柴油机曲轴工艺设计样本.doc

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1、0 引言此次毕业设计是相关R180柴油机曲轴工艺设计及其中两道工序夹具设计。曲轴是柴油机中关键零件之一，其材质大致分为两类：一是钢锻曲轴，二是球墨铸铁曲轴。因为采取铸造方法可取得较为理想结构形状,从而减轻质量，且机加工余量随铸造工艺水平提升而减小。球铁切削性能良好，并和钢制曲轴一样能够进行多种热处理和表面强化处理，来提升曲轴抗疲惫强度和耐磨性。而且球铁中内摩擦所耗功比钢大，减小了工作时扭转振动振幅和应力，应力集中也没有钢制曲轴来敏感。所以球墨铸铁曲轴在中国外得到广泛采取。此次设计中曲轴材质为球铁。从现在整体水平来看, 毛坯铸造工艺存在生产效率低，工艺装备落后，毛坯机械性能不稳定、精度低、废品率

2、高等问题。从以下多个工艺步骤采取方法对提升曲轴质量含有普遍意义。熔炼 中国外一致认为,高温低硫纯净铁水取得是生产高质量球铁关键所在。为取得高温低硫磷纯净铁水，可用冲天炉熔化铁水，经炉外脱硫，然后在感应电炉中升温并调整成份。球化处理 孕育处理 冲天炉熔化球铁原铁水,对铜钼合金球铁采取二次孕育。这对于预防孕育衰退，改善石墨形态，细化石墨及确保高强度球铁机械性能含相关键作用。合金化配合好铜和钼百分比对形成珠光体组织十分有利,可提升球铁强度,而且铜和钼还可大大降低球铁件对壁厚敏感性。 造型工艺气流冲击造型工艺优于粘土砂造型工艺，可取得高精度曲轴铸件，该工艺制作砂型含有没有反弹变形量特点,这对于多拐曲轴

3、尤为关键。浇注冷却工艺采取立浇立冷，斜浇斜冷、斜浇反斜冷三种浇注方法较为理想,其中后一个最好。斜浇反斜冷优点是：型腔排气充足，铁水充型平稳，浇注系统撇渣效果好，冒口对铸件补缩效果好，适应大批量流水线生产。现在，中国大部分专业厂家普遍采取一般机床和专用组合机床组成流水线生产，生产效率、自动化程度较低。曲轴关键技术项目仍和国外相差12个数量级。国外机加工工艺大致可归纳为以下多个特点。广泛采取数控技术和自动线，生产线通常由几段独立自动化生产单元组成，含有很高灵活性和适应性。采取龙门式自动上下料，集放式机动滚道传输，切削液分粗加工和精加工两段集中供给和回收处理。曲轴关键加工工序基准中心孔，通常采取质量

4、定心加工方法，这么在静平衡时，加工量极少。轴颈粗加工通常采取数控铣削或车拉工艺。工序质量可达成中国粗磨后水平，且切削变形小、效率高。铣削和车拉是曲轴粗加工发展方向。国外曲轴磨床均采取CNC控制技术，含有自动进给、自动修正砂轮、自动赔偿和自动分度功效，使曲轴磨削精度和效率显著提升。油孔加工采取鼓轮钻床和自动线，近几年伴随枪钻技术应用，油孔加工大多已采取枪钻自动线钻孔修缘抛光。曲轴抛光采取CNC控制砂带抛光机，全部轴颈一次抛光只需20多秒，粗糙度可达Ra0.4以下，大大减小了发动机磨合期。动平衡通常采取CNC控制综合平衡机，测量、修正一次完成。检验通常在生产线上配置MARPOSS或HOMWORK综

5、合检测机，实现在线检测，对曲轴几乎全部机加工项目均可一次完成检测、显示和打印。曲轴清洗采取专用精洗机定点定位清洗，确保了曲轴清洁度要求。广泛采取了轴颈过渡圆角滚压技术。专用圆角滚压机自动控制，对全部轴颈圆角进行一次滚压，而且滚压力和滚压角度可自动调整，使圆角处产生最好残余压应力，提升了曲轴疲惫强度。曲轴热处理关键技术是表面强化处理。通常均正火处理，为表面处理作好组织准备。表面强化处理通常采取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。球铁曲轴含有很多优点，中国外广泛采取。但整体水平和国外还有相当差距，除生产规模小、管理落后外，关键差距仍是制造工艺落后。借鉴国外优异技术和工艺方法是提

6、升中国曲轴制造水平捷径。制订工艺规程思绪是：搜集和熟悉制订工艺规程相关资料图样，进行零件结构工艺性；确定毛坯类型及制造方法；选择定位基准；确定工艺路线；确定各工序工序余量、工序尺寸及其公差；确定各工序设备，刀具、夹具、量具和辅助工具；确定各工序切削用量立即间定额；确定关键工序技术要求及检验方法；进行技术经济分析，选择最好方案；编制工艺文件。机械制造技术新发展包含计算机辅助工艺规程设计和计算机辅助制造。计算机辅助制造是指经过计算机直接或间接地和企业中物质资源和人力资源交换信息，实现计算机对制造过程各步骤管理、控制和操作。柔性制造系统工作内容有：生产工程分析和设计；生产计划调度；工作站和设备运行控

7、制；工程监测和质量确保；物资供给和财会管理。计算机集成制造系统包含计算机辅助设计、计算机辅助工艺规程、计算机辅助制造、计算机辅助质量管理和自动存取等。夹具设计思绪是：明确设计任务，搜集设计资料；拟订夹具结构方案、绘制结构草图；绘制夹具总装图。绘制夹具总装图次序和方法：用双点化线或红色笔绘出工件轮廓外形和关键表面，并用网纹线表示出加工余量；视工件轮廓为透明体，分别绘出定位、导向、夹紧及其它元件或装置，最终绘制夹具体，形成一个夹具整体；标注尺寸、公差和配合和技术要求；对零件进行编号，填写零件明细栏和标题栏；绘制夹具零件图。计算机辅助绘制夹具装配图：1、通常采取“菜单”形式，对夹具元件图形进行编目和

8、检索。2、夹具装配图由若干夹具元件图形拼接而成。在微机上开发系统中可采取以下多个方法进行图形消隐：按配合形式分别存图；利用图形软件部分基础命令作消隐处理；参数化建库消隐处理。 1 R180柴油机曲轴工艺设计1.1 分析零件图1.1.1 零件作用曲轴是柴油机一个关键零件。曲轴关键用于作往复运动机械中。1.1.2 零件工艺分析曲轴图样视图、尺寸、公差和技术要求齐全、正确；零件选择材料为QT800-2，该材料含有较高强度、韧性和塑性，切削性能良好；结构工艺性比很好。依据各加工方法经济精度及通常机床所能达成位置精度，该零件没有极难加工表面，上述各表面技术要求采取常规加工工艺均能够确保。1.2 确定生产

9、类型已知零件年生产纲领为10件，零件质量3.76kg，由机械制造工艺及设备设计指导手册表152可确定其生产类型为大量生产。故初步确定工艺安排基础倾向为：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；采取高效专用夹具；广泛采取专用夹具；广泛采取专用量具、量仪和自动检验装置。这么生产效率高。1.3 确定毛坯1.3.1 确定毛坯种类依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，毛坯铸造方法选择金属模机械砂型铸造。依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取CT9级。1.3.2 确定铸件余量及形状依据机械制造工艺及设备设计指导手册表157，

10、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确定各表面铸件机械加工余量。对于金属模机械砂型铸造，依据机械制造工艺及设备设计指导手册表159铸件最小孔直径，故本零件上孔不铸出。1.3.3 画铸件零件综合图（见曲轴零件毛坯图）1.4 机械加工工艺过程设计1.4.1 选择表面加工方法依据各表面加工要求和多种加工方法所能达成经济精度，查机械制造工艺及设备设计指导手册表1532表1534选择零件关键表面（依次为从长头到短头）加工方法和方案以下：M36X2螺纹：粗车（IT12）精车（IT6）割槽33X4.8（IT11）车螺纹M36X2。1：8圆锥面：粗车（IT12）半精车（IT10）铣

11、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）割槽47X2.2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）。14.2斜孔：钻（IT12）。5斜油孔：钻（IT12）抛光（IT8）。60圆柱面：粗车（IT12）半精车（IT10）。50圆柱面：粗车（IT12）半精车（

12、IT10）粗磨（IT7）精磨（IT6）。40圆柱面：粗车（IT12）半精车（IT10）割槽38.5X3（IT10）铣键槽5N9（IT8）粗磨（IT7）精磨（IT6）。19孔：钻孔18.5（IT12）铰孔19（IT8）。M6螺纹：钻孔25（IT12）攻丝2-M6。1.4.2 确定工艺过程方案（1）确定方案 因为各表面加工方法已基础确定，现根据“先粗后精”、“先主后次”、“先面后孔”、“基准先行”标准，初步确定两种工艺过程方案，见表1。表1 工艺过程方案方案方案工序号工序内容工序号工序内容毛坯毛坯010按铸件要求检验010批量毛坯抽检020热处理020铣两端面030批量毛坯抽检030钻中心孔B50

13、40铣两端面040检测曲轴硬度方案方案工序号工序内容工序号工序内容050钻中心孔B5050粗车短头，依次为40h6，50k6，60060检测曲轴硬度060粗车长头，依次为M36X2，1：8圆锥面，45h9，50m6, 60070粗车短头，依次为40h6，50k6，60070精车短头，依次为40h6，50k6，60080粗车长头，依次为M36X2，1：8圆锥面，45h9，50m6, 60080精车长头，依次为M36X2，1：8圆锥面，45h9，50m6, 60090车开档，粗车连杆颈45090割槽38.5X3,割槽33X4.8,割槽47X2.2100精车短头，依次为40h6，50k6，60,割槽

14、38.5X3100车开档110精车长头，依次为M36X2，1：8圆锥面，45h9，50m6, 60, 割槽33X4.8, 割槽47X2.2110粗、精车连杆颈45120精车连杆颈45120钻孔14.2130钻孔14.2130钻斜油孔5140钻斜油孔5140钻孔18.5，铰孔19150钻孔18.5，铰孔19150修正中心孔160修正中心孔160粗磨两端主轴颈50170按工艺要求进行中间检验170粗磨连杆颈45180粗磨两端主轴颈50180铣键槽5N9190粗磨连杆颈45190铣键槽12N9200铣键槽5N9200铣K面210铣键槽12N9210钻铰48220铣K面220钻攻2M10230钻铰48

15、230钻攻2M6240钻攻2M10240精磨主轴颈50k6，50m6，磨45h9250钻攻2M6250精磨连杆颈45260精磨主轴颈50k6，50m6，磨45h9260磨1：8圆锥面270精磨连杆颈45270车螺纹M36X2280磨40h6280油孔5抛光290磨1：8圆锥面290在N处打厂标及检验标识300车螺纹M36X2300探伤方案方案工序号工序内容工序号工序内容310油孔5抛光310清洗320探伤320氮化330检验各相关尺寸330抛光连杆颈、油封档340在N处打厂标及检验标识340清洗、检验、包装350清洗360氮化370按氮化工艺要求检验380抛光连杆颈、油封档390清洗、检验、包

16、装（2）方案论证 方案优点在于基础遵照粗精加工划分阶段标准。方案不足之处是加工过程中检验太少，不利于控制曲轴加工质量。依据以上分析，确定方案为曲轴零件加工工艺路线。1.5 选择加工设备和工艺装备1.5.1 选择机床考虑到大量生产，尽可能选择高效机床。 工序070、080、090、100均为圆柱面车削加工，用CJK6140数控车床加工方便且效率高。 工序180、190、260、270、280、290均为圆柱面磨削加工，用JK101数显曲轴磨床加工方便且效率高。 其它表面加工均采取通用机床。如：C6140卧式车床、X62W万能铣床、Z5125立式钻床等。1.5.2 选择夹具考虑到大量生产，均采取专

17、用夹具。1.5.3 选择刀具 在车床上加工工序，均采取YG6硬质合金外圆车刀，并尽可能采取成形车刀。 在铣床上加工工序，铣平面选择YG6A硬质合金圆盘铣刀，铣键槽选择键槽铣刀。 在磨床上加工工序，磨主轴颈选择砂轮P600X63X305，C46K2B35，其外径为600mm，厚度为63mm，内径为305mm；磨连杆颈选择砂轮P600X25X305，C46K2B35，其外径为600mm，厚度为25mm，内径为305mm。 在钻床上加工工序，均选择麻花钻和机用丝锥。1.5.4 选择量具工序070粗加工可选通用量具。现按计量器具不确定度选择量具。粗车40h6mm至mm。查交换性技术测量应用手册表5.1

18、-1知计量器具不确定度许可值=0.029mm。查交换性技术测量应用手册表5.1-2，选择分度值0.02mm游标卡尺，其不确定度U=0.02mm，U3，故应乘孔深修正系数k1f=0.915，则f=（0.370.45）X0.915mm/r=0.340.41mm/r 按钻头强度决定进给量：依据切削用量简明手册表2.8，当灰铸铁硬度大于213HBS，d。=14.2mm，钻头强度许可进给量f=1.0mm/r。 按机床进给机构强度决定进给量：依据切削用量简明手册表2.9，当灰铸铁硬度大于210HBS，d。14.5mm，机床进给机构许可轴向力为8830N时，进给量为0.81mm/r。从以上三个进给量比较能够

19、看出，受限制进给量是工艺要求，其值为f=0.340.41mm/r。依据Z5125钻床说明书，选择f=0.36mm/r。2）决定钻头磨钝标准及寿命 由切削用量简明手册表2.12，当d。=14.2mm时，钻头后刀面最大磨损量取为0.8mm，寿命T=60min。3）决定切削速度 由切削用量简明手册表2.15，当f=0.36mm/r时，Vt=13m/min。切削速度修正系数为：kTv=1.0，kcv=1.0，klv=0.85，ktv=1.0，故v=vtkv=13X1.0X1.0X0.85X1.0m/min=11.1m/minn=1000v/(d。)=248.8r/min依据Z5125钻床说明书，可考虑

20、选择n=272r/min,但因所选转数较计算转数为高，会使刀具寿命下降，故可将进给量降低一级，即取f=0.28mm/r；也可选择较低一级转数n=195r/min,仍用f=0.36mm/r，比较这两种方案：第一方案 f=0.28mm/r,n=272r/min nf=2720.28mm/min=76.16mm/min第二方案 f=0.36mm/r,n=195r/min nf=1950.28mm/min=70.2mm/min因为第一方案nf乘积较大，基础工时较少，故第一方案很好。这时Vc=12m/min;f=0.28mm/r。（3）计算基础工时 （12）式中L=l+y+，l=47mm，依据切削用量简

21、明手册表2.29，入切量及超切量y+=6mm，则L=47+6mm=53mm，故tm=0.70min1.7.3 工序240（铣K面）切削用量立即间定额（1）选择刀具1）依据切削用量简明手册表1.2，选择YG6A硬质合金刀片。依据切削用量简明手册表3.1，铣削深度p4mm时，圆盘铣刀直径d。为80mm，a为60mm。但已知铣削宽度ae为70mm，故应依据铣削宽度ae49mm，选择d。=80mm。因为采取标准硬质合金圆盘铣刀，故齿数z=12（表3.12）。2）铣刀几何形状（表3.2）；因为铸铁硬度大于200HBS，故选择r=60，r=30，r=5，。=8（假定cmax0.08mm）, 。=10, s

22、= 10，。1=5。（2）选择切削用量1）决定铣削深p 因为加工余量不大，故可在一次走刀内切完，则p=h=3mm2)决定每齿进给量fz 依据切削用量简明手册表3.3，当使用YG6A，铣床功率为4.5KW时，fz=0.200.30mm/z取fz=0.30mm/z3）选择铣刀磨钝标准及刀具寿命 依据切削用量简明手册表3.8，因为铣刀直径d。=80mm，故刀具寿命T=180min（表3.8）。4）决定切削速度Vc和每分钟进给量Vf 切削速度Vc可依据切削用量简明手册表3.27中公式计算，也可直接由表中查出。依据切削用量简明手册表3.27公式进行计算。各修正系数为：kMv=0.72，ksv=0.8 (

23、见表1.28) kv= kMv ksv=0.576故 Vc=14.5m/min n=58r/min依据X62W型铣床说明书选择n=60r/min,Vfc=235mm/min所以实际切削速度和每齿进给量为vc=d。n/1000=3.14*80*60/1000m/min=15m/minfzc=Vfc/n z=235/(60*12)mm/z=0.33mm/z（3）计算基础工时 （13）式中L=l+y+，l=40mm，依据切削用量简明手册表3.25，入切量及超切量y+=17mm，则L=40+17mm=57mm，故tm=0.32min其它工序切削用量及基础时间见工序卡片。1.8 填写工艺规程卡1.8.1

24、 机械加工工艺过程卡片（见附件1）1.8.2 机械加工工序卡片（见附件2）2 R180柴油机曲轴第一套夹具设计2.1 明确设计任务、搜集分析原始资料2.1.1 加工工件零件图（见曲轴零件毛坯图）2.1.2 设计任务书（见表3）表3 设计任务书一工件名称曲轴夹具类型钻床夹具材 料QT800-2生产类型大量生产机床型号Z5125同时装夹工件数12.1.3 工序简图（见图1）图1 工序卡片230本夹具设计是第230道工序钻、铰8孔钻床夹具。本工序加工要求以下： 确保工序图所表示尺寸32、520.20、18； 相对K面垂直度为0.03mm； 相对三轴颈共面位置度为0.05。2.1.4 分析原始资料 关

25、键从以下几方面分析： 工件轮廓尺寸小，刚性好，结构简单。工件在夹具上装夹方便，且定位夹紧元件很好部署。 本工序所使用机床为Z5125立钻，刀具为通用标准刀具。 本工序是在工件其它表面半精加工后进行加工，所以工件取得比较正确定位基面。 生产类型为大量生产。所以应在确保工件加工精度要求和合适提升生产率前提下，尽可能地简化夹具结构，以缩短夹具设计和制造周期，降低设计和制造成本，取得良好经济效益。2.2 确定夹具结构方案2.2.1 依据六点定位规则确定工件定位方法由工序简图可知，该工序限制了工件六个自由度。现依据加工要求来分析其必需限制自由度数目及其基准选择合理性。为确保工序尺寸32mm、520.20

26、mm、18mm，应限制工件6个自由度。定位基准为两主轴颈、45连杆颈外圆和主轴颈轴肩。为了确保相对K面垂直度，需限制工件Y方向旋转自由度，其定位基准为连杆颈。由以上分析可知，依据工件加工要求分析工件应限制自由度、采取定位基准和工序简图所限制自由度、使用定位基准相同。2.2.2 选择定位元件，设计定位装置依据已确定定位基面结构形式，确定定位元件类型和结构尺寸。(1) 选择定位元件依据以上分析，本工序限制了工件6个自由度，定位基准为两主轴颈、连杆颈和主轴颈轴肩。对应夹具上定位元件为在两主轴颈处选V型块定位，连杆颈处选支承钉定位。(2) 确定定位元件尺寸及配合偏差V型块设计参考工件尺寸设计，具体尺寸

27、详见夹具零件图R180A1102支承钉依据GB/T222691设计。2.2.3 分析计算定位误差经过定位误差分析，判定所设计定位装置是否合理。造成定位误差原因是定位基准和工序基准不重合和定位基准位移误差两个方面。(1) 基准不重合误差 因为定位基准和工序基准不重合而造成定位误差，称为基准不重合误差。尺寸520.20mm定位误差B=icos （2-1）式中，I定位基准和工序基准间尺寸链组成环公差。i方向和加工尺寸方向间夹角。因为用V型块定位加工孔，即=900所以 B=0即基准不重合误差为0。(2) 基准位移误差因为定位基准误差或定位支承误差而造成定位基准位移，即工件实际位置对确定位置理想要素误差

28、，这种误差称为基准位移误差。在本道工序中，若不计V形块误差而仅有工件基准面圆度误差时，其工件定位中心会发生偏移，产生基准位移误差Y。Y= （2-2）式中，工件定位基准直径公差。/2V形块半角V形块对中性好，即其沿x向位移误差为零。此次设计V形块=1050所以：Y=0.630左端：=0.03mm代入上式，Y=0.019mm右端：=0.07mm代入上式，Y=0.044mm(3) 误差合成因为B=0左端D=Y=0.019mm右端D=Y =0.044mm而Tc=0.5mmD左1/3TcD右1/3Tc所以该方案能满足位置尺寸520.20mm要求。相对K面垂直度定位误差计算同上。B=0, Y=0即D=0所

29、以，此方案能满足加工要求。2.2.4 确定工件夹紧装置(1) 确定夹具类型 由工序简图可知，本工序所加工四孔，在同一平面内，孔径不大，轮廓尺寸小及生产批量大等原因，采取钻模。(2) 计算切削力和夹紧力工件在加工时受到轴向力作用。依据金属切削用量手册查知Fx=9.81CFx d0ZF fyFkF （2-3）已知d。=7.8mm，取f=0.1mm/r，其它各参数值可由金属切削用量手册查出，代入上式得Fx=809.2N(3) 设计夹紧装置本设计所设计夹紧机构图图示夹紧机构,能产生夹紧力F可由下图压板受力分析图求得。F= （2-4）式中，夹紧机构效率,取=0.9 ; F螺栓许用夹紧力(N)选择L1=L

30、2，由机床夹具设计表3-8查得：当螺杆螺纹公称直径d=10mm时，F=3570N所以，F=2F=235700.9=6426KN2.3 绘制夹具结构草图上述得到夹具结构总体设计，按摄影关资料绘制夹具结构草图。2.3.1 拟订夹具总装图尺寸、公差和配合和技术要求这里包含夹具总图关键尺寸和技术要求。关键尺寸指决定夹具精度和使用那些尺寸,关键技术条件通常是指夹具上一些表面形位公差要求和其它部分特殊技术说明。(1) 尺寸、公差和配合 夹具轮廓尺寸长宽高=195mm140mm220mm 工件和定位元件间联络尺寸两V形块要确保一定同轴度要求。 夹具内部配合尺寸这部分关键配合尺寸有10H7/r6 (2) 制订技术条件 关键包含以下多个方面： 两V形块V形表面待装配时进行调整加工； 配打V形块和夹具体、钻模板和夹具体定位用销钉； 加工前调整垫圈，使支承钉5对工件定位； 钻套和衬套配合16F7/m6，衬套和钻模板配合24H7/r6。2.3.2 绘制夹具总装图步骤以下 依据工件在多个视图上投影关系,分别画出其轮廓线； 部署定位元件； 部署夹紧机构