毕业设计论文发动机曲轴加工工艺分析与设计模板.doc
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毕业设计(论文) 题 目:发动机曲轴加工工艺分析和设计 作 者: 系 (部): 专业班级: 指导老师: 职 称: 年 月 日 发动机曲轴加工工艺分析和设计 摘 要 曲轴是汽车发动机关键零件之一,其性能好坏直接影响到汽车发动机质量和寿命.曲轴在发动机中负担最大负荷和全部功率,承受着强大方向不停改变弯矩及扭矩,同时经受着长时间高速运转磨损,所以要求曲轴材质含有较高刚性、疲惫强度和良好耐磨性能。发动机曲轴作用是将活塞往复直线运动经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输出。 本课题仅175Ⅱ型柴油机曲轴加工工艺分析和设计进行探讨。工艺路线确实定是工艺规程制订中关键阶段,是工艺规程制订总体设计。所撰写工艺路线合理是否,不仅影响加工质量和生产率,而且影响到工人、设备、工艺装备及生产场地等合理利用,从而影响生产成本。 所以,此次设计是在仔细分析曲轴零件加工技术要求及加工精度后,合理确定毛坯类型,经过查阅相关参考书、手册、图表、标准等技术资料,确定各工序定位基准、机械加工余量、工序尺寸及公差,最终制订出曲轴零件加工工序卡片。 关键词:发动机,曲轴,工艺分析,工艺设计 目 录 第一章 概述 1 第二章 确定曲轴加工工艺过程 3 2.1曲轴作用 3 2.2曲轴结构及其特点 3 2.3曲轴关键技术要求分析 4 2.4曲轴材料和毛坯确实定 4 2.5曲轴机械加工工艺过程 4 2.6曲轴机械加工工艺路线 5 第三章 曲轴机械加工工艺过程分析 6 3. 1曲轴机械加工工艺特点 6 3. 2曲轴机械加工工艺特点分析 7 3. 3曲轴关键加工工序分析…………………………………………………… 8 3.3.1铣曲轴两端面,钻中心孔………………………………………………8 3.3.2曲轴主轴颈车削…………………………………………………… 8 3.3.3曲轴连杆轴颈车削………………………………………………… 8 3.3.4键槽加工……………………………………………………………… 9 3.3.5轴颈磨削…………………………………………………………… 9 第四章 机械加工余量、工序尺寸及公差确实定 9 4.1曲轴关键加工表面工序安排 9 4.2机械加工余量、工序尺寸及公差确实定 10 4.2.1主轴颈工序尺寸及公差确实定 10 4.2.2连杆轴颈工序尺寸及公差确实定 10 4.2.3φ22 -00.12外圆工序尺寸及公差确实定 10 4.2.4φ20 0-0.021外圆工序尺寸及公差确实定 11 4.3 确定工时定额 11 4.4 曲轴机械加工工艺过程卡片制订 12 谢 辞 13 参考文件 14 附 录 15 第一章 概述 曲轴是发动机上一个关键旋转机件,装上连杆后,可承接活塞上下(往复)运动变成循环(旋转)运动。曲轴关键有两个关键加工部位:主轴颈和连杆颈。主轴颈被安装在缸体上,连杆颈和连杆大头孔连接,连杆小头孔和汽缸活塞连接,是一个经典曲柄滑块机构。发动机工作过程就是:活塞经过混合压缩气燃爆,推进活塞做直线运动,并经过连杆将力传给曲轴,由曲轴将直线运动转变为旋转运动。而曲轴加工好坏将直接影响着发动机整体性能表现。 发动机机体是组成发动机骨架,是发动机各机构和各系统安装基础,其内、外安装着发动机全部关键零件和附件,承受多种载荷。机体组关键由气缸体、曲轴箱、气缸盖等零件组成。 (1)气缸体 水冷发动机气缸体和上曲轴箱常铸成一体,气缸体通常见灰铸铁铸成,气缸体上部圆柱形空腔称为气缸,下半部为支承曲轴曲轴箱,其内腔为曲轴运动空间。在气缸体内部铸有很多加强筋,冷却水套和润滑油道等。 (2)曲轴箱 气缸体下部用来安装曲轴部位称为曲轴箱,曲轴箱分上曲轴箱和下曲轴箱。上曲轴箱和气缸体铸成一体,下曲轴箱用来贮存润滑油,并封闭上曲轴箱,故又称为油底壳。油底壳受力很小,通常采取薄钢板冲压而成,其形状取决于发动机总体部署和机油容量。油底壳内装有稳油挡板,以预防汽车颠动时油面波动过大。油底壳底部还装有放油螺塞,通常放油螺塞上装有永久磁铁,以吸附润滑油中金属屑,降低发动机磨损。在上下曲轴箱接合面之间装有衬垫,预防润滑油泄漏。 (3)气缸盖 气缸盖安装在气缸体上面,从上部密封气缸并组成燃烧室。它常常和高温高压燃气相接触,所以承受很大热负荷和机械负荷。水冷发动机气缸盖内部制有冷却水套,缸盖下端面冷却水孔和缸体冷却水孔相通。利用循环水来冷却燃烧室等高温部分。 缸盖上还装有进、排气门座,气门导管孔,用于安装进、排气门,还有进气通道和排气通道等。汽油机气缸盖上加工有安装火花塞孔,而柴油机气缸盖上加工有安装喷油器孔。顶置凸轮轴式发动机气缸盖上还加工有凸轮轴轴承孔,用以安装凸轮轴。 气缸盖通常采取灰铸铁或合金铸铁铸成,铝合金导热性好,有利于提升压缩比,所以多年来铝合金气缸盖被采取得越来越多。 而作为发动机上一个关键旋转机件——曲轴,其加工方法仍有通常轴加工规律,如铣两端面,钻中心孔,车、磨及抛光,不过曲轴也是有它特点,它由主轴颈,连杆轴颈和连杆轴颈之间连接板组成,其结构细长、曲拐多、刚性差,所以安排曲轴加工工艺应采取对应工艺方法。 在曲轴机械加工中,采取新技术和提升自动化程度全部不停取得进展。现在,中国较陈旧曲轴生产线多数由一般机床和专用机床组成,生产效率和自动化程度相对较低。粗加工设备通常采取多刀车床车削曲轴主轴颈及连杆轴颈,工序质量稳定性差,轻易产生较大加工应力,难以达成合理加工余量。精加工普遍采取MQ8260等一般曲轴磨床进行粗磨、半精磨、精磨、抛光,通常靠人工操作,加工质量不稳,尺寸一致性差。现在加工曲轴粗加工比较流行工艺是:主轴颈采取车拉工艺和高速外铣,连杆颈采取高速外铣,而且倾向于高速随动外铣,全部采取干式切削。在对连杆颈进行随动磨削时,曲轴以主轴颈为轴线进行旋转,并在一次装夹下磨削全部连杆颈。在磨削过程中,磨头实现往复摆动进给,跟踪着偏心回转连杆颈进行磨削加工。 当然,现在国际上还有愈加优异曲轴加工工艺和机床设备,只钻一对质量中心孔,选择日本Mazak五轴联动数控机床进行一系列加工。类似这么新技术,现在中国汽车发动机曲轴加工还处于研究阶段,从经济效益和加工难度上考虑这是显而易见。不过对于新技术、新工艺追求是不会止步,这就需要我们现代青年和科技工作者不停努力。 第二章 确定曲轴加工工艺过程 2.1曲轴作用 曲轴是汽车发动机中关键零件,它和连杆配合将作用在活塞上气体压力变为旋转动力,传给底盘传动机构,同时,驱动配气机构和其它辅助装置。 曲轴在工作时,受气体压力,惯性力及惯性力矩作用,受力大而且受力复杂,同时,曲轴又是高速旋转件,所以,要求曲轴含有足够刚度和强度,含有良好承受冲击载荷能力,耐磨损且润滑良好。 2.2曲轴结构及其特点 图2-1 曲轴结构图 曲轴通常由主轴颈,连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成。一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐,曲轴曲拐数目等于气缸数(直列式发动机);V型发动机曲轴曲拐数等于气缸数二分之一。 主轴颈是曲轴支承部分,经过主轴承支承在曲轴箱主轴承座中。主轴承数目不仅和发动机气缸数目相关,还取决于曲轴支承方法。 连杆轴颈是曲轴和连杆连接部分,在连接处用圆弧过渡,以降低应力集中。 曲柄是主轴颈和连杆轴颈连接部分,断面为椭圆形,为了平衡惯性力,曲柄处铸有(或紧固有)平衡重块。平衡重块用来平衡发动机不平衡离心力矩,有时还用来平衡一部分往复惯性力,从而使曲轴旋转平稳。 曲轴前端装有齿轮,驱动风扇和水泵皮带轮和起动爪等。为了预防机油沿曲轴轴颈外漏,在曲轴前端装有一个甩油盘,在齿轮室盖上装有油封。曲轴后端用来安装飞轮,在后轴颈和飞轮凸缘之间制成挡油凸缘和回油螺纹,以阻止机油向后窜漏。 2.3曲轴关键技术要求分析 1.主轴颈、连杆轴颈本身精度,即尺寸公关等级IT6,表面粗糙度Ra值为1.25~0.63μm。轴颈长度公差等级为IT9~IT10。轴颈形状公差,如圆度、圆柱度控制在尺寸公差之半。 2.位置精度,包含主轴颈和连杆轴颈平行度:通常为100mm之内小于0.02mm;曲轴各主轴颈同轴度:小型高速曲轴为0.025mm,中大型低速曲轴为0.03~0.08mm。 3.各连杆轴颈位置度小于±20′。 2.4曲轴材料和毛坯确实定 曲轴工作时要承受很大转矩及交变弯曲应力,轻易门生扭振、折断及轴颈磨损,所以要求用材应有较高强度、冲击韧度、疲惫强度和耐磨性。常见材料有:通常曲轴为35、40、45钢或球墨铸铁QT600-2;对于高速、重载曲轴,可采取40Cr、42Mn2V等材料。本课题采取球墨铸铁QT600-2. 曲轴毛坯依据批量大小、尺寸、结构及材料品种来决定。批量较大小型曲轴,采取模锻;单件小批中大型曲轴,采取自由铸造;而对于球墨铸铁材料则采取铸造毛坯。 2.5曲轴机械加工工艺过程 曲轴尺寸精度、加工表面形状精度和位置精度要求全部很高,但刚性比较差,轻易产生变形,这就给曲轴机械加工带来了很多困难,必需给予充足重视。 曲轴需要加工表面有:主轴颈、连杆轴颈、键槽、φ22外圆。因为使用了工艺搭子,铣键槽安排在切除工艺搭子后,磨削外圆安排在保留工艺搭子前。 依据曲轴结构特点及机械加工要求,加工次序大致可归纳为:铣两端面;车工艺搭子和钻中心孔;粗、精车三连杆轴颈;粗、精车各处外圆;精磨连杆轴颈、主轴颈和φ20、φ22外圆;切除工艺搭子、车端面、铣键槽等。 2.6曲轴机械加工工艺路线 在进行大量工艺分析以后,制订出大批大量生产曲轴加工工艺路线: (1) 铸造 (2) 热处理 (3) 铣两端面 (4) 车两端工艺搭子外圆 (5) 钻主轴颈中心孔 (6) 钻连杆轴颈中心孔 (7) 检验 (8) 粗车三个连杆轴颈 (9) 精车三个连杆轴颈 (10) 车工艺搭子两端面 (11) 粗车各处外圆 (12) 精车各处外圆 (13) 检验 (14) 磨削连杆轴颈外圆 (15) 磨削两主轴颈 (16) 磨削φ22-00.12mm外圆 (17) 磨削φ20 0 -00.021mm外圆 (18) 检验 (19) 车掉两端工艺搭子 (20) 车两端面 (21) 铣键槽 (22) 倒角 (23) 去毛刺 (24) 最终检验 第三章 曲轴机械加工工艺过程分析 3. 1曲轴机械加工工艺特点 三拐曲轴除了含有轴通常加工规律外,也有它工艺特点,关键包含形状复杂,刚性差及技术要求高,针对这些特点应采取对应方法,分析以下: 1、形状复杂 曲轴主轴颈和连杆轴颈不在同一轴上线,偏心距有一定尺寸要求,而且两轴有较高位置度要求,同时主轴颈和连杆轴颈间有较大平衡块,所以在工艺设计中应处理以下几点问题:a.设计加工连杆轴颈偏心夹具,即连杆轴颈和机床主轴重合,并使夹具能回转180度,加工另一连杆轴颈。b.为消除加工时不平衡力产生,设计夹具时应正确设计平衡重。 2、刚性差 因本曲轴长径比较大,同时含有曲拐,所以刚性较差。曲轴在切削力及自重作用下会产生严重扭曲及弯曲变形,尤其在单边传动机床上加工更为严重,在工艺设计中应处理以下问题: (1):粗加工时因为切削余量大,切削力也较大,可用中间托架来增强刚性,减小变形和振动,同时机床刀具及夹具全部应有较高刚度。 (2):在加工时尽可能使切削力作用相互抵消,可用前后刀架同时横向进给。 (3):合理安排工位次序以降低加工变形,按先粗后精标准安排加工工序,逐步提升精度。 (4):在有可能产生变形工序后面增设校直工序。 3、技术要求高 曲轴技术要求较高,加工面多,需要确保尺寸、形状、位置精度较多。所以总工艺路线较长,精加工占有相当百分比。 加工时应要处理以下问题: A:正确分配粗加工、半精加工及精加工余量。 B:粗基准选择用曲轴两端中心孔。中心孔加工以主轴颈外圆作为基准,这么能确保曲轴加工径向及轴向加工余量均匀性。 C:精加工时仍用中心孔作为基准,但要重新修磨中心孔,避免精加工时因中心孔磨损引发加工误差。也可一端用主轴颈定位,另一端用中心孔定位以提升刚度。 D:曲轴轴向定位以主轴颈轴肩定位,工艺设计时定位基准应尽可能和设计基准一致。 3. 2曲轴机械加工工艺特点分析 1)该零件是三拐小型曲轴,生产批量不大,故选择中心孔定位,它是辅助基准,装夹方便,节省找正时间,又能确保三处连杆轴颈位置精度。但轴两端轴颈分别是20mm和φ25mm,而三处连杆轴颈中心距分布在φ32mm圆周上,故不能直接在轴端面上钻三对中心孔。于是,在曲轴毛坯制造时,预先铸造两端φ45mm工艺搭子,这么就能够在工艺搭子上钻出四对中心孔,达成用中心孔定位目标。 2)在工艺搭子端面上钻四对中心孔,先以两主轴颈为粗基准,钻好主轴颈一对中心孔;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φ32mm、圆周120°均布三个连杆轴颈中心孔,这么就确保了它们之间位置精度。 3)该零件刚性较差,应按先粗后精标准安排加工次序,逐步提升加工精度。对于主轴颈和连杆轴颈加工次序是,先加工三个连杆轴颈,然后再加工主轴颈及其它各处外圆,这么安排能够避免一开始就降低工件刚度,降低受力变形,有利于提升曲轴加工精度。 4)因为使用了工艺搭子,铣键槽工序安排在切除中心孔后进行,故磨外圆工序必需提前在还保留工艺搭子中心孔时进行,同时要注意预防已磨好表面被碰伤。 3. 3曲轴关键加工工序分析 3.3.1铣曲轴两端面,钻中心孔 本工序在钻铣车组合车床上完成,关键确保曲轴总长及中心孔质量,若端面不平则中心钻上两切削刃受力不均,钻头可能引偏而折断,所以采取先面后孔标准。中心孔除影响曲轴质量分布外,它还是曲轴加工关键基准贯穿整个曲轴加工一直。所以直接影响曲轴加工精度。打中心孔在此次工艺设计中因考虑设备原因,采取找出曲轴几何中心替换质量中心。打中心孔以毛坯外表面作为基准,所以毛坯外表面质量好坏直接影响孔位置误差。 3.3.2曲轴主轴颈车削 因为曲轴年产量不大,主轴颈加工采取车削,在刚度较强一般车床上进行。曲轴安装在前、后顶尖上线一端用大盘夹住而另一端用顶尖顶住,用硬质合金车几道工序上完成主轴颈车削。因为加工余大且不均匀,旋转不平衡,加工时产生冲击,所以工件要夹牢靠。车床、刀具、夹具要有足够刚性。主轴颈车削次序是先精车一端主轴颈及轴肩,然后以车好主轴颈定位。另一侧用顶尖以中心孔定位。车另一端主轴颈、肩及各个轴颈,半精度及精车全部按此次序进行,逐步提升主轴颈及其它轴颈加工精度。 3.3.3曲轴连杆轴颈车削 主轴颈及其它外圆车好后,以主轴颈作为加工连杆轴颈基准,采取专用车夹具、车削连杆轴颈,车削一样在一般车床上进行。车削连杆轴颈需要处理是角度定位(两连杆轴颈轴线需要控制在180度+30度或180度—30度)和曲轴旋转不平衡问题。这些全部由专用夹具来确保,夹具体为一对用以定位V型块组成,装在接盘上。接盘和车床过渡接盘靠中间定位销定位并连接,接盘在过渡接盘上靠棱形定位销可转180度,依次车削两个连杆轴颈。V型块中心和车床主轴线距离一个曲轴半径。车削过程中,一端和曲轴主轴颈定位并夹紧,另一端靠偏中心座夹紧,中心座上钻有中心孔,中心孔偏心距一样为一个曲轴半径。用顶尖顶紧中心孔,这么就能确保连杆轴颈轴线和车床主轴线一致。安装夹具体接盘上有平衡块,消除曲轴旋转时不平衡力矩生。曲轴加工时因为受到离心力和两顶尖轴向压紧偏心力作用,轻易发生弯曲变形,为了加强工件刚度,用撑杆来撑住另一个曲拐开移。车削连杆轴颈时为了使切削力不致于太大,每次车削余量控制在1~1.5mm内,同时车床旋转不能太高,刀具采取高速钢。 3.3.4键槽加工 这个键槽关键用于飞轮,加工此键槽应安排在主轴颈精车工序以后,这么能确保定位精度及控制键槽深度和对称度。键槽加工是以两主轴颈定位,一样用专用夹具在一般铣床上进行。 3.3.5轴颈磨削 因为主轴颈及连杆轴颈精度较高,尺寸精度为IT6级,表面粗糙度1.6~0.8μm,而且含有较高形状精度及位置精度。所以主轴颈和连杆轴颈精车后要进行磨削,以提升精度表面粗糙度。 在工艺设计中,首先磨主轴颈然后磨连杆轴颈。中间主轴颈磨好后才能磨其它轴颈,磨主轴颈和连杆轴颈安装方法基础上和车轴颈相同,磨主轴颈是以中心孔定位,在外圆磨床上进行,磨连杆轴颈则以经过精磨两端主轴颈定位,以确保和主轴颈轴线距离及平行度要求,磨连杆轴颈是在曲轴磨床上进行。 因为轴颈宽度不大,采取横向进给磨削法,生产率较高,磨轮外形需仔细地修整,因为直接影响轴颈和圆角形状,磨削余量依据车削后精度而定,粗磨余量值每边0.2~0.3mm,精磨余量控制在0.1~0.15 mm内。 在横向进给磨削中,磨轮对工件压力很大,为避免曲轴弯曲,采取能够调整中心架,不然就不能去掉上道工序留下弯曲度,最好待这个轴颈摆差减小才开始使用中心架。 磨削主轴颈时应把两顶尖孔倒角处抹洁净,去砂粒及油泥,确保加工基准——中心孔精度,磨削工序之前必需修研中心孔。 第四章 机械加工余量、工序尺寸及公差确实定 4.1曲轴关键加工表面工序安排 曲轴关键加工表面为主轴颈、连杆轴颈、各外圆;次要加工表面为两端面、键槽。另外,还有还有检验、清洗、去毛刺等工序。 连杆各关键表面工序安排以下: (1)、主轴颈:粗车、精车、磨削; (2)、连杆轴颈:粗车、精车、磨削; (3)、φ220-0.12mm外圆:粗车、精车、磨削; (3)、φ200-0.021mm外圆:粗车、精车、磨削; 4.2机械加工余量、工序尺寸及公差确实定 4.2.1主轴颈工序尺寸及公差确实定 表4-1:曲轴主轴颈工序及公差 工序名称 工序余量 经济精度 工序尺寸及公差 铸造 φ30±1 粗车 3.2mm IT11 φ26.80-0.13 精车 1.3mm IT8 φ25.50-0.033 磨削 0.5mm IT6 φ25+0.021 +0.008 4.2.2连杆轴颈工序尺寸及公差确实定 表4-2:曲轴连杆轴颈工序及公差 工序名称 工序余量 经济精度 工序尺寸及公差 铸造 φ28±1 粗车 2.2mm IT10 φ25.80-0.084 精车 1.3mm IT8 φ24.50-0.033 磨削 0.5mm IT8 φ24-0.020 -0.053 4.2.3φ22 -00.12 mm外圆工序尺寸及公差确实定 表4-3:曲轴φ220-0.12mm外圆工序及公差 工序名称 工序余量 经济精度 工序尺寸及公差 铸造 φ28±1 粗车 3.5mm IT11 φ24.50-0.13 精车 2mm IT8 φ22.50-0.033 磨削 0.5mm IT11 φ220-0.12 4.2.4φ20 -0 0.021mm外圆工序尺寸及公差确实定 表4-4:曲轴φ20-0 0.021mm外圆工序及公差 工序名称 工序余量 经济精度 工序尺寸及公差 铸造 φ26±1 粗车 3.5mm IT11 φ22.50-0.13 精车 2mm IT8 φ20.50-0.033 磨削 0.5mm IT7 φ20-0 0.021 4.3确定工时定额 工序 8 :粗车三个连杆轴颈至φ25.80-0.084。选择机床:CA6140卧式车床。 1) 被吃刀量:取=1mm, 2) 进给量f:取。 3) 机床主轴转速: 取n=600r/min 4) 切削速度: 5) 计算切削工时:被切削层长度=3×22=66mm ,因为粗车走刀两次,故tm=0.44min 工序 9 :精车三个连杆轴颈至φ24.50-0.033。选择机床:CA6140卧式车床 1) 被吃刀量:取=0.65mm, 2) 进给量f:取f=0.3mm/r 3) 机床主轴转速: 取n=800r/min 4) 切削速度: 5) 计算切削工时:被切削层长度=3×22=66mm ,因为粗车走刀两次,故tm=0.55min 4.4 连杆机械加工工艺过程卡片制订 制订机械加工工艺规程最终一项工作就是填写工艺卡片,它关键包含发动机曲轴工序次序及内容填写、工序简略绘制、合理选择各工序所用机床设备名称和型号、工艺装备(即刀具、夹具、量具等)名称和型号。 见附录: 谢 辞 在本设计开题论证、课题研究、论文撰写和论文审校整个过程中,得到了导师吴明明亲切关心和精心指导,使得本设计得以顺利完成,其中无不饱含着导师汗水和心血。导师敏锐学术思想、严谨扎实治学态度、渊博学识、精益求精工作作风、诲人不倦育人精神,将永远铭记在我心中,使我终生受益。她对本设计构思、框架和理论利用给了我很多深入指导,使得设计得以顺利完成。在此谨向导师吴明明老师表示衷心感谢和高尚敬意。 感谢全部任课老师三年来对我培养。这个文化底蕴深厚、安详宁静地方,塑造了我主动、乐观、淡定人生态度,刻画了我永远留恋青春记忆,让我在这个立即离别时候,如此不舍。在此,我要向诸位老师说声感谢。 当然也要感谢我父母,我所迈出每一步,全部凝聚着你们心血和汗水,你们一直如一支持和关爱,是我一直勇敢向前动力。 同时也要感谢我同学和好友们,我将永远记得你们伴我走过每一个有欢笑有泪水日子,是你们关心和帮助,让我感受到了家温暖。 李建栋 年 月 日 参考文件 [1] 陈明主编,机械制造工艺学[M]. 北京:机械工业出版社, .07 [2] 陈宏钧主编,实用机械加工工艺手册(第2版)[M]. 北京:机械工业出版社, .08 [3] 王茂元主编,机械制造技术[M] . 北京:机械工业出版社, .08 [4] 丁柏群、王晓娟主编,汽车制造工艺技术[M]. 北京:国防工业出版社,.08 [5] 曾东建主编,汽车制造工艺学[M]. 北京:机械工业出版社,.09 [6] 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