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摘要
曲軸作為發(fā)動機中的關鍵組成部件，在發(fā)動機運轉過程中承受沖擊載荷，并且起到傳遞動力的作用，由于曲軸的工作環(huán)境惡劣，承受復雜多變的扭矩和彎曲載荷，并且還要抵抗在高速旋轉的磨損，柴油機曲軸特殊的結構使得它成為柴油機中的重要部件，曲軸的加工質量將直接影響柴油機的整體工作狀況。工藝路線的設計不僅影響曲軸的加工質量，而且對加工效率和機械設備的合理應用也有重要的影響。
經過一段時間的學習后，在已有的基礎知識上，通過對各種因素考慮后，結合中國現(xiàn)有的機械設備編織出合理的曲軸加工工序。本次設計對重點工序進行說明，查閱加工手冊進行加工計算，完成工序卡的填寫，對粗車夾具進行設計。對加工工藝路線進行擬訂，對重點加工工序方法步驟進行說明包括粗加工，半精加工，精加工以及熱處理。還對重點工藝進行了說明，包括表面強化工藝，曲軸的平衡工藝，曲軸的磨削工藝。完成零件圖和裝夾圖的繪制與整理，尋找課題相關外文文獻并進行翻譯，最后整理論文并總結成果。
關鍵詞：曲軸；工藝分析；工序安排；加工質量
ABSTRACT
As the engine crankshaft key components to withstand shock loads and passing the role of power in the engine . Due to the harsh working environment crankshaft withstand complex torque and bending loads , and also the wear resistance in high-speed rotation , diesel engine crankshaft is an important part , crankshaft machining performance will directly affect the quality of the diesel engine . The proposed process route is very important to the crankshaft machining , it not only affects the processing quality of the crankshaft, but also have an important impact on process efficiency and the rational use of machinery and equipment .
After a period of study , on the basis of existing knowledge , through the consideration of various factors , combined with China's existing machinery to weave a reasonable crankshaft machining processes. The design of key processes are described , inspection and processing manual processing calculations, complete the process of card for roughing fixture design. Route carried on the elaboration process , focusing on manufacturing processes will be described , including roughing, semi-finishing , finishing, heat treatment. Also focus on the process described, including surface hardening process , crankshaft balancing process , crankshaft grinding process .Complete parts drawing and assembly drawing,find relevant foreign languagedocuments and translate them。Finally,the thesis is sorted out and the result are summarized.
Keywords : crankshaft, process analysis , process arrangements , processing quality
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目錄
摘要………………………………………………………………………………………………………….I
ABSTRACT…………………………………………………………………………………………………...II
1 .緒論 1
1.1柴油機的工作原理 1
1.2柴油機曲軸發(fā)展概況 2
1.3 工作的意義及研究的主要內容 2
2曲軸分析及參數說明 3
2.1柴油機曲軸結構特征 3
2.2曲軸的作用及工作狀況 4
2.3曲軸的結構特點及技術要求 5
2.4柴油機曲軸參數說明 6
3 毛坯的選擇 7
3.1毛坯的材料 7
3.2毛坯制造 7
4 工藝路線的擬定 8
4.1年生產量和批量的確定 8
4.2 定位基準的分析 8
4.3 工藝路線的擬定 10
4.4 工藝卡的填寫 13
4.5 工藝設計的綜合評估 16
5 夾具分析與裝配 17
5.1 夾具分析 17
5.2 夾具經濟性分析 21
6 零件的檢查 22
6.1 檢查夾具 22
6.2 氣動量儀 23
7 結論 24
參考文獻 25
附錄1：外文翻譯 26
附錄2：外文原文……………………………………………………………………………33
致謝 ……………………………………………………………………………………………………. . 44
大型汽車柴油機曲軸工藝規(guī)程設計
1 緒論
1．1 柴油機的工作原理
發(fā)動機是能夠轉化燃料能量為汽車等提供動力的裝置。柴油機的工作原理主要可以分為四個部分來解釋，那就是進氣、壓縮、做功和排氣，四個過程組成了柴油發(fā)動機的一個工作循環(huán)。這四個過程都是伴隨著氣缸體積的變化而進行的，第一個行程進氣是隨著氣缸體積的增大，氣缸內注入新鮮空氣，壓縮行程是氣缸內體積變小，并在壓縮行程即將結束時噴入霧狀柴油，霧狀柴油與空氣混合成為可燃混合氣，并體積迅速膨脹使得氣缸體積增大，這就是做功行程，最后一個行程排氣就是通過氣缸體積的減小將燃燒后的廢氣排出缸外。不斷反復工作循環(huán)，就是柴油機的作業(yè)狀態(tài)。[1]
四行程柴油機的工作原理
圖1.1為四行程柴油機工作原理圖
雖然從布局結構上看，四行程柴油機和汽油機固然、存在個別分歧，但是二者的工作過程是基本上類似的，都是通過氣缸內體積的變化來實現(xiàn)每個工作過程的進行。但是燃料和機器結構上還是存在區(qū)別，所以如果將二者進行比較，柴油機的優(yōu)點則是燃燒原料的價格低廉，運行成本低，而且燃料的利用率較汽油機而言更高。反之相比之下，柴油機的缺點是機器整體結構過大，噪音大，加工上仍存在有待攻克的難題，如果機器出現(xiàn)問題，維修的成本比較高。[2]
多缸發(fā)動機的工作原理
多缸發(fā)動機顧名思義就是由多個氣缸組成，常見的有四缸、六缸還有八缸等等。在單杠發(fā)動機中，機器運動一個工作循環(huán)中，只有第三個行程做功行程是有能量輸出的，相當于只有四分之一的部分是對外做功的，而多缸發(fā)動機通過多個氣缸的配合，可以彌補單缸發(fā)動機輸出不穩(wěn)定的問題，使發(fā)動機可以持續(xù)平穩(wěn)地向外做功。
1.2 柴油機曲軸發(fā)展概況
柴油機作為一種動力系統(tǒng)，在船舶、大型機械及公路運輸中得到廣泛應用。雖然我國在20世紀80年代后柴油機有了較快的發(fā)展，但是與國外相比，由于柴油機的制造技術水平落后，還是存在著較大的差距。其中曲軸的加工技術可以說是是影響柴油機發(fā)展狀況的重要因素，其結構參數和加工工藝水平不僅會決定機器本身的尺寸和重量，還會在很大程度上影響著發(fā)動機運轉的的穩(wěn)定性可靠性和使用壽命的長短。[3]因此，改進曲軸加工方法，進而提高發(fā)動機曲軸的加工精度一直是研究的重要方向。
從曲軸的材料上來說，目前用的較為普遍的是球墨鑄鐵和鋼兩類。球墨鑄鐵具有良好的切削性能，可以通過合理的加工工藝獲得理性的結構形狀。球墨鑄鐵和鋼一樣可以通過表面處理而獲得良好的機械性能，并且球墨鑄鐵的成本只有調質鋼的1/3,因此得到廣泛的應有，據調查表明，在美國、英國、日本、德國、比利時等國家在大批量采用球墨鑄鐵。對于大功率的曲軸，各方面性能要求更為嚴苛，而鍛鋼有較高的綜合機械性能，所以在中高速柴油機的制造中，一般使用鍛鋼作為加工材料。
從工藝與生產設備上來說，國內還沿用舊的生產路線，很多廠家還用普通機床和專用組合機床，這樣的生產路線設備較多，因此占地面積較大，生產周期長，從而導致生產率低。進入20世紀末，一些企業(yè)開始引進數控機床從而大大改善了曲軸的加工。在國外曲軸加工廣泛應用數控技術及自動線，德國還設計開發(fā)了柔性高速數控銑床。[4]
隨著國際競爭越來越激烈，我相信高速、高效的制軸技術也在快速發(fā)展，由于現(xiàn)在環(huán)境形式，在未來發(fā)展中曲軸的加工技術也將致力于綠色環(huán)保。
1.3 工作的意義及研究的主要內容
在曲軸的加工過程中存在許多需要攻克的困難，而加工工藝安排則是難中之難。曲軸作為柴油機內部的重要組成，在內部承受著各種沖擊，復雜的受力情況使得曲軸對機械性能要求很高。但是曲軸是一個復雜件，加工質量很難得到保障，因此對曲軸加工工藝的研究對我國內燃機和船舶等行業(yè)發(fā)展有重要意義。[5]
通過一直對專業(yè)知識的學習，我對機械加工工藝的安排有了一定的見解。我希望通過此次的畢業(yè)設計，學習曲軸加工工藝方面的知識，學習其方法和步驟。通過對以前設計者方法的了解概括，應用自己的知識加以改進和完善，從而達到對自己所學知識的鞏固。在相關文獻的基礎上完成對年產量和批量的確定、毛坯的選擇、定位基準的分析、工藝路線的擬定及工藝卡的填寫等工作。
2曲軸分析及參數說明
2.1 柴油機曲軸結構特征
曲軸的基本組成如下圖所示。
圖2.1曲軸基本結構
1-自由端（前端）；2-曲柄；3-連桿軸頸；4-主軸頸；5-功率輸出端（飛輪端）；6-曲拐；7-平衡塊
曲軸可以根據結構組成進行分類，可分成整體式曲軸和組合式曲軸兩種。整體式是指曲軸整體直接一次性加工得出，不可拆分，這種類型的曲軸加工難度大，設計困難，但是由于結構緊湊，曲軸整體的機械特性好，具有優(yōu)秀的剛度強度。而相比之下，組合式曲軸可以將曲軸分成若干個部分進行分開生產，之后再進行組裝使用，這樣的曲軸加工過程相對簡單，加工流程設計相對容易，但是由于曲軸不是一個整體，所以機械性能要比整體式曲軸差。
常見的曲柄形狀如圖2-2所示：a矩形、b橢圓形、c圓形。
(a) (b) (c)
在曲軸加工過程中，最有難度的設計區(qū)域就是曲柄與主軸頸、連桿頸的連接處，因為連接處在發(fā)動機工作時會產生巨大復雜的應力集中情況，往往這樣的連接處是一個工藝設計有瑕疵的曲軸最容易出現(xiàn)裂痕問題的部位。為了解決連接處的這個問題，緩解它受力復雜混亂帶來的影響，通常會采用過渡圓角連接的方法，同時過渡圓角的大小也應經過合理的設計，保證過渡半徑足夠能夠起到緩解作用。但是，過渡半徑也不是一味得越大越好，也應有合適的范圍，不合適的過渡半徑會使柴油機軸向尺寸加大。
2.2 曲軸的作用及工作狀況
曲軸是發(fā)動機中的核心組成，發(fā)動機能夠做到各個行程順暢切換運轉，源源不斷提供動力，都是因為曲軸獨特的結構起到了重要作用。因為四個行程中只有一個行程做功，所以飛輪還能起到儲存能量的作用，使得活塞的其他三個行程即使沒有做功也能正常工作，保證曲軸的旋轉均勻。
在前文中已經提及過，曲軸在工作過程中承受了方向、大小不斷變化的復雜應力，還要受到劇烈振動所產生的應力作用。同時，由于曲軸工作的高速，曲軸各個軸表面的耐磨度要達到一定要求。曲軸是整個柴油機的心臟，它的結構的每一個小細節(jié)出現(xiàn)差錯，都會使柴油機的功能就無法正常發(fā)揮。柴油機運轉過程中，為了使運轉穩(wěn)定均勻，所以出現(xiàn)了點火提前角等等的定義，定義之細致可以讓人感覺到曲軸的設計應細致入微，各個角度的安排必須準確無誤，否則柴油機運轉時四個行程就無法精準有序的一個接著一個的運作，無法使柴油機發(fā)揮出最大的功用。此外，曲軸軸承的間隙安排也是個重點，只有安排了適當的間隙，才保證了機油能夠順暢流動對曲軸起到充分的潤滑和冷卻作用。所以為了保證曲軸能夠安全可靠的工作，曲軸應該有足夠的剛度，強度，抗疲勞性和抗沖擊韌性。[6]
2.3 曲軸的結構特點及技術要求
2.3.1曲軸的結構特點
曲軸有兩個軸組成，兩個軸的軸心不位于一條直線上，其中軸心與機體中心孔重合的軸叫做主軸，主軸是在柴油機內繞著自身中心線轉動。另一個軸叫做連桿軸，是通過曲柄與主軸連接，它軸心與主軸不同，但運轉中是繞主軸旋轉。曲軸的受力情況非常復雜，為了保證柴油機的持續(xù)均勻穩(wěn)定運轉，所以曲軸應對毛坯選擇有很高的要求，加工后的曲軸應具有很高的剛度和強度，良好的機械性能。同時為了保證工作的連貫順暢，每個氣缸的配氣相位也要合理安排，連桿軸相對主軸的偏移量也應合理。[7]
2.3.2曲軸的技術要求
(1) 毛坯鍛造后，應進行調質處理.，確保硬度為HRC28-34。
(2) 曲軸主軸表面和連桿表面都須采取淬火處理，控制淬火層深度范圍在3-7mm內，保證硬度范圍為HRC28-34。
(3) 當曲軸用兩最外側主軸頸支撐時，主軸頸軸心線與連桿軸軸心線的不平行度允許誤差為0.01mm，大端飛輪軸的跳動允許誤差為0.025。
(4) 各個連桿軸中心線相互之間的偏移允許誤差為。
(5) 曲軸上所有的主軸頸以及連桿軸上的油孔表面都應拋光處理，保證光潔度高于1.6，主軸頸和連桿軸孔的內表面光潔度高過6.4。
(6) 保證曲軸加工的材料質量。
(7) 曲軸在拋光處理后，可進行磁力探傷，并在磁力探傷結束后對曲軸作退磁處理。[8]
具體如下圖所示：
圖2.1 CA498-12型柴油機曲軸技術要求
2.4 柴油機曲軸參數說明
表2.1 曲軸參數
材料
42GrMoA
行程
106
主軸直徑
φ71
油孔
直、斜油孔
主軸檔寬
33
缸數
4
連桿軸直徑
φ57
總長
633.5
連桿軸檔寬
33
3 毛坯的選擇
3.1 毛坯的材料
在柴油機工作時曲軸工作環(huán)境復雜惡劣，承受不斷變化的彎矩和扭矩的影響，也經受高速旋轉中的磨損。由于曲軸處于特殊的工作條件下，所以就要求曲軸毛坯的材料有很好的力學性能和加工性能。
目前鍛鋼，鑄鋼和球墨鑄鐵是制造曲軸的三種常用材料。曲軸毛坯的材料有45鋼，45Mn2，50Mn，40Cr及QT600-3球墨鑄鐵等。
3.2 毛坯制造
在毛坯的制造過程中，曲軸毛坯的選擇對于總的加工余量和加工工序中的余量的設定都會產生影響，也是選擇刀具材料和加工機床的重要依據。
好的毛坯制造工藝和質量，會大大減少加工過程的加工強度，提高生產品質。對于曲軸制造來說，一般存在兩種毛坯制造方法，那就是鑄造和鍛造。對于曲軸這種復雜大型件來說，鑄造毛坯往往存在許多缺陷。這將影響到曲軸強度和抗疲勞性。鍛造制造能使金屬內部組織緊密，從而提高材料的耐沖擊能力、延展能力和抗疲勞強度。在大批量生產中，一般會選擇模鍛。[9]通過模鍛制造出的毛坯應調質處理，提高毛坯在表層的加工質量，設計中我們選用的是42CrMoA合金鋼。
4 工藝路線的擬定
4.1 年生產量和批量的確定
4.1.1生產綱領
50000臺/每年 柴油機
年產量 Q=生產綱領×每臺件數×（1+備品率）×（1+廢品率）
Q=50000×1×1+2%×1+2%=52020
月產量=Q÷12=4335
Days=365-48-11÷12=25天
日產量（一天3班）=月產量÷Days=4335÷25=174
(1) 生產量類型的確定：
根據工藝人員手冊，曲軸屬于輕型零件，則對應的生產性質：
中批產量500～5000 大批產量5000～50000
本次設計曲軸的生產性質：大批生產
(2) 年時基數，若三班制，則：第一班2080小時，第二班2080小時，第三班1560小時。
女職工人數不到25%：則第一班 1664小時， 第二班1664小時，第三班1248小時 。
總共小時數為4576小時。
(3)平均流水線節(jié)拍=流水線實際平均基數×60×（1-η）÷零件年產量
其中，η－損失系數：
A. 工作期間設備維護管理方面損失η
B. 職員缺工方面損失η
C. 設備清潔維護損失η
D. 職員歇息整頓損失η
η=η1+η2+η3+η4=15%
平均流水線節(jié)拍=4576×60×1-15%÷52020=4.5min
為了保證加工零件可以準時達到數量要求，所以加工過程中每道工序的加工時間應不得大于生產節(jié)拍。
4.1.2生產周期的計算
生產周期＝
生產周期=1.26天
4.2 定位基準的分析
4.2.1曲軸加工工藝特點分析
曲軸的制造加工必須考慮兩個重點：一個是曲軸的摩擦副，主要表現(xiàn)在曲軸的連桿軸頸與連桿之間的摩擦。二是曲軸的震動副，主要表現(xiàn)為柴油機在點火爆炸的過程中對曲軸產生的沖擊，另外還有曲軸在加工的工程中由于受力的影響而產生震動。曲軸雖然結構不同于一般的軸，但它仍與普通軸有相似的加工過程，例如銑軸的兩端端面，在端面鉆中心孔以便定位，車、磨及拋光等加工工藝等等。但是，由于曲軸與普通軸外形結構上都有很大區(qū)別，所以應針對曲軸的特殊性而采取特定的加工工藝，現(xiàn)對曲軸的結構加以分析：
(1) 剛度差
由于曲軸長度大且具有連桿軸這一特殊結構，所以剛性會相對較差，在運轉過程中曲軸高速旋轉，承受復雜變化的應力以及旋轉扭矩，自身重量也會造成較大的負荷，曲軸易發(fā)生嚴重的變形，因此加工時對應注意以下幾點：
A. 在加工過程一開始切除毛坯余量較大時，對使用的機床，刀具等都要嚴格要求，提高整個加工系統(tǒng)的良好剛度，條件允許的話，可以選擇支撐架放置于曲軸中間提高加工系統(tǒng)的剛性，提升穩(wěn)定性，減輕不必要的變形與震動。
B. 在加工過程中，合理安排設計，盡量使切削力之間可以互相抵消。
C. 妥善設計工序順序，在易產生變形的工序后及時添加校直工序。
(2) 形狀復雜
因為在連桿軸加工中工件旋轉時會不平衡，使加工困難。對于不平衡現(xiàn)象比較明顯者（如大型曲軸），曲軸旋轉起來加工不穩(wěn)定且相對困難，這時應該選擇刀具動曲軸不動，就可在一定程度上避免生產過程的不穩(wěn)定現(xiàn)象
(3) 技術要求高
曲軸對技術的要求高加工難度大，而且形狀復雜和加工工序多，相比柴油機內其他零件，曲軸的加工工藝規(guī)程相對長而復雜，而且很多加工面都需要磨削處理，這些都需合理安排。
4.2.2曲軸機械加工定位基準的選擇
①加工主軸頸的定位基準
加工主軸頸和與它同軸心重合的軸頸時，為了保證軸徑加工的位置精度和基準重合原則，通常會選擇將軸兩個端面的中心孔作為定位基準，所以加工過程的第一步通常定位銑軸兩端面并在端面上鉆中心孔。在鉆中心孔時，為了保證位置精度，通常會選擇主軸頸的外圓作為加工基準，與此同時，為了防止位置精度上的誤差層層疊加累計，保證加工出準確的軸向尺寸，會選用最中間的第三主軸頸作為定位基準，這樣一來，位置偏差是從中間向兩端分布，可以有效提高位置精度，保證曲軸的均勻標準。
②加工連桿軸頸的定位基準
可用加工結束的最外兩端的兩段主軸作為精基準，便于夾緊，充分滿足曲軸加工的結構要求，安裝后穩(wěn)定，整體剛性好。而且由于連桿軸頸分別相差180度，因此軸向旋轉自由度的限制，是在大端鉆一個定位銷孔在第一、第五曲臂加工對稱定位面。
4.3 工藝路線的擬定
4.3.1工藝路線分析
工序的安排原則
①先加工基準面，后加工其他工作面；
②先進行粗加工，后進行精加工；
③先加工面后加工孔；
④先主后次。
4.3.2該設計擬定的最終工藝路線（方案一）
鍛造
調質處理
(1) 粗銑兩端面
(2 ) 半精銑兩端面
(3 ) 鉆兩端質量中心孔
(4 ) 粗車大端軸頸
(5 ) 粗車第五主軸頸
(6 ) 粗車第一主軸和小端外圓
(7 ) 數控車油封軸頸、齒輪軸軸頸和小端螺紋直徑
(8 ) 數控車一五主軸
(9 ) 銑定位面
(10) 內銑二至四主軸頸和全部連桿軸頸
(11 )人工時效
(12 )粗個主軸頸
(13 )鉆大端中心孔
(14 )半精車小端外圓和刀檢第二、三曲柄臂
(15 )鉆大端定位銷孔
(16 )粗磨連桿軸頸
(17 )鉆油孔
(18 )油孔噴沙
(19 )中間檢查
(20 )中間清洗
(21 )熱處理
(22 )中間探傷
(23 )精車齒輪軸直徑和螺紋直徑
(24 )半精磨2~4主軸頸
(25 )半精磨一、五主軸頸
(26 )精磨大端軸頸
(27 )精磨連桿軸頸
(28 )銑齒輪軸鍵槽
(29 )精磨一、五主軸頸
(30 ) 精磨2~4主軸頸
(31 )精車兩端面
(32 )中間檢查
(33 )成品探傷
(34 )鉆大端螺紋孔和攻小端螺紋
(35 )油孔倒角及全部油孔拋光
(36 )動平衡
(37 )清理去毛刺
(38 )軸頸拋光
(39 )止推軸頸拋光
(40 ) 成品檢查
(41 )入庫
4.3.3擬定不同方案并比較（方案二）
只列舉不同，并分析確定方法的優(yōu)勢長處：
(4)粗車大端軸頸和第五主軸頸
分析：本工序是將一中的第四與五工序并為一道工序。優(yōu)點是：節(jié)省機床和工人，還有場地布置等因素。缺點是：延長了生產節(jié)拍，使整個加工時間加長，甚至無法完成年產量；更嚴重的缺點是由于對于主軸頸的檔寬位置以及尺寸有嚴格要求，因此每加工一個工件需要對刀，大大的浪費了時間。而采用一方案，在加工主軸頸的時候采用專用車刀，只要第一次降到的位置調整好，以后不需要調整。
由比較來看，選擇了方案一的安排。
(20)將半精車小端外圓的工序去掉
分析：優(yōu)點：節(jié)省工序安排；缺點：由于下面安排了精加工，粗車之后直接進行磨，很難保證精度要求，給加工帶來很大的難度；同時也不符合工序安排的理論要求。
綜上所述，最后確定方案一為最終方案。
由之前的加工方案安排可以看出，因為粗加工的加工余量較大，切削時造成的變形誤差會相對較為嚴重，所以粗加工精加工分開有助于提高工件的精度，精加工可以找平在精度上的細微誤差，一個軸在加工中都會有多次的車削磨削拋光等工藝，最終都可以保證很高的精度以及表面光潔度。
4.3.4熱處理工序安排
(1) 鍛造毛坯后，安排調質處理，可以使毛皮材料綜合機械性能得到提升，加工出的曲軸機械性能更上乘。
(2) 粗加工后安排時效處理，消除零件內部殘余應力。
(3) 粗磨之后安排淬火，改善工件的機械性能。
4.3.5其它工序的安排
(1) 為了保證零件制造質量，及時發(fā)現(xiàn)零件加工出現(xiàn)的問題，不能光在加工結束時才對工件進行檢驗。應在較為復雜、耗時較長的工序之后直接安排檢查，防止造成時間精力上的浪費。
(2) 零件表層或內腔的毛刺對曲軸質量會產生較大影響，及時安排去毛刺。
4.3.6重點工藝說明
(1)曲軸的表面強化工藝
決定發(fā)動機曲軸機械性能和使用壽命的主要因素有：結構、材質和強化等方面。當曲軸的結構、材質確定之后，強化就成了重要的對象，目前常見的曲軸強化工藝大致可以分為五種：
①氮化；②噴丸；③圓角軸頸同時淬火；④圓角滾壓；⑤復合強化。
(2)曲軸的平衡工藝
?加工完了的曲軸如果初始不平衡量太大，則平衡所需的時間增加，這對生產效率有明顯的影響。特別是采用全自動曲軸平衡自動線時，曲軸初始不平衡量的大小對自動線的節(jié)拍時間及剩余不平衡量的大小有顯著影響，嚴重時將會有部分曲軸因無法進行校正而報廢。因此，人們希望能夠將初始不平衡量控制在一個低水平范圍內，為此目的而采用一種設備——質量定心機，目前多以這種測試為主。
一般鑄造或鍛造成型的曲軸毛坯，在機械加工前首先要在兩端打中心孔，并以中心孔為基準進行全部的機械加工。對于類似曲軸這樣的轉子，其上的配重塊及筋板等非加工表面多，最初的中心孔的位置對加工后的曲軸的初始不平衡量有較大的影響。因此在毛坯上打出的中心孔，能使毛坯繞連接兩中心孔的軸線旋轉時，處于沒有不平衡的狀態(tài)。從力學原理上來說，只要在通過質心的慣性主軸兩端打中心孔就能滿足上述要求。能在這樣的位置上打中心孔的機械就是質量定心機。當然，打完中心孔后，在以后的機械加工過程中還要產生新的不平衡，但是僅僅根據毛坯外徑按幾何中心打孔的方法相比要少得多。質量定心機本來是一種在慣性主軸兩端打中心孔的機械，但它也可使轉子軸線在慣性主軸附近分別偏離一定距離而打中心孔。因此，如果對加工完了的曲軸的初始不平衡量分布規(guī)律進行統(tǒng)計處理，并以此為依據相應地調整打中心孔的位置，則可進一步提高質量定心的效果。[10]
(3)曲軸的磨削工藝
隨著高效磨削的發(fā)展，磨削工藝擴大了它的范圍，在加工中變得更加普遍常見。由此，可通過磨削替代常規(guī)的由車削或銑削來進行的粗加工，而直接由磨削完成精加工，從而縮短了生產工藝流程。
采用CBN砂輪的高速高精度磨削，在汽車工業(yè)主要應用于凸輪軸和曲軸連桿頸的磨削加工。目前，有一些國際性磨料生產企業(yè)，在CBN砂輪磨料方面提供了很好的產品，如圣戈班磨料、金世博（Kingspor）等。圣戈班的Q-Flute是一種高溫混合樹脂結合劑產品，是高效率下的大去除量磨削用磨料。在對工件沒有熱損傷并保證質量的前提下，能夠大幅度提高產品質量、材料去除率和產品壽命。在保證產品質量的前提下，加工效率至少提高兩倍以上，可以用在10kW以上的CNC數控磨床上。[11]
4.4 工藝卡的填寫
4.4.1機床的選擇（見《金屬機械加工工藝人員手冊》P380~457）
機床的選擇應充分考慮到加工工件過程中每個參數的特定性以及與實際加工環(huán)境的適應性。
4.4.2 刀具的選擇（《金屬機械加工工藝人員手冊》P558~668）
例如：粗磨連桿軸（第18道工序）用砂輪為：
P 900*35*305 A 46 M 6 V 35
分別為：形狀代號 砂輪形狀 磨料 粒度號 硬度 組織號 結合劑號 最高工作線速度
4.4.3 量具的選擇
應保證：T*K≥δ
T—被測曲軸尺寸的公差值（mm）
K—測量精度系數
· —測量工具以及使用測量方法的極限誤差
表4.1 測量精度系數
被測尺寸的精度等級
IT5
IT6
IT7
IT8
IT9
K
0.325
0.30
0.275
0.25
0.20
例如：粗磨各主軸頸（第十三道工序）加工
T=0.05 K=0.25 T*K=0.0125mm=12.5
由表分析可知，可選用75~100，0.01千分尺
4.4.4加工余量的確定（《金屬加工工藝人員手冊》334~377頁）
完成加工過程中的某一道工序時所需切除的毛坯量就被稱為工序余量。從毛坯到成品的整個工藝過程中所切除的材料層厚度稱為總余量，加工余量的確定通常是通過三種方法：
①.經驗估計法；②查表修正法；③分析計算法。
4.4.5切削用量的確定
為了能保證產品質量、提高切削效率本次設計應正確的選用切削用量，其基本原則是：先考慮到切深，進給量f，加工速度v的影響時。第一可以選擇一個略大的切深ap,然后在考慮進給量f,在機床刀具等因素均符合條件后再決定合理的切削速度v。切削用量的選擇方法可以分為查表法、計算法和經驗法：
表4.2
刀具材料
工件材料
加工方法
切速v的公式
高速鋼
合金鋼
銑削
其中，T—刀具耐用度（分）
—切深（mm）
f—進給量（mm/r）
表4.3 刀具耐用度T
刀具
耐用度（分）
刀具
耐用度（分）
普通外圓車刀
90
普通端銑刀
200
端面車刀
60
立銑刀
90
成型刀
120
擴孔鉆
60
B 查表法舉例：（第二道工序：半精銑兩端面）
表4.4 進給量
加工方法
切深ap
進給量f
切速v
車削
粗加工
精加工
1.5~2.5
0.2~0.5
0.3~0.5
0.2~0.3
50~80
80~100
銑削
粗加工
精加工
2~3
0.5~0.7
0.2~0.3
0.1~0.3
60~80
80~100
4.4.6 零件加工時間的計算
單個的工時定額由以下組成：
式中：—基本時間。在對象為機床加工工序時，所指機動時間。
—工作地點的服務時間。一般可以=（3%~5%）估算。本次按照5%來參加計算。
—準備終結時間。由于本產品為大批量生產，所以終結時間為0。
—輔助時間?？刹楸磉x擇，也可按=（10%~20%）估算。該設計中按照10%估算。
的計算方公式：=
其中，L-加工長度（mm）
L1-加工切入（mm）
L2-加工超出（mm）
f-進給量（mm/r）
n-轉速（r/min）
具體由以下兩種情況：
圖4.2銑端面 圖4.3車兩端軸頸
以第一道工序為例：
===3.5分
=0.1*=0.35
=0.05*=0.18
=3.5+0.35+0.18=4.03分鐘
4.5 工藝設計的綜合評估
表4.5
綜上所述，本工藝路線符合加工零件的各項技術要求。
5 夾具分析與裝配
5.1 夾具分析
5.1.1夾具設計分析
在金屬切削機床上進行工件加工時，為了保證加工精度，工件的加工表面相對其它表面的尺寸和位置精度要保持精準，在加工方法加工工藝確定之后，首先面對的主要問題就是：工件應在機床上始終處于準確的加工位置，并且在加工過程中能承受各種力的作用后，也會保持正確的位置不發(fā)生變化。本次設計由于是應用于大量生產中，所以生產中多使用專用夾具。
5.1.2定位夾緊方案確定
由于銷孔的位置要與第五主軸和第四曲拐的軸線共線，因此主軸中心與一四曲拐的中心是定位的關鍵。
主軸軸線的定位利用的是兩端的頂尖定位孔，前后兩個頂尖均是活頂尖，限制四個自由度；曲拐中心線的定位是本夾具的設計關鍵，采用的是自動定心夾緊機構，聯(lián)合主軸軸線的定位限制軸向旋轉自由度；另外大端端面靠在夾具體上，限制軸向自由度。
工件預定位后，開啟液壓控制，自動定心上下兩個夾板，同時以相同的速度向心運動，這樣就能保證不論曲軸頸的尺寸偏大或者偏小，中心線與主軸的中心線所構平面始終與夾具體平面平行。[13]
5.1.3鉆孔夾具的具體設計
(1).主軸中心線的定位
采用的頂尖定位。前后兩個頂尖都是活頂尖，由液壓控制，右端（尾定尖）頂尖的得液壓油缸的直徑要大于左端的液壓油缸，當二者同時作用時，尾頂尖將工件向左推（左右是以操作者而言），是大端的端面靠在夾具體上，實現(xiàn)軸向自由度的限制。
(2)回轉自由度的限制及夾緊
①定位
在對曲軸的整個機械加工過程中，不論是定位還是加工，曲軸一直是一個難點，因為它的回轉中心與主軸的回轉中心不同。工件在預定位之后，自動夾緊裝置的上下兩個夾板，同時同速度向心運動，直至將工件夾緊，這樣就保證了加工孔的精度要求。這兩個夾板是連接子在一個上下螺紋旋向相反的絲杠上，該絲杠經過兩級齒輪傳動，第一級齒輪傳動由齒條傳遞，齒條與液壓缸的活塞桿相連，活塞的前后運動推動齒條的往復運動，帶動齒輪旋轉，再將旋轉運動傳給絲杠。
②夾緊
夾緊裝置設計過程中，應能使工件緊密地保持在一定位置上。結構盡可能簡單明了，制造和維修都簡便。對于夾緊力方向的確定，應對工件的剛度進行分析，使夾緊裝置提供的夾緊力與剛度大的方向一致，保證加工精度的準確。其次夾緊點的選擇也十分重要，應位于曲軸剛度好的部位。
夾緊裝置的具體結構見圖 5-1 夾具體夾緊機構
圖5-1 夾具體夾緊機構
5.1.4 夾緊行程設計
由于安裝時預定位低于夾緊狀態(tài)4mm，因此將行程定為上下夾板各移動6mm。由于絲杠螺距是6mm,所以絲杠旋轉一周，兩極齒輪傳動齒數分別是：
則最后一級齒輪要轉：
轉過的距離 ：
所以齒條要前進的距離為40.92mm,最后將活塞的行程定為45mm。
夾緊力的計算
通常我們計算夾緊力，會參照類似夾具在類似使用狀況中的夾緊力，估算出當前的夾緊力，或者可以將夾具和被夾工件看做同一個系統(tǒng)，我們對她進行工作過程的判斷，找出最不適應夾緊的情況，并對之進行靜態(tài)分析，用得出的理論夾緊力乘以安全系數，就可以得到實際夾緊力。[14]
一）夾緊力的確定：
………………………………………（公式3-1-1）
：
安全系數可按下式計算：
………………………（公式3-1-2）
查機床夾具設計手冊表： 表1-2-1計算得
由于表注若安全系數小于2.5。故：
判斷得到在此道工序粗加工鉆孔時應力最大，所以按照此時計算，鉆削加工公式為：
……………………………(公式3-1-3)
………………………………（公式3-1-4）
其中：
可按照下列公式計算：
根據刀具材料高速鋼，工件材料結構鋼計算得:
=1.23
其它參數為代入公式3-1-3，3-1-4得
M=2.32N.m
F=1136.2N
將結果代入3-1-1得：
=5.8N.m,=2840N……………………（3-1-5）
圖5.2受力分析
由靜力平衡條件的公式得
對夾緊機構列等式 即
其中 N=2840N
由力矩平衡得： l=(633.5-l)
y*53=M
其中 l=63mm, M=5.8N.m
計算得：y=109.4,=97.49,=10.83
其中，夾緊力y由夾緊液壓缸提供，由左端定位液壓缸提供，由右端頂為液壓缸提供，它們的活塞直徑分別為60mm,45mm,80mm。
下面進行驗證：
由公式 …………………………（3-1-6）
其中
將參數分別代入公式3-1-6得：，
可見遠大于所需夾緊力，故設計符合要求。
5.2 夾具誤差分析及經濟性分析
定位誤差主要分為兩種類型：
1.基準不重合誤差
2.基準位移誤差
在這次夾具設計中加工面為小端面和小端軸外圓，由于設計基準與定位基準重合不存在定位誤差，定位基準C和D圓柱度0.02，平行度為0.01。
為了提高整個柴油機曲軸工藝加工的生產效率，在保證定位夾緊和零件的各項技術要求的前提下，對夾具的選擇也要滿足一定的經濟性原則。[15]
本夾具設計上基本上滿足了零件的加工要求,并且還滿足了企業(yè)對一般夾的要求。
6 零件的檢查
6.1 檢查夾具
下圖是曲軸生產線用以檢測曲軸主軸頸軸向尺寸的檢驗夾具
圖6.1 檢驗夾具
1.支架 2.測桿 3.軸向定位件4.測頭 5.支架 6.頂尖 8.滑板9.百分表
10.手柄
將曲軸放在支架上，用頂尖頂住頂尖孔，使曲軸第三主軸頸緊靠在檢驗夾具的定位件上，然后推動手柄，當四個測量頭同時碰到曲軸時，在百分表上就可以讀取尺寸。
6.2 氣動量儀
下圖6-2為24-240C型水柱式氣動量儀工作原理
圖6.2
這種氣動量儀有如下特點：
1) 示值清晰，穩(wěn)定，。
2) 效率高。
3) 倍率高。
氣動卡規(guī)
下圖為曲軸生產所用的氣動卡規(guī)示意圖。
當被測尺寸發(fā)生變動時，截面A發(fā)生彈性變形，這樣3與1之間的間隙就會相應發(fā)生變化，我們可借助刻度尺讀出被測尺寸變動的大小。[16]
圖6-3
圖6.3
7 結論
本次曲軸加工工藝規(guī)程的編制設計，通過結合實際情況，在已有的加工工藝基礎上，結合現(xiàn)在的生產技術，以提高產品質量，減輕工人勞動強度，降低產品成本，增加企業(yè)經濟效益為主要目的進行本次設計。設計既然來源于生產，就要在回到生產當中去，本設計的實際可操作性是此次工藝編制的必然要求，也是工藝設計的最低要求。工藝的編制作為生產加工的指導性文件，首先要滿足的就是可操作性，不能操作，一切的工藝都是一紙空談。這次設計的最大亮點就是在目前生產條件的基礎上，將先進的科學技術方法融合到機械加工生產當中去。
本次設計主要的結論如下：
（1）曲軸的加工是一個復雜的過程，通過認真研究曲軸的加工工藝路線，結合現(xiàn)有的曲軸加工過程，查找先關文獻，在這些基礎上編織出較為合理的加工工藝路線。使這個加工和現(xiàn)有生產條件相符合，更加的經濟。
（2）對加工基準的選擇。通過分析可以知道曲軸是一個復雜件，基準選擇不合理將影響加工的質量。
（3）對夾具的選擇夾具的選擇可以通過專用書籍。
（4）但是本次設計也在一定程度上存在不足，那就是由于對于機械加工制造的不熟悉，所以工藝的設計可能無法符合現(xiàn)代工業(yè)對于曲軸加工的高要求，在今后的學習生活中，我應努力提升專業(yè)知識，及時了解當代最先進的加工技術，不斷豐富自身。
通過這次畢業(yè)設計的訓練，將大學四年來所學的基礎知識和專業(yè)知識首次應用于產品的加工設計當中，對曲軸加工工藝路線及夾具的設計等有了詳盡的了解。在這次設計當中綜合應用了金屬工藝學，機械材料，機械制圖，互換性測量和機械制造基礎等。
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附錄A： 外文翻譯
用數值與實驗調查氮鋼曲軸大功率集成電路發(fā)動機疲勞特性
氮化通常適用于提高機械零部件的表面性能，也可提高耐疲勞性。本文的目的是探討，通過數值模型的方法和實驗測試，誘發(fā)氮化對船用柴油機曲軸的疲勞性能殘余應力的影響。殘余應力梯度引起的熱化學處理考慮到了有限元模型的方法。進行了具有軸向試驗機，以驗證該數值模型，并評估所述曲軸的機械參數，諸如屈服強度和疲勞極限。通過施加應變測量手段下彎曲，以評估曲軸殘余應力的實驗創(chuàng)新的方法也被開發(fā)。這種方法被證明是有用的，以確定誘導熱處理成曲軸的殘余應力的大小，并且它可能在一些情況下被應用于殘余應力場的評價。[DOI: 10.1115/1.4001834]
關鍵詞：氮化，有限元模型，曲軸，殘余應力，耐疲勞性
1引言
曲軸是內燃機中最關鍵的組分之一。在其使用壽命時期，它受到來自燃燒過程中和相對運動的部件的慣性產生的循環(huán)彎曲壓力和扭轉載荷[1,2]。曲軸的機械故障疲勞現(xiàn)象是由于曲柄銷和配重之間的圓角半徑引起的。在這運轉過程中達到多軸應力狀態(tài)下的最高級別，是因為高的應力集中系數[3,5]。
為了防止疲勞破壞，施加到曲軸的圓角的主要機械處理是感應淬火和滾壓，而熱化學是表面硬化和滲氮[6-9]。機械部件的表面處理方法通常應用于用于增加硬度和耐磨損性，而無需修改散裝材料的機械特性，但最近的研究表明，它們也增加，因為誘導的表面和次表面層的壓縮殘余應力的疲勞極限[10-13]。
一些研究表明，提高耐疲勞性氮化是最有效的方法[14,15] 。與其他熱化學處理相比，氮不涉及任何物質微觀結構的修改(溫度在此過程中達到一般不超過520℃[16] )。這保證了最小的失真和機械部件的良好的尺寸控制?，F(xiàn)今可用的不同的氮化過程是：它們包括氣體，液體，和等離子滲氮，即第一個是最常用的。 此過程中，氮被引入到鐵類合金的表面上是通過保持金屬與含氮氣體如氨接觸。擴散層的厚度為約200?600 um，在表面上，脆性nitrogenrich層厚度(5-50um)，這就是所謂的白色氮化物層的產生，它在該氮化工序后取出。間質性氮氣和氮化物沉淀在擴散層的分布產生的增加，元件的尺寸和殘余應力相關聯(lián)的領域。殘余應力必須是自平衡的，它們是一般地在負的表面和正面于主體材料中。
耐疲勞性的改善主要歸因于兩個殘余應力場和表面硬化。壓縮應力，實際上是有益的，用于防止疲勞裂紋萌生在表面和延緩裂紋擴展[17-19]。表面硬度，此外，連接到極限強度和由經驗公式的疲勞極限[19]。在這項工作中，研究了氮化殘余應力對一個2000千瓦的船用柴油發(fā)動機的曲軸的疲勞性能的影響。在滿刻度元件上的數值模型和合適的實驗進行測試，以檢測殘余應力與應變的測量，并確定疲勞阻力。還開發(fā)了試樣的數值模型，具有曲軸圓角區(qū)，承受彎曲載荷的相同的幾何形狀。試樣的簡單的幾何形狀初步評估應力集中作用由于變化的部分和滲氮過程對由于彎曲載荷的應力 - 應變狀態(tài)的影響[20]。測量技術中的殘余應力的評價可以被劃分成破壞性和非破壞性。與前者的技術，殘余應力誘導通過去除材料的位移測量。最常用的方法是塊切片，分條，層去除，鉆孔，和輪廓的方法[21-26] 。非破壞性技術通常圍繞衍射，其可以被用于測量特定的原子晶格面的彈性應變，如X-射線衍射，XRD，和中子衍射[21,27-30]。據作者所知，在文中非破壞性的實驗方法來估計表面殘余應力場和集中應力值是不可行的?？紤]到這一點，一個創(chuàng)新的實驗步驟進行表面殘余應力的間接評價，以不同的彎曲載荷下表面應變測量的手段被開發(fā)了。為了認真評估應力 - 應變狀態(tài)在重要領域中， 殘余應力和實驗數值計算結果值比較的影響，幾個有限元素（FE）模型與ABAQU ?被操作[31]。
2幾何形狀和材料
對一個船用四沖程循柴油發(fā)動機的燃油直噴技術和廢氣渦輪增壓器的曲軸進行了研究。發(fā)動機有16個汽缸和90度V行結構，約2000千瓦的功率，最大轉速等于2000轉。為了評價滲氮對表面應力狀態(tài)的影響，對一個具有帶圓角半徑的曲軸也進行了分析。
曲軸的幾何形狀和部分圖像以及式樣在圖表1_a_–1_c_中。根據歐洲標準 EN10083-1曲軸和試樣的材料是淬火和氮化的35CrMo4，以前評價材料的化學組成和主要機械特征[30,31]，分別列于表1和2分別。
3數值模型
式樣應用了直線彈性和理想彈塑性數值模型，以便應力集中系數來評估由于橫截面減小而引起的應力 - 應變狀態(tài)下的氮化過程中的殘余應力場的影響。由于幾何形狀的對稱性和彎曲載荷的施加，只有四分之一的標本被建模，并適當的邊界條件對稱平面進行了施加。1410為N m彎曲載荷，對應2820N m，從總體上看是由兩個集中力的應用，具有相同的數量級23,500 N'和相反方向上，位于離對稱軸30毫米。對稱邊界條件假設，并采用點荷載證明不影響應力場的最小截面為線性分析。另一方面，模型具有可塑性的存在，為了避免收斂問題所用分布載荷。具有約機型50,000自由度采用八節(jié)點實體被開，線性元素來生成網格，如圖所示2。為了提高分析的準確度，合適的網格細化也被認為是在圓角區(qū)，陡峭的應力梯度顯示在圖 2(a)中。收斂性分析是所進行的模型裝置具有越來越細網眼直到差異，在最大von Mises節(jié)點而言應力是最小的橫截面，兩個連續(xù)間模型是小于3％。一個完整的幾何線性彈性模型也進行處理，并將結果在最小橫獲得部分是相同的對稱模型。
對殘余應力場進行了引入，在節(jié)點條件下通過預應力手段，通過氮化處理把所述實體分割模擬，重現(xiàn)誘導外表面下面的改性層。殘余應力趨勢的分析功能是通過考慮一個軸對稱自我平衡和極坐標系(P-R-q)顯示于圖表2b，其中p和r為分別是軸向和徑向的方向的極角，在圖表Eq(1)中，殘余應力大小只依賴于徑向坐標。
為了得到一個自平衡場即所得試樣縱截面的拉伸應力必須等于壓縮的1到2個不同區(qū)域的所得進行了鑒定。
根據以前的工作，其中，所述不同的氮化試樣的殘余應力深度輪廓是由X射線衍射方法測定，采用SIN2方法結合使用的子層去除并用鉆孔法[32,33]，在緊接層外表面下方的3毫米深壓縮殘余應力場