类根据零件材料确定毛坯为铸件。并依其结构形状、尺寸大小和生产类型，毛坯的铸造方法选用金属模机械砂型铸造。根据机械制造工艺及设备设计指导手册表 155 铸件尺寸公差等级采用 CT9 级。3.4.2 确定铸件余量及形状根据机械制造工艺及设备设计指导手册表 157，取加工余量为 MA-G级。查机械制造工艺及设备设计指导手册表 158 确定各表面的铸件机械加工余量。对于金属模机械砂型铸造，根据机械制造工艺及设备设计指导手册表159 铸件最小孔的直径，故本零件上的孔不铸出。3.5 曲轴加工工艺过程设计3.5.1 选择表面加工方法根据各表面加工要求和各种加工方法所能达到的经济精度，查机械制造工艺及设备设计指导手册表 1532表 1534 选择零件主要表面（依次为从长头到短头）的加工方法与方案如下：哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第 15 页 共 19 页M362 螺纹：粗车（IT12）精车（IT6）割槽 324（IT11）车螺纹 M362。1：8 圆锥面：粗车（IT12）半精车（IT10）铣键槽 12N9（IT8）磨削（IT6） 。45 圆柱面：粗车（IT12）半精车（IT10）磨削（IT6）抛光（IT5） 。50 圆柱面：粗车（IT12）半精车（IT10）粗磨（IT7）精磨（IT6） 。60 圆柱面：粗车（IT12）半精车（IT10） 。K 面：铣（IT9）钻孔 48（IT12）铰孔 48（IT9）钻孔 2M10（IT12）攻丝 2-M10。45 连杆颈圆柱面：粗车（IT12）半精车（IT10）粗磨（IT7）精磨（IT6）抛光（IT5） 。16 直孔：钻（IT12） 。5 斜油孔：钻（IT12）抛光（IT8） 。6