柴油机曲轴的加工工艺毕业设计18号改

摘要

曲轴是发动机上的一个重要的旋转机件，装上连杆后，可承接活塞的上下(往复)运动变成循环运动。曲轴主要有两个重要加工部位：主轴颈和连杆颈。主轴颈被安装在缸体上，连杆颈与连杆大头孔连接，连杆小头孔与汽缸活塞连接，是一个典型的曲柄滑块机构。发动机工作过程就是：活塞经过混合压缩气的燃爆，推动活塞做直线运动，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着发动机整体性能的表现。曲轴的材料是由碳素结构钢或球墨铸铁制成的，有两个重要部位：主轴颈，连杆颈。本次采用球墨铸铁QT600-2.设计的主要就是这两方面的在数控机床的加工。集合多种的曲轴加工后，深入分析了曲轴的加工工艺。

关键词：曲轴主轴劲连杆劲数控加工

。

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一曲轴的基础信息

1.1曲轴的作用

曲轴是汽车发动机中的重要零件，它与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转的动力，传给底盘的传动机构，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。

1.2曲轴的结构及其特点

图1-1 曲轴的结构图

曲轴一般由主轴颈，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。

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。

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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。

1.3曲轴的主要技术要求分析

（1）.主轴颈、连杆轴颈本身的精度，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。轴颈的形状公差，如圆度、圆柱度控制在尺寸公差之半。

（2）.位置精度，包括主轴颈与连杆轴颈的平行度：一般为100mm之内不大于0.02mm；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。

（3）.各连杆轴颈的位置度不大于±20′。

1.4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，容易门生扭振、折断及轴颈磨损，因此要求用材应有较高的强度、冲击韧度、疲劳强度和耐磨性。常用材料有：一般曲轴为35、40、45钢或球墨铸铁QT600-2；对于高速、重载曲轴，可采用40Cr、42Mn2V等材料。

1.5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、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、主轴颈和外圆；切除工艺搭子、车端面、铣键槽等。

1.6曲轴机械加工工艺基本路线

（1）基础锻造

（2）热处理

3

（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）粗车连杆轴颈

（9）精车连杆轴颈

（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）磨削主轴颈

（16）磨削外圆

（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）最后检验

二曲轴的机械加工工艺过程分析

2. 1曲轴的机械加工工艺特点

三拐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

2. 2曲轴的机械加工工艺特点分析

（1）该零件是多拐小型曲轴，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。但轴两端的轴颈比例不再统一圆

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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。

（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。

（3）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。

（4）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。

2. 3曲轴主要加工工序分析

（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，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。

（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的车削。由于加工余大且不均匀，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）曲轴连杆轴颈的车削

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180度+30度或180度—30度）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度，依次车削两个连杆

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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，另一端靠偏中心座夹紧，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。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。

（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车工序之后，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。

（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，首先磨主轴颈然后磨连杆轴颈。中间主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的两端主轴颈定位，以保证与主轴颈的轴线距离及平行度要求，磨连杆轴颈是在曲轴磨床上进行的。

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，磨轮对工件的压力很大，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。

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三 机械加工余量、工序尺寸及公差的确定

3.1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，还有还有检验、清洗、去毛刺等工序。

连杆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； 3.2确定工时定额

粗车七个连杆轴颈至φ25.80-0.084。 （1） 被吃刀量

p

a ：取

p

a =1mm ，

（2） 进给量f ：取0.5/f mm r =。 （3） 机床主轴转速: 取n=600r/min （4） 切削速度：

min

/5.531000/)6004.2814.3(1000/)(m n d v w c =??==π

（5） 计算切削工时：被切削层长度l =3×22=66mm min 22.0min 5

.060066=?=

=

nf

l t m ，因为粗车走刀两次，故t m =0.44min

精车三个连杆轴颈至φ24.50-0.033。 （1） 被吃刀量p a ：取p a =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：min /8.641000/)8008.2514.3(1000/)(m n d v w c =??==π （5） 计算切削工时：被切削层长度l =3×22=66mm

min 275.0min 3

.080066=?=

=

nf

l t m ，因为粗车走刀两次，故t m =0.55min

四附录设备刀具

工序号工序名称设备名称型号夹具、刀检具及辅具005 铣端面双面铣床

010 划线可调V型架

015 打中心孔中心孔钻床可调中心架

020 粗车法兰外圆C630

025 粗车主四C630

030 粗磨主四MQ8260 P900x38x305A46#P5V 035 车主颈及大小头S1-206 卡瓦、成型车刀040 粗磨主颈及小头MQ8260 砂轮

045 精车大头CA6140

050 车小头平端面C3180 锥柄钻花

055 钻大头孔C3180 锥柄麻花钻

060 铣定位面

065 车外端连颈S1-217 卡瓦、成型车刀070 车第二区连颈S1-217 卡瓦、成型车刀075 车中心区连颈S1-217 卡瓦、成型车刀080 粗磨连颈MQ8260 三等分夹具、砂轮085 半精磨小头MQ8260

090 钻直油孔Z35A 钻直油孔钻模095 钻斜油孔油孔钻床钻斜油孔钻模

100 精磨主颈MQ8260 砂轮、修整器、中心架、千分尺、卡板

105 精磨法兰MQ8260 砂轮、修整器、中心架、千分尺、卡板

110 精磨连颈MQ8260 砂轮、修整器、中心架、三等分夹具、中心高检具

115 探伤及退磁JDC-900

120 氮化前抛光砂纸150#

125 检验

130 校直Y41-63 V型块

135 氮化

140 修中心孔、倒角CA6140

145 精磨小头MQ8260 表架、主一长度检具150 精车轴承孔CA6140 内径量缸表、校对规155 钻法兰孔Z35A 钻模、钻花、丝攻160 铣键槽X62W 铣键槽夹具

165 去毛刺电动工具

170 油孔口抛光橡胶锥及砂纸180# 175 动平衡及去重动平衡机、Z35A 钻花

180 氮化后抛光砂纸180#

185 检验

190 清洗、上蜡、清洗机柴油、清洗液、蜡

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140 修中心孔、倒角CA6140

包装

五工序分析

（1）铣端面工序有两个作用：保证曲轴的总长；保证中心孔的质量。若端面不平，则中心钻上两个切削刃的受力不均，钻头引偏而折断。这也是“先面后孔”原则的具体应用。（2）中心孔的重要性：中心孔除影响曲轴的质量分布外，它的重要性还在于它是曲轴加工的重要精基准，直接影响曲轴的加工精度，因此中心孔必须满足其质量要求。但工件经过粗加工后，中心孔的精度往往不可避免地受到影响，所以在精加工之前，必须对中心孔进行修研，确保符合其技术要求。可用油石或橡胶砂轮修研。

（3）打中心孔是采用找出曲轴的几何中心来代替质量中心，是以毛坯的外表作为基准。毛坯外表光洁圆整，则打出的中心孔位置误差就小。

（4）按照S1-206车床的工装结构，必须先粗车和粗磨主颈四。主颈四是加工长度尺寸的一个基准，其两侧扇板的厚度应分均匀，否则极易使整根曲轴的轴向尺寸发生偏移，即单边，致使曲轴各扇板厚度不一而致废。

（5）因曲轴刚度差，故车主轴颈的工序，采用前后刀架同时横向进给的S1-206一次加工成型的机床，必须注意刀排分布应合理，车刀应常换常磨，进刀量应适中。

（6）车小头孔、平端面工序不容忽视。因为小头是与起动爪相连的部位，在用人力起动发动机时,小头传递大力矩,所以首先要保证小头的有效深度，其次小头孔倒角应圆整光滑,角度正确,以保证精磨小头时外圆跳动合格,否则就应重新精修小头孔倒角。

（7）钻大头孔工序。孔太深会影响第七主轴颈及法兰的强度,太浅会影响内装黄油的空间和装轴承的轴向位置。

（8）铣定位面。为了使车连颈时角度分布均匀，按照铸造毛坯六缸曲轴的角度均布原理去掉铸造余量,故必须铣好定位面。不论定位面向那边有所偏移,都会严重改变铸件曲轴工序余量的均匀分布,严重偏移的致使连颈加工不足而致废。

（9）车连颈S1-217是成型车床，刀排分布合理、车刀的成型正确、进刀量适中、定位面紧靠都直接影响到产品能否达到工艺技术要求。故中心距、长度、宽度尺寸和圆弧、外圆尺寸等的调整必须在车床进入稳定加工状态后才可进行，避免工艺系统热变形影响太大。

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（10）粗磨连颈是一道重要工序。粗磨连颈要进行曲轴120°的三等分,保证中心高尺寸。磨床首尾两端偏心夹具的移动会引起主连轴颈中心高的变化，应仔细调整至合适之处反锁固定。此外若中心架调整不恰当会引起曲轴变形而致中心高超差，而砂轮进刀太快则会引起角度偏移,甚至曲轴断裂。

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致谢

我本次的毕业设计，得到邹竹青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邹竹青老师，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，在此十分感谢邹老师的细心指导，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班主任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。

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