发动机曲轴加工工艺及夹具设计开题报告.docx

西南科技大学毕业设计（论文）开题报告
学 院
制造科学与工程学院
专业班级
机械0604
姓 名

题 目
汽车发动机曲轴加工工艺及夹具设计
题目类型
设计开发
一、选题背景及依据（简述国内外研究现状、生产需求状况，说明选题目的、意义，列出主要参考文献）

选题背景：
机械制造业加工水平是一国经济发展水平的标志。机械制造业为国民经济各部门提供装备，它的发展水平直接影响到国民经济各部门技术水平和经济效益的提高。没有现代化的机械制造就不可能有现代化的工业、农业、国防和科学技术。
我国制造业水平正在高速发展，长期以来，汽车制造业，作为国家重点投资和发展的产业，虽然取得了一定的成绩，但是与国际上汽车工业先进国家相比还有很大差距。我国汽车汽车工业尚属幼稚产业。随着经济全球化，汽车工业必须面对国内和国际广泛领域的竞争。为提高中国汽车制造业在国际上的竞争力，首先必须要改进汽车重要零件的生产工艺和制造技术。
曲轴是发动机内一个高速旋转的长轴，它将活塞的直线运动变为旋转运动，进而通过飞轮把扭矩输送给底盘的传动系，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，除了旋转质量的高离心力外，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。曲轴主要由主轴颈、连杆轴颈、油封轴颈、齿轮轴颈、皮带轮轴颈和曲柄臂等组成。

国内外研究现状：
目前车用发动机曲轴材质主要有球墨铸铁和钢两类。由于球墨铸铁曲轴成本只有调质钢曲轴成本的1/3左右,且球墨铸铁的切削性能良好,可获得较理想的结构形状,并且和钢质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、硬度和耐磨性。所以球墨铸铁曲轴在国内外得到了广泛应用。据统计资料显示车用发动机曲轴采用球墨铸铁材质的比例在美国为90%,英国为85% ,日本为60% ,此外,德国、比利时等国家也已经大批量采用。国内采用球墨铸铁曲轴的趋势则更加明显,中小型功率柴油机曲轴85%以上采用球墨铸铁,而功率在160kW以上的发动机曲轴多采用锻钢曲轴。
曲轴的强化工艺技术。目前国内外曲轴常见的强化工艺大致有如下几种:
氮化处理。氮化能提高曲轴疲劳强度的20%~60%
喷丸处理。曲轴经喷丸处理后能提高疲劳强度20%~40%。
圆角与轴颈同时感应淬火处理。该强化方式应用于球铁曲轴时,能提高疲劳强度20% ,而应用于钢轴时,则能提高l00%以上。
圆角滚压处理。球铁曲轴经圆角该压后寿命可提高120%~300%,钢轴经圆角液压后寿命可提高70%~150%。曲轴圆角滚压强化工艺主要包括曲轴圆角滚压和曲轴滚压校正两部分。在滚压过程中,由伺服传动系统控制曲轴旋转的转速和旋转角度,同时由液压伺服控制系统控制液压过程的压力负载,使每个主轴颈和连杆颈依次完成整个滚压过程。对弯曲曲轴的校直处理首先要检测曲轴的弯曲变形数据即弯曲度的大小和相位方向,然后用摆差传感器检测各主轴颈处的摆差,继而由专家系统数据库对摆差数据进行分析处理并给出校直方案,即给出在某几个主轴颈或连杆颈上的再施压方案,从而利用此施压方案重新按压产生新的变形来消除曲轴的弯曲。国外应用的圆角滚压技术已相当先进,可一次完成对所有圆角的滚压,且可做到主轴颈与连杆轴颈圆角的压力不同,同一连杆轴颈圆角在不同方向上的压力也
可不同。这样可经济地达到最佳的滚压效果,最大限度地提高曲轴的抗疲劳强度。经德国赫根塞特(HEGENSCHEID)公司定,球铁曲轴经滚压后寿命可增至
100%～280%。
复合强化处理。它是指应用多种强化工艺对曲轴进行强化处理,球墨铸铁曲轴采用圆角该滚压工艺与离子氮化工艺结合使用,可使整个曲轴的抗疲劳强度提高130%以上。
曲轴的机械加工技术。曲轴主轴颈和连杆轴颈的粗加工、半精加工工艺和精加工工艺,大体分为以下几种：
传统的曲轴主轴颈及连杆轴颈的多刀车削工艺。生产效率和自动化程度相对较低。粗加工设备,多采用多刀车床车削曲轴主轴颈及连杆轴颈，工序的质量稳定性差,容易产生较大的内应力,难以达到合理的加工余量。一般精加工采用曲轴磨床，通常靠手工操作,加工质量不稳定,尺寸的一致性差,导致产品生产周期长、场地占用面积大。老式生产线的主要特点是普通设备多,且完全是靠多台设备分解工序和余量来提高生产效率。,
数控车削工艺。数控车削设备价格相对便宜，不需要复杂的刀具,但只适合小批量生产。
数控内铣铣削工艺。内铣设备价格较高，刀具费用也很高,但适合大批量生产。
数控车—拉、数控车—车拉工艺。其突出优点是可对宽轴径进行分层加工,切削效率高,加工质量好,但车拉刀具结构复杂,技术含量高,并且长期依靠进口,好处是可集车—车拉工艺加工连杆轴颈要两道工序于一起。
CNC高速外铣工艺。数控高速外铣是20世纪90年代新兴起来的一种新型加工工艺,其适用范围广,特别双刀盘数控高速外铣以其加工效率高、加工质量稳定、自动化水平高,已成为当前是曲轴主轴颈和连杆轴颈粗加工的发展方向。就比较而言CNC车—车拉工艺加工连杆轴颈要二道工序, CNC高速外铣只要一道工序就能完成,切削速度高(目前最高可达350m/min)、切削时间较短、工序循环时间较短、切削力较小、工件温升较低、刀具寿命高、换刀次数少、加工精度更高、柔性更好。如德国BOEHRINGER公司专为汽车发动机曲轴设计制造的柔性的高速随动数控外铣床VDF315 OM-4型,该设备应用工件回转和铣刀进给伺服连动控制技术,可以一次装夹不改变曲轴回转中心随动跟踪铣削曲轴的连杆轴颈。其采用一体化复合材料结构床身,工件两端电子同步旋转驱动,具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特点;使用SIEMENS840DCNC控制系统,设备操作说明书在人机界面上,通过输入零件的基本参数即可自动生成加工程序,可以加工长度450～700mm、回转直径在380mm 以内的各种曲轴，连杆轴颈直径误差仅为±0.02mm。
数控曲轴磨削工艺。精加工使用数控磨床采用静压主轴、静压导轨、静压进给丝杠(砂轮头架)和线性光栅闭环控制等控制装置,使各尺寸公差及形位公差得到可靠的保证,精加工还广泛使用数控砂带抛光机进行超精加工,经超精加工后的曲轴轴颈表面粗糙度至少提高一级精度。如GF70M-T曲轴磨床是日本TOYADA 工机开发生产的专用曲轴磨床,是为了满足多品种、低成本、高精度、大批量生产需要而设计的数控曲轴磨床。该磨床应用工件回转和砂轮进给伺服联动控制技术,可以一次装夹而不改变曲轴回转中心即可完成所有轴颈的磨削,包括随动跟踪磨削连杆轴颈;采用静压主轴、静压导轨、静压进给丝杠(砂轮头)和线性光栅闭环控制,使用TOYADA工机生产的GC50CNC控制系统,磨削轴颈圆度精度可达到0.002mm;采用CBN砂轮,磨削线速度高达120m/s,配双砂轮头架,磨削效率极高。

选题目的和意义：

主要参考文献：
[1]曾志新，吕明.机械制造技术基础[M].武汉：武汉理工大学出版社，2008.
[2]陈家瑞.汽车构造[M].北京：机械工业出版社，2005：18-78.
[3]丁儒林.汽车厂实习教程[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1989：48-61.
[4]姜洪宇，黄春元.国内外曲轴加工技术的现状及其发展[J].黑龙江科技信息，2008，31：41-42.

二、主要研究（设计）内容、研究（设计）思想及工作方法或工作流程
设计内容：
通过查找大量文献资料，深入了解曲轴的生产过程。设计CA6102发动机曲轴加工工艺及其工装夹具。绘制工艺流程图和工序图。设计一套工装夹具。详细内容如下：
1、工艺设计
曲轴典型的加工顺序为：铣两端面→钻中心孔→粗车→精车→铣削→热处理→磨削加工等。
曲轴机械加工过程大致可分为以下几个阶段：
（1）、加工定位基面→粗、精车主轴颈→中间检查；
（2）、粗磨主轴颈 铣定位面 车连杆轴颈 加工定位销控、油道空等次要表面 中间检查；
（3）、中频淬火→半精磨主轴颈→中间检查；
（4）、精磨连杆轴颈→中间检查；
（5）、精磨主轴颈→铣键槽→中间检查；
（6）、两端孔加工、动平衡→超精加工主轴颈及连杆轴颈→最终检查。

工序号
工序名称
设备名称型号
夹具、刀检具及辅具
1
铣曲轴两端面和钻中心孔
铣钻组合机床
以1、7主轴颈和第4主轴颈两侧曲柄臂斜面为粗基准
2
粗车第4主轴颈及两端面
双边传动曲轴车床
以中心孔为基准
3
校直
压力机

4
粗磨第4主轴颈
外圆磨床
以中心孔为基准
5
粗车其余主轴颈及其他外圆和端面
中间传动的的曲轴车床
同上
6
校直
压力机

7
粗磨第1主轴颈和装齿轮的轴颈及其端面
端面外圆磨床
以中心孔为基准
8
精车第2、3、5、6、7主轴颈和油封轴颈及法兰
中间传动的曲轴车床
同上
9
粗磨第7主轴颈和法兰盘外圆
外圆磨床
同上
10
同时粗磨第2、3、5、6主轴颈及其端面
多砂轮外圆磨床
同上
11
在第1、6曲柄梢侧面曲柄臂上铣角度定位平面
龙门铣床
以第1、7主轴颈和第8曲柄梢为基准
12
车六个曲柄梢及其端面
曲柄梢车床
以第1、3、5、7主轴颈定位夹紧、并以第1主轴颈端面及曲柄臂上角度定位平面为基准
13
中间检验
检验台

14
清洗
清洗机

15
在轴颈上锪球形孔
组合钻床

16
在轴颈上钻油孔
组合钻床

17
在轴颈上钻油孔
组合钻床

18
在轴颈上钻油孔
组合钻床

19
油孔倒角

20
去毛刺

21
中间检查

22
表面淬火
中频表面淬火机

23
表面淬火
中频表面淬火机

24
校直
压力机

25
精磨第4主轴颈及其端面
外圆磨床
以中心孔为基准
26
精磨第7主轴颈及其端面
外圆磨床
同上
27
车回油螺纹
靠模车床
同上
28
精磨第1主轴颈和装齿轮的轴颈及端面
端面外圆磨床
同上
29
精磨装皮带轮的轴颈
外圆磨床
同上
30
精磨油封轴颈
外圆磨床
同上
31
一次精磨第2、3、5、6主轴颈及其端面
外圆磨床
同上
32
精磨六个曲柄梢及其端面
曲轴磨床
以第1、7主轴颈定位夹紧，并以第1主轴颈端面及曲柄臂上角度定位平面为基准
33
精磨六个曲柄梢及其端面
曲轴磨床
以第1、7主轴颈定位夹紧，并以第1主轴颈端面及曲柄臂上角度定位平面为基准
34
同时铣齿轮轴颈和皮带轮轴颈上的键槽
钻用键槽铣床
以第1、7主轴颈，第一曲柄梢及第1主轴颈端面为基准
35
中间检查

36
在曲轴法兰端面及小头端面对各孔钻，铰及攻丝
双面多工位组合机床

37
动平衡
动平衡机

38
去不平衡重
立式钻床

39
去毛刺

40
校直
压力机

41
精加工法兰端面轴承孔
六角车床

42
精车法兰端面
车床

43
去毛刺

44
粗超精加工各轴颈
超精加工机床
以中心孔为基准
45
精超精加工各轴颈
超精加工机床
同上
46
清洗
清洗机

47
按需要修理缺陷

48
最后检验

曲轴毛坯

曲轴零件图

曲轴三维模型

2、曲轴加工工艺过程分析
（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）的中心孔应该先加工，粗基准为第一、七主轴颈外圆表面，并以第四主轴颈两侧曲柄臂斜面作为轴向定位基准。
（2）、关键工序及典型夹具。第一道工序为铣端面、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者半精加工；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；平衡在精磨加工之后进行；校直是在容易引起曲轴弯曲变形的工序之后进行，如在粗车、粗磨、热处理工序之后进行；最终检查在清洗之后进行。
3、典型夹具设计
机床夹具是机械制造中一项重要的工艺装备。工件在机床上加工时，为了保证加工精度和提高生产率，必须是工件在机床上相对刀具占有正确的位置，这个过程称为定位。为了克服切削过程中工件受外力（切削力，惯性力，重力等）的作用而破坏定位，还必须对工件实施加紧力，这个过程称为夹紧。定位和夹紧两个过程的综合称为装夹，完成工件装夹的工艺装备称为机床夹具。
夹具设计工作步骤
（1）、研究原始资料，明确设计任务
首先分析研究工件的结构特点、材料、生产规模和本工序加工的技术要求以及前后工序的联系；然后了解加工所用设备、辅助工具中与设计夹具有关的技术性能和规格；了解工具车间的技术水平等。必要时还要了解同类工件的加工方法和所使用夹具的情况，作为设计的参考。
（2）、考虑和确定夹具的结构方案，绘制结构草图
确定夹具的结构方案时，主要解决如下问题：
根据六点定位原理确定工件的定位方式，并设计相应的定位装置；
确定刀具的引导方式，并设计引导原件或对刀装置；
确定工件的加紧方式和设计加紧装置；
确定其他原件或装置的结构形式，如定向键，分度装置等；
考虑各种装置、元件的布局，确定夹具体和总体结构。
对夹具的总体结构，多考虑几个方案，画出草图，经过比较分析，从中选取较合理的方案。
（3）、绘制夹具总图
绘制总图的顺序：先用双点划线绘出工件的轮廓外形，并显示出加工余量；然后把工件视为透明体，按照工件的形状及位置依次汇出定位、导向、夹紧及其它元件或装置的具体结构；最后绘制夹具体，形成一个夹具整体。
（4）、确定并标注有关尺寸和夹具技术要求
在夹具总图上应标注轮廓尺寸，必要的装配、检验尺寸及其公差，制订主要元件、装置之间的相互位置精度。
（5）、绘制夹具零件图
夹具中非标准零件都必须绘制零件图。在确定这些两件的尺寸、公差或技术条件时，应注意使其满足夹具总图的要求。
在实际设计中，上述设计程序并非一成不变，但设计程序在一定程度上反映了接下来设计中要考虑的问题和设计步骤。

三、毕业设计（论文）工作进度安排
（1）、第1周：熟悉题目、内容及老师给的资料，熟悉西南科技大学毕业论文撰写要求。
（2）、第2周：借查阅资料，包括需要的机械设计手册和夹具设计手册及工艺设计手册等资料。按要求，对设计对象零件绘制2维工程图和三维建模。
（3）、第3周：进行相关的实习。
（4）、第4周：撰写实习报告，并于第4周末上交毕业实习报告。
（5）、第5周：撰写开题报告和开题演讲PPT。开题主要内容包括：题目名称，题目的目前国内外研究现状，论文主要研究的内容，拟采用的研究方法和总体方案，研究的关键问题。并准开题答辩。
（6）、第6周：开题答辩。制订论文提纲和目录，工艺设计方案，夹具总体方案。
（7）、第7-10周：实施每个步骤，并记录设计计算和过程研究资料。
（8）、第11-12周：绘制工艺流程图，工序卡和夹具图纸。先用autoCAD绘制2维图，再用UG绘制三维图。
（9）、第13-15周：整理论文。
（10）、第16周：准备答辩。

指 导

教 师

意 见

指导教师签字___________

年 月 日

院 系

毕 业

设 计

领 导

小 组

审 核

意 见
难 度

综合训
练程度

是否隶属科研项目

教学院长（公章）___________

年 月 日
备注：1、题目类型分为： 理论研究、应用研究、设计开发和其它。
2、题目难度分为： A、B、C、D四个等级。
3、综合训练程度分为： A、B、C三个等级。