发动机曲轴的加工工艺

设计任务书

设计题目：

发动机曲轴的加工工艺

设计要求：

通过对曲轴的了解认识，在掌握曲轴的相关概念、性能的基础上，能够合理的制定一套加工曲轴的工艺过程。其中包括它的毛坯及材料的选定等，确定其加工路线，并能对其特点进行合理的分析和阐述。从而初步掌握发动机曲轴的加工工艺。

设计进度要求：

第一周：简述曲轴的结构、性能及应用；

第二周：确定曲轴的加工工艺过程；

第三周：分析曲轴的加工工艺特点；

第四周：确定曲轴的机械加工余量、工序尺寸及公差；

第五周：根据要求绘制图纸及论文的撰写，打电子稿；

第六周：经老师检查后修改毕业论文；

第七周：打印论文，完成毕业设计；

第八周：进行论文答辩

指导老师（签名）：

曲轴是车辆发动机的关键零件之一,其性能好坏直接影响到车辆发动机的质量和寿命.曲轴在发动机中承担最大负荷和全部功率,承受着强大的方向不断变化的弯矩及扭矩，同时经受着长时间高速运转的磨损，因此要求曲轴材质具有较高的刚性、疲劳强度和良好的耐磨性能。发动机曲轴的作用是将活塞的往复直线运动通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的输出。

本课题仅175Ⅱ型柴油机曲轴的加工工艺的分析与设计进行探讨。工艺路线的拟定是工艺规程制订中的关键阶段，是工艺规程制订的总体设计。所撰写的工艺路线合理与否，不但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的合理利用，从而影响生产成本。

所以，本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，确定各工序的定位基准、机械加工余量、工序尺寸及公差，最终制定出曲轴零件的加工工序卡片。

关键词：发动机，曲轴，工艺分析，工艺设计

摘要 (Ⅲ)

1 概述 (1)

1.1 曲轴的类型结构和应用 (1)

1.1.1 曲轴的类型 (1)

1.1.2 曲轴的结构 (4)

1.1.3 曲轴的应用 (6)

2 确定曲轴的加工工艺过程 (7)

2.1 曲轴的结构特点 (7)

2.2 曲轴的主要技术要求分析 (7)

2.3 曲轴的材料和毛坯的确定 (8)

2.4 曲轴的机械加工工艺过程 (8)

2.5 曲轴的机械加工工艺路线 (8)

3 曲轴的机械加工工艺过程分析 (9)

3.1 曲轴的机械加工工艺特点 (9)

3.1.1 形状复杂 (10)

3.1.2 刚性差 (10)

3.1.3 技术要求高 (10)

3.2 曲轴的机械加工工艺特点分析 (10)

3.3 曲轴主要加工工序分析 (11)

3.3.1 铣曲轴两端面及钻中心孔 (11)

3.3.2 曲轴主轴颈的车削 (11)

3.3.3 曲轴连杆轴颈的车削 (12)

3.3.4 键槽加工 (12)

3.3.5 轴颈的磨削 (12)

4 机械加工余量工序尺寸及公差的确定 (13)

4.1 曲轴主要加工表面的工序安排 (13)

4.2 机械加工余量工序尺寸及公差的确定 (13)

4.2.1 主轴颈工序尺寸及公差的确定 (13)

4.2.2 连杆轴颈工序尺寸及公差的确定 (14)

mm外圆工序尺寸及公差的确定 (14)

4.2.3 φ220

-0.12

4.2.4 φ200

mm外圆工序尺寸及公差的确定 (14)

- 0.021

4.3 确定工时定额 (14)

4.4 连杆机械加工工艺过程卡的制定 (15)

5 结论 (15)

致谢 (16)

参考文献 (17)

附录 (18)

1 概述

1.1 曲轴的类型结构及应用

1.1.1 曲轴的类型

曲轴有整体曲轴、组合曲轴和半组合曲轴三种结构形式，一般采用整体曲轴。整体曲轴又可分为锻造曲轴和铸造曲轴。（图表1—1）

名

简图

称

整

体

锻

造

曲

轴

整体铸造曲轴

组合曲轴

半

组

合

曲

轴

图表1—1

另外，曲轴根据结构和用途的不同又可分为曲拐轴、曲柄轴、偏心轴等。曲轴的性能

整体锻造曲轴尺寸紧凑、质量较轻、强度高、刚性好。但形状复杂加工困难，平衡块也不易与曲轴做成一体。整体锻造曲轴一般采用模锻和连续纤维挤压锻造。只有小量生产的曲轴，主要是曲轴半径在800mm以下的大中型曲轴，才采用自由锻。

整体铸造曲轴的加工性能好，金属切削量少，成本低，铸造曲轴可以获得较合理的结构形状，如椭圆形曲柄臂，桶形空心轴颈和卸载槽等。从而使应力分布均匀，对提高曲轴的疲劳强度有显著效果。铸造曲轴的应用正在不断扩大。

本次设计为整体铸造曲轴

1.1.2 曲轴的结构

曲轴一般由轴端、轴颈和曲柄臂三部分组成，曲轴内应开有油孔，作为润滑油的通道。

曲轴的轴端：轴心线与曲轴旋转中心同心的轴向端部称之为轴端。轴端一般作为曲轴的输入（输出）端，与带轮、联轴器、飞轮和驱动机等连接，要求连接牢固可靠。

曲轴的轴颈：轴颈包括主、支承轴颈和连杆轴颈。（图1—2）安装滑动轴承的轴颈要有足够的承压面积和较高的耐磨性保证供油和散热。主轴颈与连杆轴颈重叠的部分S称之为重合度。（图1—3）它对曲轴强度影响很大。S增加，曲轴刚性增加，截面变化缓和，应力集中现象改善。应尽量避免S等于或接近于零。曲柄臂及曲拐：曲轴上连接主轴颈和连杆轴颈或连接相邻连杆轴颈的部位叫做曲柄臂。曲柄臂与连杆轴颈的组合体称为曲拐。

图1——2

图1——3

1.1.3 曲轴的应用

曲轴的材料：曲轴一般由碳素结构钢、合金结构钢或球墨铸铁制成的。

曲轴的应用：曲轴是发动机上的一个重要的旋转机件。装上连杆后，可承接活塞的往复运动变成循环运动。曲轴的两个重要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连接，连杆小头孔与气缸活塞连接，是一个典型的曲柄滑块机构。

发动机的工作过程就是活塞经过混合压缩气的爆燃，推动活塞作直线运动，并通过连杆将力传给曲轴，由曲轴将直线运动转变为旋转运动。而曲轴加工的好坏将直接影响发动机整体性能的表现。

曲轴在工作时，受气体压力，惯性力及惯性力矩的作用，受力大而且受力复杂，同时，曲轴又是高速旋转件，因此，要求曲轴具有足够的刚度和强度，具有良好的承受冲击载荷的能力，耐磨损且润滑良好。

在曲轴的机械加工中，采用新技术和提高自动化程度都不断取得进展。目前，

国内较陈旧的曲轴生产线多数由普通机床和专用机床组成，生产效率和自动化程度相对较低。粗加工设备一般采用多刀车床车削曲轴主轴颈及连杆轴颈。工序质量稳定性差，容易产生较大的加工应力，难以达到合理的加工余量。精加工普遍采用MQ8260等普通曲轴磨床进行粗磨、半精磨、精磨和抛光，通常靠人工操作，加工质量不稳定，尺寸一致性差。

现在加工曲轴粗加工比较流行的工艺是：主轴颈采用车削工艺和高速铣削。连杆颈采用高速铣削，而且倾向于高速随动铣削，全部采用干式切削。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所有连杆颈。在磨削过程中，磨头实现往复摆动进给，跟踪着偏心回转的连杆颈进行磨削加工。

2 确定曲轴的加工工艺过程

2.1 曲轴的结构特点

曲轴的主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座中。主轴承的数目不仅与发动机气缸数目有关，还取决于曲轴的支承方式。

曲轴的连杆轴颈是曲轴与连杆的连接部分，在连接处用圆弧过渡，以减少应力集中。

曲轴的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，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。曲轴前端装有齿轮，驱动风扇和水泵的皮带轮以及起动爪等。为了防止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。曲轴的后端用来安装飞轮，在后轴颈与飞轮凸缘之间制成挡油凸缘与回油螺纹，以阻止机油向后窜漏。

另外，曲轴的曲拐数目等于气缸数(直列式发动机)；V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。

2.2 曲轴的主要技术要求分析

主轴颈、连杆轴颈本身的精度即尺寸公差等级为IT6，表面粗糙度Ra值在1.6～0.8um之间。轴颈长度公差等级在IT9～IT10之间。轴颈的形状公差如圆度、

圆柱度控制在尺寸公差之半。

位置精度包括主轴颈与连杆轴颈的平衡度。一般为100um之内不大于200um；

曲轴各主轴颈的同轴度：小型高速曲轴为0.025mm，中大型低速曲轴为0.03～0.08mm。

各连杆轴颈的位置度不大于±20′。

2.3 曲轴的材料和毛坯的确定

曲轴工作时要承受很大的转矩及交变的弯曲应力，容易产生扭振、折断及轴颈磨损。因此要求用材应较高的强度、冲击韧度、疲劳强度和耐磨性。常用材料有35、40、45钢或球墨铸铁QT600—3；对于高速、重载曲轴，可采用40Cr、42Mn2V等材料。本设计采用球墨铸铁QT600—3。

曲轴的毛坯根据批量大小、尺寸、结构及材料品种来决定。批量较大的小型曲轴采用模锻；单件小批的中大型曲轴采用自用锻造；而对于球墨铸铁材料则采用铸造毛坯。

2.4 曲轴的机械加工工艺过程

曲轴的尺寸精度、加工表面形状精度以及位置精度的要求都很高，但刚性比较差，容易产生变形，这就给曲轴的机械加工带来了很多困难，必须予以充分的重视。

曲轴需要加工的表面有：主轴颈、连杆轴颈、键槽、φ20、φ22的外圆。由于使用了工艺搭子，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。

根据曲轴的结构特点及机械加工的要求，加工顺序大致可归纳为：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。

2.5 曲轴的机械加工工艺路线

（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φ220-0.12mm外圆

（17）、磨削φ200-0.021mm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）、检验

3 曲轴的机械加工工艺过程分析

3.1 曲轴的机械加工工艺特点

曲轴除了具有轴的一般加工规律外，也有它的工艺特点，主要包括形状复杂，刚性差及技术要求高，针对这些特点应采取相应的措施，分析如下：

3.1.1 形状复杂

曲轴主轴颈与连杆轴颈不在同一轴上线，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间有较大的平衡块，因此在工艺设计中应解决以下几点问题：

⑴、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180°，加工另一连杆轴颈。

⑵、为消除加工时的不平衡力的产生，设计夹具时应精确设计平衡块的重量。

3.1.2 刚性差

由于本曲轴长径比较大，同时具有曲拐，因此刚性较差。曲轴在切削力及自重的作用下会产生严重的扭曲及弯曲变形，在工艺设计中应解决以下问题：

⑴：粗加工时由于切削余量大，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都应有较高的刚度。

⑵：在加工时尽量使切削力的作用相互抵消，可用前后刀架同时横向进给。

⑶：合理安排工位次序以减少加工变形，按先粗后精的原则安排加工工序，逐步提高精度。

3.1.3 技术要求高

曲轴技术要求较高，加工面多，需要保证的尺寸、形状、位置精度较多。因而总的工艺路线较长，精加工占有相当比例。加工时应要解决以下问题：

⑴：正确分配粗加工、半精加工及精加工余量。

⑵：粗基准选择用曲轴两端的中心孔。中心孔的加工以主轴颈外圆作为基准，这样能保证曲轴加工径向及轴向加工余量的均匀性。

⑶：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起加工误差。也可一端用主轴颈定位，另一端用中心孔定位以提高刚度。

⑷：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量与设计基准一致。

3.2 曲轴的机械加工工艺特点分析

⑴、该零件是三拐小型曲轴，生产批量不大，故选用中心孔定位，它是辅助

基准，装夹方便，节省找正时间，又能保证三处连杆轴颈的位置精度。但轴两端的轴颈分别是φ20mm和φ25mm，而三处连杆轴颈中心距分布在φ32mm的圆周上，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的工艺搭子，这样就可以在工艺搭子上钻出四对中心孔，达到用中心孔定位的目的。

⑵、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φ32mm、圆周120°均布的三个连杆轴颈的中心孔，这样就保证了它们之间的位置精度。

⑶、该零件刚性较差，应按先粗后精的原则安排加工顺序，逐步提高加工精度。对于主轴颈与连杆轴颈的加工顺序是，先加工三个连杆轴颈，然后再加工主轴颈及其他各处的外圆，这样安排可以避免一开始就降低工件刚度，减少受力变形，有利于提高曲轴加工精度。

⑷、由于使用了工艺搭子，铣键槽工序安排在切除中心孔后进行，故磨外圆工序必须提前在还保留工艺搭子中心孔时进行，同时要注意防止已磨好的表面被碰伤。

3.3 曲轴主要加工工序分析

3.3.1 铣曲轴两端面及钻中心孔

本工序在钻铣车组合车床上完成，主要保证曲轴总长及中心孔的质量，若端面不平则中心钻上的两切削刃的受力不均，钻头可能引偏而折断，因此采用先面后孔的原则。中心孔除影响曲轴质量分布外，它还是曲轴加工的重要基准贯穿整个曲轴加工始终。因而直接影响曲轴加工精度。打中心孔在本次工艺设计中因考虑设备因素，采用找出曲轴的几何中心代替质量中心。打中心孔以毛坯的外表面作为基准，因而毛坯外表面质量好坏直接影响孔的位置误差。

3.3.2 曲轴主轴颈的车削

由于曲轴年产量不大，主轴颈加工采用车削，在刚度较强的普通车床上进行。曲轴安装在前、后顶尖上，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完成主轴颈的车削。由于加工余量大且不均匀，旋转不平衡，加工时产

生冲击，因此工件要夹牢固。车床、刀具、夹具要有足够的刚性。主轴颈车削顺序是先精车一端主轴颈及轴肩，然后以车好的主轴颈定位。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，半精度及精车都按此顺序进行，逐渐提高主轴颈及其他轴颈的加工精度。

3.3.3 曲轴连杆轴颈的车削

在车削连杆轴颈时，以连杆轴颈中心孔作为加工连杆轴颈的基准，采用专用的车夹具车削连杆轴颈，车削同样在普通车床上进行。车削连杆轴颈需要解决的是角度定位（两连杆轴颈轴线需要控制在150°～210°）以及曲轴旋转的不平衡问题。这些都由专用夹具来保证，夹具体为一对用以定位的V型块组成，装在接盘上。接盘与车床过渡接盘靠中间的定位销定位并连接，接盘在过渡接盘上靠棱形定位销可转180°，依次车削两个连杆轴颈。V型块中心与车床主轴线距离一个曲轴半径。车削过程中，一端与曲轴主轴颈定位并夹紧，另一端靠中心座夹紧，中心座上钻有中心孔，中心孔偏心距同样为一个曲轴半径。用顶尖顶紧中心孔，这样就能保证连杆轴颈轴线与车床主轴线一致。安装夹具体的接盘上有平衡块，消除曲轴旋转时不平衡力矩的生成。曲轴加工时由于受到离心力和两顶尖的轴向压紧偏心力的作用，容易发生弯曲变形，为了加强工件刚度，用撑杆来撑住另一个曲拐的开移。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，刀具采用高速钢。

3.3.4 键槽加工

这个键槽主要用于飞轮，加工此键槽应安排在主轴颈精磨工序之后，这样能保证定位精度及控制键槽的深度以及对称度。键槽加工是以两主轴颈定位，同样用专用夹具在普通铣床上进行。

3.3.5 轴颈的磨削

由于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，并且具有较高的形状精度及位置精度。因此主轴颈与连杆轴颈精车后要进行磨削，以提高精度表面粗糙度。

在工艺设计中，首先磨连杆轴颈然后磨主轴颈。连杆轴颈磨好后才能磨其余轴颈，磨主轴颈和连杆轴颈的安装方法基本上与车轴颈相同，磨连杆轴颈是以连

杆轴颈中心孔定位，在曲轴磨床上进行，磨主轴颈则以主轴颈中心孔定位，以保证与主轴颈的轴线距离的要求，磨主轴颈是在外圆磨床上进行的。

由于轴颈宽度不大，采用横向进给磨削法，生产率较高，磨轮的外形需仔细地修整，因为直接影响轴颈与圆角的形状，磨削余量根据车削后的精度而定，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，由于对工件的压力很大，为避免曲轴弯曲，采用可以调节的中心架，否则就不能去掉上道工序留下的弯曲度，最好待这个轴颈的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干净，去砂粒及油泥，确保加工基准——中心孔的精度，磨削工序之前必须修研中心孔。

4 机械加工余量工序尺寸及公差的确定

4.1 曲轴主要加工表面的工序安排

曲轴的主要加工表面为主轴颈、连杆轴颈、各外圆；次要加工表面为两端面、键槽。此外，还有检验、清洗、去毛刺等工序。

曲轴各主要表面的工序安排如下：

（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；

（4）、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的确定

4.2.1 主轴颈工序尺寸及公差的确定

表4—1 曲轴主轴颈的工序和公差

4.2.2 连杆轴颈工序尺寸及公差的确定

表4—2曲轴连杆轴颈的工序及公差

mm外圆工序尺寸及公差的确定

4.2.3 φ220

-0.12

表4—3曲轴φ220-0.12mm外圆的工序及公差

mm外圆工序尺寸及公差的确定

4.2.4 φ200

- 0.021

表4—4曲轴φ200-0.021mm外圆的工序及公差

4.3 确定工时定额

工序8：粗车三个连杆轴颈至φ25.80-0.084。选用机床：CA6140卧式车床。

⑴背吃刀量：a p =1mm

⑵进给量：f=0.5mm／r

⑶机床主轴转速：n=600r／min

⑷切削速度：v c=nπd w ／1000=（600×3.14×28.4）／1000=53.5m／min

⑸计算切削工时：被切削层长度L=3×22=66mm

t m=L／nf=66／600×0.5=0.22min，因为粗车走刀两次，故t m=0.44min

工序9：精车三个连杆轴颈至φ24.50-0.033。选用机床：CA6140卧式车床。

⑴背吃刀量：a p =0.65mm

⑵进给量：f=0.3mm／r

⑶机床主轴转速：n=800r／min

⑷切削速度：v c=nπd w ／1000=（800×3.14×25.8）／1000=64.8m／min

⑸计算切削工时：被切削层长度L=3×22=66mm

t m=L／nf=66／800×0.3=0.275min，因为精车走刀两次，故t m=0.55min

4.4 连杆机械加工工艺过程卡的制定

制定机械加工工艺规程的最后一下项工作就是填写工艺卡片，它主要包括发动机曲轴的工序顺序及内容的填写、工序简略的绘制、合理选用各工序所用机床设备的名称与型号、工艺装备（即刀具、夹具、量具等）的名称与型号。

5 结论

在加工发动机曲轴的过程中，要特别注意其工序的安排。合理的加工工序有利于曲轴整体精度的提高。通过合理的运算，精确曲轴的加工余量也很重要。曲轴的加工是一项精度较高的加工工艺，因此在对其关键部位加工时要分步安排其工序尺寸和公差。

致谢

我本次的毕业设计，得到了张保和老师的亲切关怀和精心指导，使得本设计得以顺利完成，其中无不饱含着老师的汗水和心血。首先要感谢的是我的指导老师张保和老师，在整个过程中他给了我很大的帮助。在完成初稿后，老师认真查看了我的设计内容和格式，指出了我存在的很多问题，让后我回去在查看资料，在反复的修改中我学到了不少知识，同时在请教别人的过程中我也增加了和同学老师之间的感情，使我们的友谊更进一步加深了，在此十分感谢张保和老师的细心指导，才能让我顺利完成毕业设计。同时感谢所有任课老师三年来对我的培养。如果没有你们的精心培育我不可能有今天的没好时光，是你们在我有困难的时候帮我们解决困难，就包括这次的毕业设计有许多老师都给与了我们很大的帮助，不管是从材料的来源还是格式的指导都非常认真细心地给我们指引。同时也要感谢我的同学和朋友们，在设计过程中也得到了许多朋友的关心，不管是学哥学姐，都给予我们帮助，我将永远记得你们伴我走过的每一个有欢笑有泪水的日子，是你们的关心和帮助，让我感受到了家的温暖。

借此，感谢大学三年中我的辅导员和任课老师们给予的教诲，你们的教诲，不仅让我学到了书本的基础知识，更重要的是让我学会了如何做一名优秀的大学生，如果没有你们的辛勤教诲，也不会有我今天的成长。也感谢学院为我们提供了一次这样好的机会，使自己在学习的同时也锻炼了自己的实践能力。

参考文献

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