曲轴机械加工夹具设计

白晓林 盛长福 徐爱英 郭玲龙 骆红梅

摘要：曲轴是汽车发动机的关键零件之一，其性能好坏直接影响到汽车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。本课题是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;夹具;

1轴零件图的分析

1.1曲轴零件及其工艺特点：曲轴是组成发动机的重要零件之一，它的作用是将活塞的往复直线运动变为旋转运动，这一旋转运动传递给其他工作机械。曲轴工作时的受力情况非常复杂。它不但受到很大的扭转应力和大小、方向都在周期性变化的弯曲应力的作用，而且还受到振动所产生的附加应力的作用。因此曲轴应具有足够的强度、刚度、抗疲劳度及抗冲击韧性。同时，由于曲轴工作时的旋转速度提高，所以再设计曲轴时，应使曲轴的主轴颈和连杆轴颈具有足够的耐磨性，且曲轴的质量应当平衡分布，以减少不平衡带给曲轴的附加载荷。不同型式和功用的发动机，为了保证曲轴能正常工作，对曲轴规定了严格的技术要求。对汽车、拖拉机发动机和柴油机的曲轴，有关部门制定了部颁标准。

1.2曲轴的主要技术要求：所有主轴项颈和连杆轴颈尺寸公差等级不低于IT6，轴颈的圆度和轴颈母线间的平行度不大于0.015mm，轴颈表面粗糙Ra值为0.4～0.2μm;（2）连杆轴颈轴线对主轴颈轴线的平行度允差为0.02/100mm;（3）长度小于1.5m的曲轴，以两端的主轴颈支撑时，中间主轴颈的径向跳动允差为0.03mm;装飞轮法兰盘的端面跳动允差为0.02/100mm，法兰盘的端面只允许凹入，不允许凸起，以保证和飞轮端面可靠贴合;（4）曲柄半径公差为±0.05mm;（5）主轴颈、连杆轴颈与曲柄连接圆角的表面粗糙度Ra值不大于0.4μm;（6）多缸发动机曲轴、各连杆轴颈轴线之间的角度偏差不大于±30°（7）精加工后的曲轴必须经过动平衡，所要求的平衡精度决定于发动机的用途、轴颈数目和每分钟转数;（8）曲轴的主轴颈和连杆轴颈，应经过表面淬火或氮化，根据材料及热处理规范的不同，其硬度为50～62HRC;（9）曲轴经精加工后需进行磁力探伤，磁力探伤技术条件由制造厂规定，并应做退磁处理。在我国，汽车、拖拉机发动机生产厂家众多，各生产厂家对曲轴加工的技术要求不尽相同。 1.3曲轴零件加工要求（1）所有主轴颈和连杆轴需经高频淬火，其硬度为55-62HRC，淬火层深度不小于3mm;（2）曲轴的动力不平衡量不得大于120g.cm;（3）已加工表面上不得有碰痕、裂纹、发纹、黑点、夹渣、毛刺、凹陷等缺陷;（4）油道孔内不允许有铁屑和脏物，要用煤油清洗，并用压缩空气吹干净;（5）非加工表面应清洁，不得有氧化皮、叠缝、结疤、分层和裂缝，不允（6）许用锤辗或焊补法消除缺陷;（7）未注尺寸公差：加工尺寸按Q/SB123—64，锻造尺寸按Q/SB125—64。大部分曲轴的结构特点是：主轴颈和连杆轴颈分布在同一平面内。四个连杆轴颈在主轴颈两侧呈两两分布。由此可见，曲轴是一个结构复杂、技术要求高、刚性特别差的轴类零件。

1.4 曲轴零件工艺特点零件的工艺特点主要取决于结构特点和技术要求。作为曲轴加工，其主要问题就是工件本身的刚性差、零件技术要求高。这就需要在加工过程中采取一系列相应的措施，以使加工后的零件符合图纸的设计要求。应采取的措施大致有：（1）尽量减少或抵消切削力;（2）提高曲轴的支承刚性，以减小受力变形;（3）在工艺路线中设置校直工序，以减少前工序的弯曲变形对后续工序的影响;（4）加工工艺路线要分阶段，以减少粗加工对经精加工的影响;

2曲轴的机械加工

2.1曲轴的材料和毛坯：曲轴材料一般采用45钢（精選含碳量为0.42%～0.47%），45Mn2，50Mn，40Cr，35CrMo钢、QT800-2球墨铸铁等。根据不同的生产类型和工厂的具体条件，钢制曲轴毛坯，在单件、小批生产中常采用自由锻造;在大批、大量生产中一般采用模锻法压制。在我国，还广泛采用球墨铸铁曲轴。近年来，很多工厂广泛使用具有中国特点的稀土球墨铸铁曲轴。曲轴采用精选QT800-2模锻毛坯。其锻造工艺过程为：将坯料加热至1180～1240℃;经模锻锤弯曲预锻及终锻;在压床上切边;再在模锻锤上进行热校正;最后经热处理消除其内应力，调整其硬度值到207～241HBS。为了保证曲轴毛坯具有良好的机械加工性能及各加工表面余量均匀等要求，对曲轴毛坯规定了严格的技术要求，其主要要求如下。（1）热处理：调质硬度为207～241HBS。（2）法兰端面对主轴中心线的垂直度：当法兰厚度小于等于26.5mm时，不大于1mm;当法兰厚度大于26.5mm时，不大于2.5mm。（3）法兰上孔中心对主轴颈中心不同轴度不大于2mm。（4）曲轴弯曲不大于1mm。（5）错模误差：纵向，当连杆轴颈长小于等于48mm时，不大于1mm，轴颈长大于48mm，不大于2.5mm;径向，当连杆轴颈小于等于Φ3mm，不大于1mm，轴颈大于Φ3mm时，不大于2mm。

3曲轴连杆轴颈磨床夹具设计

一个机床的机械制造工艺系统由机床、工件、刀具和夹具组成。机床夹具的用以装夹工件的一种装置，其作用是使工件相对于机床或刀具有一个正确的位置，并在加工过程中这个位置不变，可以看出夹具在机械加工中占有很重要的地位，尤其是在成批生产时更是大量采用机床夹具，它们是机床和工件之间的连接装置，使工件相对机床或刀具获得正确的位置。机床夹具的好坏直接影响工件加工表面的位置精度。所以，机床夹具设计是装备设计中的一项重要工作。3.1 机床夹具的分类、基本组成和功用：机床夹具按其使用范围可分为以下五种基本类型：通用夹具，专用夹具，通用可调整夹具和成组夹具，组合夹具，随行夹具。机床夹具的基本组成，根据功用一般可分为：1）定位原件或装置，用以确定工件在夹具中的正确位置;2）刀具导向原件或装置，用以引导刀具或用以调整刀具相对于工件的位置;3）夹紧元件或装置，用以夹紧元件;4）连接原件，用以确定工件在机床上的正确位置并与机床相连接;5）夹具体，用以连接各夹具元件及装置，使之成为一个整体，并通过它将夹具安装在机床上;6）其他元件及装置，如分度装置、防错装置等。机床夹具的功用一般为：1）保证加工质量;2）提高生产率，降低成本;3）扩大机床工艺范围，做到一机多能;4）平衡各工序时间，以便组织流水生产;5）减轻工人劳动强度，保证生产安全。

3.2夹紧方案：曲轴在定位之后，为使其在加工过程中不因切削力的作用，而失去正确的定位位置，还必须设计夹紧机构，找取设计的夹紧机构主要是由压板将力传给压紧螺钉，再由压紧螺杆将力施加于压块，从而使工件牢牢地固定在V型块上。3.3夹具的使用方法（1）本夹具用于M8230外圆磨床，半精磨汽油机曲轴的连杆轴颈。通过拧紧螺母，经V形压板带动摆动块夹紧工件。（2）工件通过两个V形架3上的支撑板10作为主定位支撑，由防转块1或11作为防转支撑进行定位。通过拧紧螺母5，经U形压板9带动摆动压块8夹紧工件。（3）磨削完1、4连杆轴颈后，松开工件，使其转180°，当工件的工艺定位面C与另一防转块11接触后，将工件夹紧，即可磨削2、3连杆轴颈。

总体来说，该夹具能够大大提高生产效率，因为可以调整，所以其加工范围增大，能够解决设备不足的情况;能够有效的保证加工精度，无需高技能操作者;结构简单。制造方便、快捷，能够为新产品的顺利生产奠定技术基础。

结论

对任何制造业来说，制造工艺的基本要求主要是两个方面：一是质量要达到产品的设计要求;二是生产时消耗的物质和劳动量最少。在达到这两项要求的情况下，才能使产品的质量可靠，企业的经济效益好。对大量生产的汽车制造业来说，这两个基本要求尤为重要。在好的产品设计的前提下，汽车的质量和可靠性就取决于工艺工作的好坏。当然，目前国际上还有更加先进的曲轴加工工艺和机床设备，只钻一对质量中心孔，选用日本的Mazak五轴联动的数控机床进行一系列的加工。类似这样的新技术，目前国内汽车发动机曲轴的加工还处于研究阶段，从经济效益和加工难度上考虑这是显而易见的。但是对于新技术、新工艺的追求是不会止步的，这就需要我们当代的青年和科技工作者的不断努力。

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