曲轴加工方法

武汉理工大学

本科生毕业设计（论文）开题报告

1、目的及意义

背景：

曲轴是内燃机的重要零件，在工作中将活塞的往复运动转化成旋转运动，承受冲击载荷，并且对外输出功率。曲轴在使用中的磨损是决定发动机是否需要大修的一个主要因素，如果曲轴质量没有保证，将严重影响整机的寿命。因此对曲轴材质以及毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等要求都十分严格。如果任何一个环节质量没有得到保证，则可严重影响曲轴的使用寿命和整机的可靠性。世界汽车工业发达国家对曲轴加工十分重视，并不断改进曲轴加工工艺。[1]

国外现状：

国外机加工技术的特点：广泛采用数控技术及自动线，生产线一般由几段独立的子空话生产单元组成，忽悠很高的灵活性和适应性。采用龙门式自动上下料，集放式机动辊道传输，切削液分粗加工和精加工两段集中供应和回收处理；曲轴中心孔一般采用质量定心加工方式，这样可保证后续工序加工时工件运转稳定，有利于提高产品质量。另外，在曲轴动平衡工序中，不平衡量很小，有利于改善曲轴的内部质量补偿；轴颈的粗加工一般采用数控铣削获车拉工艺。工序质量可以达到国内粗磨后的水平，且切削变形小、效率高；国外的数控磨床多采用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等功能，是曲轴的磨削精度和效率显著提高，主轴颈一般采用多砂轮磨削，连杆轴颈一般采用双砂轮磨削；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，油孔的加工大多采用枪钻自动钻孔-修缘-抛光；曲轴的抛光采用CNC控制的综合平

衡机，测量、修正一次完成；检测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、打印；曲轴的清洗采用专用精洗机定点点位清洗能有效地保证曲轴的清洁度要求；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，而且滚压机和滚压角度自动调节，使圆角处产生最佳的残余压应力，提高了曲轴的疲劳强度。[2]

曲轴粗加工工艺设备出现的先后顺序历经了单刀车、多刀成型车、外铣、内铣、车拉、车-车拉、高速随动外铣、负荷加工工艺。由于、外铣、内铣、车拉、车-车拉、高速随动外铣是多个刀片交替进行加工，并且为小片状切屑，可产生较小的径向切削力，有效地见笑了曲轴粗加工的切削变形，变形量大的多刀成型车逐渐淘汰。[1]

20世纪80年代后期，德国Boehringer公司和Heller公司开发出了完善的曲轴车-车拉机床，该加工工艺是将曲轴车削工艺与曲轴车拉工艺完美结合，生产效率高，加工精度好，柔性强，自动化程度高，换到时间短，特别适合有沉割槽曲轴的加工，加工后曲轴可直接精磨，省去粗磨工序。

几年后，德国Heller公司专为发动机曲轴连杆颈粗加工设计制造的RFK200/800/2CNC曲轴数控内铣机床，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，连动跟踪铣削曲轴的连杆轴颈。具有干式切削，加工精度高，切削效率高等特点。

20世纪90年代中期国外又研发出来新型的CNC高速曲轴外铣机床，使曲轴粗加工工艺又上了一个新台阶，CNC曲轴外铣与CNC高速曲轴内铣对比，外铣有以下优点：切削速度高（可高达350m/min），切削时间短，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，加工精度高，柔性更好。

国内的大部分专业厂家普遍采用普通机床和专用组合机床组成的流水线生产，生产效率、自动化程度较低。粗加工设备多采用S1-206A,S2-217或S1-130曲轴车床加工主轴颈及连杆颈，工序质量稳定性差，容易产生较大的内部应力，难以达到合理的加工余量。外圆的磨削余量一般单边留0.5~0.8mm；止推面单边余量一般留0.3~0.4mm，为保证成品尺寸，采用多次磨削方式，一般精加工采用MQ8260曲轴磨床粗磨-半精磨-精磨-抛光。通常靠手工操作，加工质量不稳定，

废品率较高。“八五”期间，部分企业曾先后引进数控内铣床铣曲轴主轴颈和连杆轴颈，数控磨床、数控砂带抛光机等先进设备使曲轴机加工水平提高，但整体工艺水平任很低，曲轴的关键技术项目与国外相差1~2个数量级。[2]

国内现状：

国内部分采用传统车削工艺的曲轴生产厂家，主要设备来源是俄罗斯、美国的Wickse公司和沈阳第一机床厂。[10]

在20世纪60年代初，国外出现了曲轴铣削加工工艺及相应的曲轴铣削机床，我过从80年代开始引进数控曲轴铣床，如洛拖、潍柴、北内等.[11]在20世纪80年代中期开发出了圆盘型车拉机床。如我国北京吉普、江西五十铃先后引进了这种机床。在80年代后期，德国的几家机床公司不约而同地开发出更为完善的曲轴车-车拉机床，我国玉柴机器股份有限公司引进了这种机床，车拉加工实际是车削和拉削加工的结合，加工时曲轴与刀具都做旋转运动，切向走刀。[12]

文登天润曲轴通过引进德、美、意等发达国家的先进设备，组建了具有当今国际先进水平的大型曲轴生产基地，有CBN磨床、HAAS立式和卧式加工中心、意大利SAIMP磨床、德国HELLER曲轴内铣床和SA-FINA抛光机等设备组成的机加工生产线已经开始大批量生产。[13]

意义：

虽然现在的数控铣削能达到一定的精度，但是相比车削由于其工作原理是将曲线变为小段直线用插值的方法完成，考虑到曲轴毕竟是典型的车削零件，车削能最好地保证其圆度和圆柱度。而传统的车削曲轴的方法，车削连杆轴颈时需要重新确定定位中心，而且在加工时需要对曲轴进行配重，一是麻烦增加了辅助时间，二是由于这种配重的不稳定严重限制了加工工件的质量和加工时的切削速度，即传统的车削方法对零件的加工的效率和质量有制约。而本文将要介绍的这种基于平行四边形机构刀架的车削方法，通过使刀架和曲轴一起做同相位的平面运动，使工件一次定位即可完成主轴颈和连杆轴颈的加工，减少定位装夹次数，一方面提高了工件的加工精度，另外减轻工人的劳动量，也减少了辅助时间，大大提高了生产效率；另外通过在设计时对刀架进行力平衡，使得刀具的切削速度大大提高，进一步提高生产率。

2、基本内容和技术方案

基本内容：

1、拟定基于平行四边形机构的刀架部件总体方案

刀架为平行四边形机构，刀具安装在连杆上，切削力为：Fx=1150N, Fy=790N, Fz=2900N;平行四边形两曲柄长度可调，各构件的运动时的惯性力应被

平衡。

2、基于平行四边形机构的刀架部件结构参数的确定；

3、基于平行四边形机构的刀架部件装配图设计；

4、主要零件的校核计算；

5、零件工作图设计（部分）。

技术方案：

本方案的原理：如图1所示，曲轴主轴颈与机场主轴同轴安装，由机床主轴

驱动旋转，曲轴连杆颈做平面回转运动。刀架为平行四边形连杆机构，其机构的

曲柄长度等于曲轴曲柄的长度，车刀安装在平行四边形连杆机构的连杆上，平行

四边形连杆机构的曲柄与被加工曲轴的曲柄一起做同相位同转速的旋转运动，连

杆则带动车刀作跟随曲轴轴颈的圆周平动。曲轴轴颈运动与连杆运动的复合，使

得曲轴连杆颈与车刀刀尖的相对运动为定轴转动，从而实现车刀对曲轴轴颈的车削。

经理论证明：

1）在确定了工件和机场主轴的旋转速度之后，被加工曲轴切削点和刀尖点之间的相对速度为一恒定矢量Vx=0,Vy=rw

2）曲轴每旋转一圈，连杆颈上任一点P点被切削一次

综上证明这种随动车削工艺等同于普通外圆车削工艺。

为满足两曲柄长度可调以增强此刀架的柔性化，将每个曲柄演变成双偏心盘的结构，通过旋转里面的小盘用来调节曲柄的长度，而外面的大盘的作用同普通曲柄。当调节曲柄长度时，是大盘和刀架周向固定，而旋转小盘；当调整好曲柄的长度后，将大盘与里面的小盘周向固定形成一个曲柄缸体，解除大盘与刀架的周向固定，从而形成双曲柄的刀架工作。整个刀架装在一个直线导轨上，在导轨上移动刀架以实现进给运动。

3、进度安排

第1-4周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需资料，确定方案，完成开题报告

第5-8周：自己查阅工具书和参考课本，并和老师多讨论，初步确定刀架的结构，并且确定零部件的具体尺寸

第9-12周：学习相关软件，并且完成装配图和零件图的绘制工作

第13-16周：完成并修改毕业论文

第17周：准备论文答辩

4、参考文献

[1] 段绍林，毛泽永，宋利强，曲轴机加工工艺与设备现状及发展趋势[J]，内燃机，2010（2）,27-30

[2] 赵刚，内燃机曲轴制造技术现状及发展趋势[J]，内燃机，2004（3），34-38

[3] 王三武，刘薇，王晓军，曲轴连杆颈复合跟随车削原理分析[J]，现代机械，2010（4）,4-7

[4] 付军，曲轴的加工[J]，一重技术，2006（4），76-83

[5] 李须峰，发动机曲轴加工的新工艺及装备[J]，MC现代零部件，2006（9），87-89

[6] 陈立柱，程玮，曲轴加工技术的发展及特点[J]，国外汽车，1993（6），27-29

[7] W.Y. Chien a, J. Pan a,, D. Close b, S. Hob,Fatigue analysis of crankshaft sections under bending with consideration of

residual stresses[J],International Journal of Fatigue 27(2005) 1-19 [8] Chellin,Roberto.New engine-turning mechanism from Gali[J].Diesel and Gas Turbine Worldwide,v38n7,September,2006,p12

[9] Schoreter,R.B.(Mechanical Engineering Department,State University of Santa Catarina);Bastos,C.M.;Crichigno Filho,J.M..Simulation of the main cutting force in Crankshaft turn broaching[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,v47,n12-13,October,2007,p1884-1892 [10] Walsh A ,Baliga B ,Hodgson P A. Study of the Crankshaft Pin Gringding Forces.Key Engineering Materials,2004,v257-258:p75-80

[11] 李海国，曲轴先进制造技术及工艺应用研究[J].现代制造技术与装备，2007（4）5-8+26

[12] 王一治，国内外曲轴制造工艺综述[J].山东农机，2001（5）

[13]李须峰，发动机曲轴加工的新工艺及装备[J].现代零部件，2006（9）87-89

[14] 杨家军主编，机械原理[M],华中科技大学出版社，2009年2月

[15] 彭文生，李志明，黄华梁，机械设计（第二版）[M],高等教育出版社，2008年11月

[16] 闻邦椿主编，机械设计手册[D]第五版,机械工业出版社，2010年4月

[17] 成大先主编，机械设计图册[D]，化学工业出版社，2000年3月

5、指导老师意见

指导老师签名：

年月日