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1、第 1 章曲轴的概述1.1 曲轴的简介曲轴是发动机上的一个重要的旋转机件，曲轴在装上连杆后，可将活塞的上下往复运动转变成循环运动。曲轴主要有两个重要的加工部位：主轴颈和连杆轴颈。主轴颈被安装在缸体上，连杆轴颈与连杆大头孔相连接，连杆小头孔与汽缸活塞相连接，构成一个典型的曲柄滑块机构。发动机的工作过程是：混合压缩气体的燃爆所产生的能量推动活塞做往复的直线运动，并通过连杆将力传递给曲轴，经曲轴将直线运动转变为旋转运动。曲轴加工质量的好坏将直接影响发动机的整体性能的好坏。1.2 零件（曲轴）的加工工艺 曲轴在发动机内是一个高速旋转的长轴，它将活塞的直线往复运动变为旋转运动，进而通过飞轮把扭矩输送给底
2、盘的传动系，同时还驱动配气机构及其它辅助装置，所以其受力条件相当复杂，除了旋转质量的离心力外，还承受周期性变化的气体压力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲与扭转载荷。为保证工作可靠，曲轴必须要有足够的强度和刚度，各工作表面要耐磨，而且润滑良好。机械加工工艺过程是由一个或若干个顺序排列的工序所组成，而工序是工艺过程的最基本单元。一个工人或一组工人在一个工作地点对一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分工艺过程，称为工序。即使同一种零件，随着生产条件和生产批量的不同，工序的划分以及每个工序所包含的内容也不同。有时在生产中完成一个工序需要进行许多工作：首先要对工件进行装夹，必要时使工件转位使其占
3、有几个工位，然后通过各工步加工完成工序的内容。在加工过程中，使工件在机床上占据正确的位置并使工件夹紧的过程称为工件装夹。在一个工序中有时需要几次装夹，为了减少装夹时间和装夹误差，工件在加工过程中应尽量减少装夹次数。为了完成一定的工序部分，一次安装后工件与夹具或设备的可动部分一起相对刀具或设备的固定部分所占据的每一位置称为工位。在某一工序中，有时为了减少由于多次装夹而带来的误差及时间损失，常常采用转位（或移位）工作台或夹具，无需重新装夹工件而改变工件位置，以加工不同的表面。在加工表面和切削工具不变的情况下所完成的那部分工作称为工步。构成工步的任一要素（加工表面和刀具）改变后，一般即变成另一工步。
4、有时为了提高生产效率，用几把刀具同时加工几个表面的工步称为复合工步。有些工步，由于余量较大或其它原因，需要用同一刀具对同一表面进行多次切削，刀具对工件该表面每切削一次就称为一次走刀。本次加工的为 F178 单拐曲轴毛坯图，结构如图见 1-1图 1-1关于曲轴加工工艺的分析：1 定位基准的选择。曲轴径向尺寸设计基准为主轴颈和连杆轴颈的轴线；轴向尺寸基准为止推面。作为精基准(也为设计基准)的中心孔应先加工，粗基准为主轴颈外圆表面，并以主轴颈两侧曲柄台阶面作为轴向定位粗基准。2 关键工序。例如：铣端面、钻中心孔。曲轴中心孔是否偏移，对加工表面的余量分布和动平衡有直接影响，所以应使中心孔尽可能接近曲轴
5、的质量中心。加工时，先铣两端面，后钻中心孔。粗加工主轴颈时，如以中间轴颈作为辅助支承面和轴向定位面时，则中间轴颈加工应安排在其它轴颈加工之前进行粗加工或半精加工；曲柄定位面(也称平台)应在连杆轴颈加工之前进行加工；油道孔、定位销孔的加工应在轴颈粗磨之后，淬火之前进行；表面淬火应在半精磨加工之前进行；平衡在精加工之后进行；校直是在容易引起曲轴弯由变形的工序之后进行，如在粗车、粗磨、热处理工序之后进行；最终检查在清铣之后进行。1.3 高速磨头的意义及未来的发展趋势曲轴的高速磨削是相当的重要，因为对曲轴作为发动机里的重要零件影响很大，所以国内，外对其研究发展都很重视。欧美等汽车工业发达国家，经过多年
6、的积累，通过计算机的三维设计，利用有限元的分析方法对曲轴的各项强度指标进行分析，使曲轴在初期就到达完美的设计，在加工工艺方面，由于国外大多采用先进的数控设备，而国内大多以手动设备为主，精度差。这就是要求我们在实际加工工艺设计的过程中充分考虑各方面的因素，在借鉴外国先进的工艺方案的同时充分考虑现有的设备资源的利用和改造达到少投入，增大收益。此外，曲轴在工作中受到气体力，往复惯性力以及它们生产的转矩和弯矩作用，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影响。对此，高速磨削这项技术的的研究是相当的迫切，高速磨削相较于一般的普通磨削能达到更高的精度，相较于
7、普通而繁琐的工艺安排，高速磨削可以更简便的实现工艺的安排，然而，高速磨削也不是如此的完美，在高速磨削实际应用中，高速磨头还存在着一系列的问题，完善高速磨头的研究并解决这些问题，从而把高速磨削大规模的应用到实际生产中去将会是整个磨削行业的一个未来的发展趋势。因此，各要素的尺寸精度、位置精度和表面质量要求相当高。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。所以研究曲轴生产具有一定的实际意义。由曲轴的精度，所以磨头的高速磨削是相当的重要及刻不容缓。第 2 章 曲轴的加工工艺分析2.1 曲轴的结构如图 1-2 所示，一般是由主轴颈、连杆轴颈、平衡块等组成。
8、 图 1-2 轴的结构 主轴颈是曲轴的支承部分，连杆轴颈是曲轴与连杆的连接部分，在连接处用圆弧过度，以减少应力集中。曲柄是主轴颈和连杆轴颈的连接部分，断面为椭圆形，为了平衡惯性力，设有平衡块，用于平衡运动过程不平衡的离心力矩。有时还用来平衡一部分往复惯性力，从而使曲轴旋转平稳。图 1-22.2 曲轴的生产纲领、确定生产类型按照任务书要求，F178 曲轴的年产量 Q=200000（台/年），n=1（件/台），设其备品率 为 10%，机械加工废品率 为 1%，现制定该曲轴零件的工艺规程：年生产纲领：N=Qxnx(1+)=200000x1x(1+10%+1%)=2220002.3 曲轴的主要技术要求
9、分析曲轴的年产量为 222000 台，机械加工工艺手册表 2.1-3 确定生产类型与生产纲领之间的关系，可知该曲轴为大批量生产。 2.4 曲轴的材料、毛坯的确定毛坯选择的原则，应在满足使用要求的前提下，尽可能地降低生产成本，使产品在市场上具有竞争能力。 材料的成形过程是机械制造的重要工艺过程。机器制造中，大部分零件是先通过铸造、锻压、焊接成形制得毛坯，再经过切削加工制成的。毛坯的选择，对机械制造质量、成本、使用性能和产品形象有重要的影响，是机械设计和制造中的关键环节之一。 曲轴工作时要承受很大的转矩和交变的弯曲应力，容易产生扭振、折断和轴颈磨损。因此要求曲轴材料应具有较高的强度、冲击韧度、疲劳
10、强度和耐磨性。常用于制造曲轴的材料有：用于制造一般曲轴的 35、40、45 钢和球墨铸铁QT600-2；用于速度高、承载大的曲轴一般采用 40Cr，40Mn2V 等材料。本设计加工的曲轴采用 40Cr。曲轴的毛坯根据生产批量、尺寸大小、结构以及材料来确定。根据本次设计的生产批量，采用模锻毛坯。实现少切削，无切削加工，是现代机械制造技术的发展趋势。但是，由于毛坯制造技术的限制，加之现代机械加工对精度和表面质量的要求越来越高，为了保证机械加工能达到质量要求，毛坯的某些表面仍需留有加工余量。加工毛坯时，由于一些零件形状特殊，安装和加工不大方便，必须采取一定的工艺措施才能进行机械加工。 2.5 曲轴的
11、机械加工工艺过程对于本次的单拐曲轴（F178），由于是大批量生产，故选采用的是两中心孔定位，它是辅助基准，装夹方便并能保证两处轴颈的位置精度。在工艺台阶端面上钻中心孔，先以两主轴颈为粗基准，钻好主轴颈的一对中心孔，然后以这一对中心孔定位，以连杆轴颈为粗基准划线，再将曲轴放到回转工作台上，加工 5 的中心孔和斜孔。曲轴零件的刚性较差，应按先粗加工、后精加工的原则安排加工顺序，逐步提高曲轴的加工精度。对于主轴颈和连杆轴颈的加工顺序是：先加工两端的连杆轴颈，然后加工主轴颈和各处外圆。这样可以避免以开始就降低零件的刚度，减少受力变形，有利于提高曲轴的加工精度。确定工序尺寸的一般方法是，由加工表面的最后
12、工序往前推算，最后工序的工序尺寸按零件图样的要求标注。当无基准转换时，同一表面多次加工的工序尺寸只与加工余量有关。当基准不重合时，工序尺寸应用工艺尺寸链进行计算。确定主要圆柱面的工序尺寸：圆柱表面多次加工的工序尺寸只与加工余量有关，根据确定的各圆柱表面的总加工余量，应将总加工余量分为各工序的加工余量，然后往前计算工序尺寸。中间工序尺寸的公差按加工方法的经济加工精度确定。确定主要轴向工序尺寸：由零件图上的轴向尺寸及所设计的毛坯尺寸可本零件的工序的轴向尺寸。 F178 曲轴除了具有轴的一般加工规律之外，还具有自身的工艺特点，包括形式复杂、刚性差和技术要求高，针对这些特点，必须采取以下相应措施：曲轴
13、的主轴颈与连杆轴颈不在同一轴线上，偏心距有一定的尺寸要求，并且两轴有较高的位置度要求，同时主轴颈与连杆轴颈之间有较大的平衡块，因此在设计加工工艺时要解决以下问题：设计加工连杆轴颈的偏心夹具，即连杆轴颈与机床主轴重合，并使夹具能回转 180O,加工另一连杆轴颈；消除加工时产生的不平衡力，设计夹具时应精确设计平衡重。因曲轴长径比较大并含有曲拐，因此刚性较差。曲轴在切削力和自身重力的作用下会产生严重的扭曲及弯曲变形，特别是在单边传动的机床上更为严重，因此在设计加工工艺时应解决以下问题：曲轴技术要求较高，并且加工面多，需要保证的尺寸、形状和位置精度较多，因而总的工艺路线较长，精加工在整个曲轴的加工过程
14、中占有相当比重。因此在设计加工工艺时应解决以下问题：正确分配粗加工、半精加工和精加工的加工余量；加工时用曲轴两端的中心孔作为粗基准，中心孔的加工以主轴颈的外圆为基准，以保证曲轴在加工过程中径向和轴向的加工余量均匀；精加工时仍用中心孔作为基准，但要重新精磨中心孔，避免精加工时因中心孔磨损而引起加工误差，也可采用一端主轴颈定位、另一段用中心孔定位以提高曲轴刚度；曲轴的轴向定位以主轴颈的轴肩定位，工艺设计时定位基准应尽量与设计基准一致。 曲轴的尺寸精度、加工表面的形状精度和位置精度的要求都比较高，但是刚性比较差，容易产生变形，这给曲轴的机械加工带来了很多的困难，必须予以充分的重视。基面的选择基面的选
15、择是工艺规程设计中的重要工作之一。基面选择的正确与合理，可以使加工质量得到保证，生产率得以提高。否则，加工工艺过程中会问题百出，更有甚者，还会造成零件大批报废，使生产无法正常进行。选择粗基准时，主要要求保证各加工面有足够的余量，使加工面与不加工面间的位置符合图样要求，并特别注意要尽快获得精基面。具体选择时应考虑下列原则：(1) 选择重要表面为粗基准 为保证工件上重要表面的加工余量小而均匀，则应选择该表面为粗基准。所谓重要表面一般是工件上加工精度以及表面质量要求较高的表面。 (2) 选择不加工表面为粗基准 为了保证加工面与不加工面间的位置要求，一般应选择不加工面为粗基准。如果工件上有多个不加工面
16、，则应选其中与加工面位置要求较高的不加工面为粗基准，以便保证精度要求，使外形对称等。(3) 选择加工余量最小的表面为粗基准 在没有要求保证重要表面加工余量均匀的情况下，如果零件上每个表面都要加工，则应选择其中加工余量最小的表面为粗基准，以避免该表面在加工时因余量不足而留下部分毛坯面，造成工件废品。(4) 选择较为平整光洁、加工面积较大的表面为粗基准 以便工件定位可靠、夹紧方便。(5) 粗基准在同一尺寸方向上只能使用一次 因为粗基准本身都是未经机械加工的毛坯面，其表面粗糙且精度低，若重复使用将产生较大的误差。实际上，无论精基准还是粗基准的选择，上述原则都不可能同时满足，有时还是互相矛盾的。因此，在选择时应根据具体情况进行分析，权衡利弊，保证其主要的要求。曲轴需要加工的表面有：主轴颈、连杆轴颈、键槽、35.2 的外圆。根据曲轴的结构特点和机械加工的要求，曲轴的加工顺序大致可归纳为：铣两端面、钻中心孔、粗、精车轴颈、粗、精车各轴颈外圆、精磨连杆轴颈、主轴颈和 35.2 的外圆、车螺纹、铣键槽等。用什么作为基面？车主轴颈：采用一夹一顶的装夹方式
