曲軸機械加工夾具設計

白曉林 盛長福 徐愛英 郭玲龍 駱紅梅

摘要：曲軸是汽車發(fā)動機的關鍵零件之一，其性能好壞直接影響到汽車發(fā)動機的質量和壽命.曲軸在發(fā)動機中承擔最大負荷和全部功率，承受著強大的方向不斷變化的彎矩及扭矩，同時經(jīng)受著長時間高速運轉的磨損，因此要求曲軸材質具有較高的剛性、疲勞強度和良好的耐磨性能。發(fā)動機曲軸的作用是將活塞的往復直線運動通過連桿轉化為旋轉運動，從而實現(xiàn)發(fā)動機由化學能轉變?yōu)闄C械能的輸出。本課題是曲軸的加工工藝的分析與設計進行探討。工藝路線的擬定是工藝規(guī)程制訂中的關鍵階段，是工藝規(guī)程制訂的總體設計。所撰寫的工藝路線合理與否，不但影響加工質量和生產(chǎn)率，而且影響到工人、設備、工藝裝備及生產(chǎn)場地等的合理利用，從而影響生產(chǎn)成本。所以，本次設計是在仔細分析曲軸零件加工技術要求及加工精度后，合理確定毛坯類型，經(jīng)過查閱相關參考書、手冊、圖表、標準等技術資料，確定各工序的定位基準、機械加工余量、工序尺寸及公差，最終制定出曲軸零件的加工工序卡片。

關鍵詞：發(fā)動機;曲軸;工藝分析;工藝設計;夾具;

1軸零件圖的分析

1.1曲軸零件及其工藝特點：曲軸是組成發(fā)動機的重要零件之一，它的作用是將活塞的往復直線運動變?yōu)樾D運動，這一旋轉運動傳遞給其他工作機械。曲軸工作時的受力情況非常復雜。它不但受到很大的扭轉應力和大小、方向都在周期性變化的彎曲應力的作用，而且還受到振動所產(chǎn)生的附加應力的作用。因此曲軸應具有足夠的強度、剛度、抗疲勞度及抗沖擊韌性。同時，由于曲軸工作時的旋轉速度提高，所以再設計曲軸時，應使曲軸的主軸頸和連桿軸頸具有足夠的耐磨性，且曲軸的質量應當平衡分布，以減少不平衡帶給曲軸的附加載荷。不同型式和功用的發(fā)動機，為了保證曲軸能正常工作，對曲軸規(guī)定了嚴格的技術要求。對汽車、拖拉機發(fā)動機和柴油機的曲軸，有關部門制定了部頒標準。

1.2曲軸的主要技術要求：所有主軸項頸和連桿軸頸尺寸公差等級不低于IT6，軸頸的圓度和軸頸母線間的平行度不大于0.015mm，軸頸表面粗糙Ra值為0.4～0.2μm;（2）連桿軸頸軸線對主軸頸軸線的平行度允差為0.02/100mm;（3）長度小于1.5m的曲軸，以兩端的主軸頸支撐時，中間主軸頸的徑向跳動允差為0.03mm;裝飛輪法蘭盤的端面跳動允差為0.02/100mm，法蘭盤的端面只允許凹入，不允許凸起，以保證和飛輪端面可靠貼合;（4）曲柄半徑公差為±0.05mm;（5）主軸頸、連桿軸頸與曲柄連接圓角的表面粗糙度Ra值不大于0.4μm;（6）多缸發(fā)動機曲軸、各連桿軸頸軸線之間的角度偏差不大于±30°（7）精加工后的曲軸必須經(jīng)過動平衡，所要求的平衡精度決定于發(fā)動機的用途、軸頸數(shù)目和每分鐘轉數(shù);（8）曲軸的主軸頸和連桿軸頸，應經(jīng)過表面淬火或氮化，根據(jù)材料及熱處理規(guī)范的不同，其硬度為50～62HRC;（9）曲軸經(jīng)精加工后需進行磁力探傷，磁力探傷技術條件由制造廠規(guī)定，并應做退磁處理。在我國，汽車、拖拉機發(fā)動機生產(chǎn)廠家眾多，各生產(chǎn)廠家對曲軸加工的技術要求不盡相同。 1.3曲軸零件加工要求（1）所有主軸頸和連桿軸需經(jīng)高頻淬火，其硬度為55-62HRC，淬火層深度不小于3mm;（2）曲軸的動力不平衡量不得大于120g.cm;（3）已加工表面上不得有碰痕、裂紋、發(fā)紋、黑點、夾渣、毛刺、凹陷等缺陷;（4）油道孔內不允許有鐵屑和臟物，要用煤油清洗，并用壓縮空氣吹干凈;（5）非加工表面應清潔，不得有氧化皮、疊縫、結疤、分層和裂縫，不允（6）許用錘輾或焊補法消除缺陷;（7）未注尺寸公差：加工尺寸按Q/SB123—64，鍛造尺寸按Q/SB125—64。大部分曲軸的結構特點是：主軸頸和連桿軸頸分布在同一平面內。四個連桿軸頸在主軸頸兩側呈兩兩分布。由此可見，曲軸是一個結構復雜、技術要求高、剛性特別差的軸類零件。

1.4 曲軸零件工藝特點零件的工藝特點主要取決于結構特點和技術要求。作為曲軸加工，其主要問題就是工件本身的剛性差、零件技術要求高。這就需要在加工過程中采取一系列相應的措施，以使加工后的零件符合圖紙的設計要求。應采取的措施大致有：（1）盡量減少或抵消切削力;（2）提高曲軸的支承剛性，以減小受力變形;（3）在工藝路線中設置校直工序，以減少前工序的彎曲變形對后續(xù)工序的影響;（4）加工工藝路線要分階段，以減少粗加工對經(jīng)精加工的影響;

2曲軸的機械加工

2.1曲軸的材料和毛坯：曲軸材料一般采用45鋼（精選含碳量為0.42%～0.47%），45Mn2，50Mn，40Cr，35CrMo鋼、QT800-2球墨鑄鐵等。根據(jù)不同的生產(chǎn)類型和工廠的具體條件，鋼制曲軸毛坯，在單件、小批生產(chǎn)中常采用自由鍛造;在大批、大量生產(chǎn)中一般采用模鍛法壓制。在我國，還廣泛采用球墨鑄鐵曲軸。近年來，很多工廠廣泛使用具有中國特點的稀土球墨鑄鐵曲軸。曲軸采用精選QT800-2模鍛毛坯。其鍛造工藝過程為：將坯料加熱至1180～1240℃;經(jīng)模鍛錘彎曲預鍛及終鍛;在壓床上切邊;再在模鍛錘上進行熱校正;最后經(jīng)熱處理消除其內應力，調整其硬度值到207～241HBS。為了保證曲軸毛坯具有良好的機械加工性能及各加工表面余量均勻等要求，對曲軸毛坯規(guī)定了嚴格的技術要求，其主要要求如下。（1）熱處理：調質硬度為207～241HBS。（2）法蘭端面對主軸中心線的垂直度：當法蘭厚度小于等于26.5mm時，不大于1mm;當法蘭厚度大于26.5mm時，不大于2.5mm。（3）法蘭上孔中心對主軸頸中心不同軸度不大于2mm。（4）曲軸彎曲不大于1mm。（5）錯模誤差：縱向，當連桿軸頸長小于等于48mm時，不大于1mm，軸頸長大于48mm，不大于2.5mm;徑向，當連桿軸頸小于等于Φ3mm，不大于1mm，軸頸大于Φ3mm時，不大于2mm。

3曲軸連桿軸頸磨床夾具設計

一個機床的機械制造工藝系統(tǒng)由機床、工件、刀具和夾具組成。機床夾具的用以裝夾工件的一種裝置，其作用是使工件相對于機床或刀具有一個正確的位置，并在加工過程中這個位置不變，可以看出夾具在機械加工中占有很重要的地位，尤其是在成批生產(chǎn)時更是大量采用機床夾具，它們是機床和工件之間的連接裝置，使工件相對機床或刀具獲得正確的位置。機床夾具的好壞直接影響工件加工表面的位置精度。所以，機床夾具設計是裝備設計中的一項重要工作。3.1 機床夾具的分類、基本組成和功用：機床夾具按其使用范圍可分為以下五種基本類型：通用夾具，專用夾具，通用可調整夾具和成組夾具，組合夾具，隨行夾具。機床夾具的基本組成，根據(jù)功用一般可分為：1）定位原件或裝置，用以確定工件在夾具中的正確位置;2）刀具導向原件或裝置，用以引導刀具或用以調整刀具相對于工件的位置;3）夾緊元件或裝置，用以夾緊元件;4）連接原件，用以確定工件在機床上的正確位置并與機床相連接;5）夾具體，用以連接各夾具元件及裝置，使之成為一個整體，并通過它將夾具安裝在機床上;6）其他元件及裝置，如分度裝置、防錯裝置等。機床夾具的功用一般為：1）保證加工質量;2）提高生產(chǎn)率，降低成本;3）擴大機床工藝范圍，做到一機多能;4）平衡各工序時間，以便組織流水生產(chǎn);5）減輕工人勞動強度，保證生產(chǎn)安全。

3.2夾緊方案：曲軸在定位之后，為使其在加工過程中不因切削力的作用，而失去正確的定位位置，還必須設計夾緊機構，找取設計的夾緊機構主要是由壓板將力傳給壓緊螺釘，再由壓緊螺桿將力施加于壓塊，從而使工件牢牢地固定在V型塊上。3.3夾具的使用方法（1）本夾具用于M8230外圓磨床，半精磨汽油機曲軸的連桿軸頸。通過擰緊螺母，經(jīng)V形壓板帶動擺動塊夾緊工件。（2）工件通過兩個V形架3上的支撐板10作為主定位支撐，由防轉塊1或11作為防轉支撐進行定位。通過擰緊螺母5，經(jīng)U形壓板9帶動擺動壓塊8夾緊工件。（3）磨削完1、4連桿軸頸后，松開工件，使其轉180°，當工件的工藝定位面C與另一防轉塊11接觸后，將工件夾緊，即可磨削2、3連桿軸頸。

總體來說，該夾具能夠大大提高生產(chǎn)效率，因為可以調整，所以其加工范圍增大，能夠解決設備不足的情況;能夠有效的保證加工精度，無需高技能操作者;結構簡單。制造方便、快捷，能夠為新產(chǎn)品的順利生產(chǎn)奠定技術基礎。

結論

對任何制造業(yè)來說，制造工藝的基本要求主要是兩個方面：一是質量要達到產(chǎn)品的設計要求;二是生產(chǎn)時消耗的物質和勞動量最少。在達到這兩項要求的情況下，才能使產(chǎn)品的質量可靠，企業(yè)的經(jīng)濟效益好。對大量生產(chǎn)的汽車制造業(yè)來說，這兩個基本要求尤為重要。在好的產(chǎn)品設計的前提下，汽車的質量和可靠性就取決于工藝工作的好壞。當然，目前國際上還有更加先進的曲軸加工工藝和機床設備，只鉆一對質量中心孔，選用日本的Mazak五軸聯(lián)動的數(shù)控機床進行一系列的加工。類似這樣的新技術，目前國內汽車發(fā)動機曲軸的加工還處于研究階段，從經(jīng)濟效益和加工難度上考慮這是顯而易見的。但是對于新技術、新工藝的追求是不會止步的，這就需要我們當代的青年和科技工作者的不斷努力。

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