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三拐曲軸加工工藝及其夾具設(shè)計(jì)
摘 要： 三拐發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、船舶和發(fā)電機(jī)中。發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的部件當(dāng)屬曲軸。由于曲軸工作條件惡劣，因此對(duì)曲軸材質(zhì)以及毛坯加工技術(shù)、精度、表面粗糙度、熱處理和表面強(qiáng)化、動(dòng)平衡等要求都十分嚴(yán)格。本設(shè)計(jì)主要進(jìn)行三拐曲軸的加工工藝路線的編制以及關(guān)鍵工序的夾具設(shè)計(jì)，通過(guò)曲軸加工工藝路線的編制以及有關(guān)工序夾具設(shè)計(jì)，對(duì)影響曲軸加工質(zhì)量的因素加以研究并提出針對(duì)性的改進(jìn)方案，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率。
關(guān)鍵詞：三拐; 發(fā)動(dòng)機(jī); 曲軸; 加工工藝路線; 夾具設(shè)計(jì); 加工質(zhì)量
Design of three Crankshfat’s Processing and Fixture
Abstract: Diesel Engines are widely applied in automobiles, engineering machinery, ships and generators. Without doubt, the crankshaft should be the most important part in engines. As crankshafts always work in poor conditions, it is necessary to be strict to the material, the blank processing, the accuracy, the surface roughness, the heat treatment, the surface intensification and the dynamic balance of crankshafts. This project aims at the compiling of the processing line of crankshafts and the fixture design of the critical process. Through the compiling and the design, I will figure out the factors that affect the quality of crankshaft machining and propose specific improvement so as to enhance the quality of products and productivity.
Key words:; engine; crankshaft; the processing line; the fixture design; the quality of crankshaft machining
1 前言
三拐發(fā)動(dòng)機(jī)（柴油機(jī)）廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、船舶以及發(fā)電機(jī)組中。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的加工質(zhì)量對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的功效等尤為重要。曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中承受沖擊載荷、傳遞動(dòng)力的重要零件，在發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件中最難以保證加工質(zhì)量。由于曲軸工作條件惡劣，因此對(duì)曲軸材質(zhì)以及毛坯加工技術(shù)、精度、表面粗糙度、熱處理和表面強(qiáng)化、動(dòng)平衡等要求都十分嚴(yán)格。如果其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)質(zhì)量沒(méi)有得到保證，則可嚴(yán)重影響曲軸的使用壽命和整機(jī)的可靠性。
而在三拐發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的加工工藝中，曲軸連桿軸頸的加工以及鉆斜油孔等關(guān)鍵工序很難加工，因此通過(guò)對(duì)曲軸加工工藝進(jìn)行合理的編制，改進(jìn)這些難保證加工質(zhì)量部位的加工工藝，并著重分析影響曲軸加工質(zhì)量的因素，提出改進(jìn)措施。提高工件質(zhì)量乃至整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的功效。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們?cè)诖髮W(xué)期間的最后一次設(shè)計(jì)，也是我們?cè)趯W(xué)完了大學(xué)全部基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課以及全部專業(yè)課之后進(jìn)行的。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)也是需要綜合運(yùn)用大學(xué)四年所學(xué)的課程知識(shí)來(lái)解決生產(chǎn)實(shí)際中的問(wèn)題。這是我們?cè)谶M(jìn)入生產(chǎn)實(shí)際以前對(duì)所學(xué)各門課程的一次綜合應(yīng)用，也是一次理論聯(lián)系實(shí)際的好機(jī)會(huì)。
通過(guò)本次設(shè)計(jì)，我希望能鍛煉自己綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，接觸現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中實(shí)際設(shè)計(jì)所遇到的問(wèn)題，提高正確分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，為今后進(jìn)入社會(huì)參加實(shí)踐積累經(jīng)驗(yàn)，打下良好的基礎(chǔ)。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我們的一次全面綜合的考驗(yàn)，由于知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)所限，設(shè)計(jì)會(huì)有許多不足之處，懇請(qǐng)各位老師給予指導(dǎo)。
2 曲軸的工藝分析及生產(chǎn)類型的確定
2.1 曲軸的作用及工作狀況
曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中承受沖擊載荷、傳遞動(dòng)力的重要零件，是發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，它需要承受活塞通過(guò)連桿傳來(lái)的力，將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并將這一旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給其他部分。
曲軸工作時(shí)的受力情況非常復(fù)雜。它不但受到很大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和大小、方向都在周期性變化的彎曲應(yīng)力的作用，而且還受到振動(dòng)所產(chǎn)生的附加應(yīng)力的作用。因此曲軸應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度、抗疲勞強(qiáng)度和抗沖擊韌性。同時(shí)，曲軸工作時(shí)旋轉(zhuǎn)速度很高，曲軸的主軸頸和連桿軸頸應(yīng)具有足夠的耐磨性。再加上曲軸工作的環(huán)境十分復(fù)雜、工作條件惡劣，因此對(duì)曲軸材質(zhì)以及毛坯加工技術(shù)、精度、表面粗糙度、熱處理和表面強(qiáng)化、動(dòng)平衡等要求都十分嚴(yán)格。如果其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)質(zhì)量沒(méi)有得到保證，則可能嚴(yán)重影響曲軸的使用壽命和整機(jī)的可靠性。
2.2 曲軸的工藝分析
曲軸屬于細(xì)長(zhǎng)軸類零件，它的幾乎所有表面均需切削加工，各表面的加工精度和表面粗糙度通過(guò)加工即可獲得，由于其工作環(huán)境的惡劣，加工精度要求較高。為了保證曲軸正常的工作，曲軸要有相對(duì)嚴(yán)格的技術(shù)要求。主要有：
曲軸主軸頸和連桿軸頸尺寸公差等級(jí)不低于IT6，軸頸的圓度和軸頸母線間的平行度不大于，軸頸表面粗糙度值為；
連桿軸頸軸線對(duì)主軸頸軸線的平行度允差為；
曲柄半徑公差為；
主軸頸、連桿軸頸與曲柄連接圓角的表面粗糙度值不大于；
曲軸各連桿軸頸軸線之間的角度偏差不大于；
曲軸的主軸頸和連桿軸頸，應(yīng)經(jīng)過(guò)表面淬火或氮化，硬度應(yīng)在范圍內(nèi)等。
2.3 曲軸的生產(chǎn)類型
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的生產(chǎn)類型為大批大量生產(chǎn)。
整體來(lái)看，曲軸加工的工藝原則：
曲軸具有完全互換性；
毛坯精度中等，加工余量中等；
設(shè)備采用通用機(jī)床、專用機(jī)床和數(shù)控機(jī)床等集中加工；
廣泛采用夾具；
刀具以通用刀具為主，量具以通用量、檢具為主；
需要一定熟練程度的工人。
3 選擇毛坯，確定毛坯尺寸
3.1 毛坯材料及其制造工藝
3.1.1 毛坯的材料
在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，曲軸承受著很大的方向不斷變化的彎矩和扭矩，也經(jīng)受著高速運(yùn)轉(zhuǎn)中長(zhǎng)時(shí)間的磨損，因此，要求曲軸的材質(zhì)具有較高的疲勞強(qiáng)度以及良好的耐磨性能。
制造曲軸的材料目前主要有三大類，即鍛鋼、鑄鋼、和球墨鑄鐵。鍛鋼曲軸可以按一定規(guī)定的鋼或、、的合金制造，也有的需要用機(jī)械性能不低于上述牌號(hào)的其他鋼材制造。鑄鋼的曲軸一般采用鋼制造。而球墨鑄鐵曲軸則一般采用不低于牌號(hào)的球墨鑄鐵制造。
我們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中要根據(jù)不同的生產(chǎn)類型、不同的工作環(huán)境以及工廠的具體條件等選擇合適的材料加工曲軸。由于球墨鑄鐵的切削性能良好，可以獲得較理想的結(jié)構(gòu)形狀，并且和鋼質(zhì)曲軸一樣可以進(jìn)行各種熱處理和表面強(qiáng)化處理來(lái)提高曲軸的抗疲勞強(qiáng)度、硬度和耐磨性。而球墨鑄鐵曲軸成本只有調(diào)質(zhì)鋼曲軸成本的1/3左右，可以為工廠生產(chǎn)節(jié)省成本，提高效率等，所以球墨鑄鐵曲軸在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。因此本次設(shè)計(jì)三拐曲軸選用球墨鑄鐵作為曲軸的毛坯材料。
3.1.2 毛坯的制造工藝
在進(jìn)行曲軸加工工藝過(guò)程設(shè)計(jì)中，曲軸毛坯類型是選擇加工總余量及前幾道工序的加工余量的決定因素，也是選擇刀具材料及設(shè)備性能的依據(jù)。毛坯的種類和其質(zhì)量對(duì)機(jī)械加工的質(zhì)量、材料的節(jié)約、勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高和成本的降低都有密切的關(guān)系。
好的毛坯制造工藝和毛坯質(zhì)量，往往可大幅度降低機(jī)械加工勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且比采取某些高生產(chǎn)率的機(jī)械加工工藝措施更為有效。如自由鍛件改進(jìn)為模鍛件，球墨鑄鐵件取代鑄鋼件等。前者可提高毛坯制造和機(jī)械加工效率，大批量生產(chǎn)條件下也可降低毛坯制造生產(chǎn)成本，同時(shí)可保證非加工面的結(jié)構(gòu)一致性，便于曲軸的靜、動(dòng)平衡，提高柴油機(jī)性能。球墨鑄鐵取代鑄鋼曲軸，降低了毛坯制造成本和機(jī)械加工生產(chǎn)成本，節(jié)約資源和提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。
曲軸屬于細(xì)長(zhǎng)軸類零件，質(zhì)量較大，近年來(lái)采用電渣熔鑄技術(shù)[1]鑄造鋼質(zhì)曲軸使得鑄件質(zhì)量大大提高，鑄造廢品率得以降低，曲軸的使用壽命也有所延長(zhǎng)，會(huì)在將來(lái)成為廣泛應(yīng)用的新技術(shù)。
目前在工廠中廣泛使用的曲軸毛坯制造工藝有鑄造成型、鍛造成型以及全纖維鍛造成型等工藝。
本次設(shè)計(jì)選用切削性能較好，生產(chǎn)成本較低的球墨鑄鐵做為曲軸材料。采用鑄造成型的方法制造球墨鑄鐵曲軸。球墨鑄鐵曲軸鑄造時(shí)容易產(chǎn)生夾渣和皮下氣孔等缺陷,因此，澆注系統(tǒng)應(yīng)能保證鐵水平穩(wěn)的流入鑄型，并要求有良好的擋渣作用。同時(shí)，由于球墨鑄鐵的澆注溫度一般比灰鑄鐵低，為了防止冷隔和澆注不足發(fā)生，必須采取較快的澆注速度，相應(yīng)的增加澆道的尺寸，以保證鐵水進(jìn)入橫澆道后流速顯著減小，在略有壓力的作用下平穩(wěn)的進(jìn)入型腔，而不會(huì)出現(xiàn)噴射飛濺現(xiàn)象。
毛坯圖如下圖所示：
圖2 三拐曲軸毛坯圖
Fig 2 The semi finished materials of crank shaft
3.2 毛坯尺寸的確定
根據(jù)三拐曲軸的功用和技術(shù)要求，確定其鑄件毛坯精度中等，公差等級(jí)可達(dá)級(jí)（參照參考文獻(xiàn)[2]《機(jī)械制造技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)》查表），再根據(jù)參考文獻(xiàn)[2] 《機(jī)械制造技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)》，查表查得各毛坯尺寸的單邊加工余量。
見表1：
表1 毛坯尺寸
Tab 1 Rough size
零件尺寸
單面加工余量
鑄件毛坯尺寸
3.3 確定毛坯尺寸公差
曲軸毛坯尺寸公差同樣根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]《機(jī)械制造技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表和
表中查得。
見表：
表2 毛坯尺寸偏差
Tab 2 Rough size deviation
鑄件毛坯尺寸
偏 差
4 選擇加工方法，制定加工路線
4.1 定位基準(zhǔn)的選擇
制定工藝路線首先要選擇好定位基準(zhǔn)，包括粗、精基準(zhǔn)的選擇。選擇的粗基準(zhǔn)要便于加工精基準(zhǔn)，使所有加工表面有足夠的加工余量并且保證相互位置精度，還要滿足方便裝夾等要求。選擇精基準(zhǔn)時(shí)要考慮的主要問(wèn)題是如何保證設(shè)計(jì)技術(shù)要求的實(shí)現(xiàn)以及裝夾準(zhǔn)確、可靠、方便；要保證零件的加工精度，滿足基準(zhǔn)重合、基準(zhǔn)統(tǒng)一、互為基準(zhǔn)、自為基準(zhǔn)和便于裝夾原則等。
三拐曲軸為細(xì)長(zhǎng)軸類零件，在曲軸加工過(guò)程中，為了保證質(zhì)量中心孔鉆在主頸毛坯外圓面的軸線位置上，選用主軸頸的外圓面為粗基準(zhǔn)同時(shí)為了保證所加工的基準(zhǔn)面的軸向尺寸，選用第四主軸頸兩側(cè)面為軸向粗基準(zhǔn)。同時(shí)，在第四主軸頸兩側(cè)上銑出兩個(gè)工藝平面作為加工連桿頸時(shí)的輔助粗基準(zhǔn)；在加工主軸頸及同軸心的軸頸外圓時(shí)，以質(zhì)量中心孔為精基準(zhǔn)；加工連桿頸時(shí)，用加工的法蘭和小頭的外圓及連桿頸外圓作為精基準(zhǔn)。這樣便于保證技術(shù)要求。
4.2 零件表面加工方法的選擇
曲軸的加工表面有外圓、內(nèi)孔、端面、鍵槽及螺紋孔等，材料為。各加工表面加工方法選擇如下。
外圓
曲軸兩端外圓面表面粗糙度為,粗車和精車后可達(dá)到要求。
各主軸頸、連桿軸頸表面粗糙度，先經(jīng)過(guò)車?yán)庸?，再?jīng)過(guò)磨削可達(dá)到要求。
孔
曲軸直油孔和斜油孔，表面粗糙度為，通過(guò)鉆孔后可滿足加工要求。
曲軸兩端中心孔采用鉆削即可達(dá)到加工要求。
曲軸兩端孔通過(guò)鉆、擴(kuò)滿足要求，法蘭端孔還要經(jīng)過(guò)鉸孔以達(dá)到加工要求。
端面
曲軸零件為回轉(zhuǎn)體，以兩端面作為定位基準(zhǔn)，考慮到生產(chǎn)效率等要求可采用銑削端面，后道工序采用車削可達(dá)到要求的精度。
鍵槽
根據(jù)鍵槽要求達(dá)到的表面粗糙度可采用銑鍵槽。
螺紋孔
先鉆孔，利用絲錐攻絲。
4.3 制定工藝路線
機(jī)械加工工藝路線是機(jī)械加工工藝規(guī)程的核心。按照先加工基準(zhǔn)面后加工其他表面，先粗基準(zhǔn)表面后精基準(zhǔn)表面，先主要表面后次要表面以及先加工平面后加工孔等原則進(jìn)行加工，制訂出適合工廠自身?xiàng)l件，確保加工質(zhì)量、高效和低成本的最佳工藝路線。本次設(shè)計(jì)的曲軸加工工藝路線如下：
工序1毛坯檢測(cè) 工序2粗銑兩端面
工序3劃兩端中心孔線 工序4鉆中心孔
工序5粗車法蘭及小端外圓 工序6精車法蘭及小端外圓
工序7銑平衡塊兩側(cè) 工序8粗車第四主軸頸
工序9粗磨第3主軸頸 工序10車?yán)恐鬏S頸
工序11銑曲軸連桿軸頸 工序12車平衡塊外圓及倒角
工序13鉆大頭端上定位銷孔 工序14鉆直油孔
工序15鉆斜油孔 工序16去毛刺、清洗
工序17中頻淬火 工序18精磨主軸頸和連桿軸頸
工序19銑鍵槽 工序20鉆兩端孔
工序21擴(kuò)小端孔 工序22擴(kuò)、鉸法蘭端孔
工序23鉆3個(gè)螺紋底孔 工序24攻6個(gè)螺紋底孔螺紋
工序25油孔孔口倒角、拋光 工序26擦拭及吹凈曲軸
工序27磁力探傷及退磁 工序28軸頸滾壓
工序29軸頸變形檢測(cè) 工序30滾壓校直
工序31軸頸修磨 工序32動(dòng)平衡測(cè)量、去重
工序33清洗表面鐵屑 工序34拋光所有軸頸
工序35清洗、吹風(fēng) 工序36最終檢驗(yàn)
工序37防銹。
5 工序設(shè)計(jì)
5.1 選擇加工設(shè)備與工藝裝備
擬定出加工工藝路線后，需要選擇各工序的加工設(shè)備和工藝裝備。合理的加工設(shè)備、工藝裝備（機(jī)床、刀具、夾具以及量具等）使得加工出來(lái)的曲軸達(dá)到正常工作的要求，也能夠提高加工生產(chǎn)率從而提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。本設(shè)計(jì)加工設(shè)備、工藝裝備選擇如下：
（1）第2道工序?yàn)榇帚妰啥嗣?。由于曲軸尺寸較大，在大批大量生產(chǎn)的前提下，采用雙面銑床可以滿足兩端面所需生產(chǎn)率要求以及加工精度等要求。本道工序選用雙端面銑床。采用專用夾具定位加緊。雙端面銑床上使用硬質(zhì)合金面銑刀。
（2）第3道工序?yàn)閯潈啥酥行目拙€。本道工序在生產(chǎn)車間將曲軸毛坯放置于工作臺(tái)V型架上劃線。
（3）第4道工序?yàn)殂@兩端中心孔。曲軸兩端中心孔孔徑尺寸不大，由于曲軸尺寸較大，采用雙面中心孔鉆床。采用可調(diào)中心架，使用中心鉆（GB/T 6078.2－1998）。
（4）第5、6道工序是粗、精車法蘭及小端外圓，可采用C630型車床進(jìn)行車削。通過(guò)普通游標(biāo)卡尺（GB/T 1214.2－1996）和普通式千分表（GB/T 1219－2000）檢驗(yàn)。
（5）第7道工序是銑平衡塊兩側(cè)，采用數(shù)控曲軸銑床進(jìn)行銑削。銑床上采用盤銑刀進(jìn)行加工。
（6）第8道工序是粗車第四主軸頸，可采用C630型車床進(jìn)行車削。采用兩端中心孔定位。由于曲軸加工為大批大量生產(chǎn)，考慮到生產(chǎn)效率等方面的因素，在車床上選用可轉(zhuǎn)位車刀（GB/T 2076－1987）減少換刀時(shí)間以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。通過(guò)普通游標(biāo)卡尺（GB/T 1214.2－1996）檢驗(yàn)。
（7）第9道工序是粗磨第四主軸頸。由于第四主軸頸在后續(xù)加工中起到定位基準(zhǔn)以及輔助支撐的作用，因此先要將其加工出來(lái)，兩端并且保證一定的精度。本道工序選用MQ8260型磨床。采用外徑千分尺（GB/T 1216－2004）來(lái)檢驗(yàn)加工后是否達(dá)到要求的精度。
（8）第10道工序是車?yán)恐鬏S頸，可采用數(shù)控曲軸主軸頸車?yán)瓩C(jī)床進(jìn)行加工。以主軸頸為回轉(zhuǎn)中心，通過(guò)夾具裝夾。
（9）第11道工序是銑連桿軸頸，連桿軸頸的加工是曲軸加工工藝中重點(diǎn)難點(diǎn)所在，由于其軸頸與主軸頸偏心，在曲軸旋轉(zhuǎn)加工中由于偏心力的作用加工容易出現(xiàn)較大誤差，因此要注意本道工序的加工，保證加工精度。采用數(shù)控曲軸內(nèi)銑床。
（10）第12道工序是車平衡塊外圓及倒角，平衡塊位于曲拐上，是偏心的，因此要采用多刀車床進(jìn)行偏心車削。
（11）第13道工序是鉆大頭端上定位銷孔，使用專用鉆床夾具裝夾，使用搖臂鉆床Z35進(jìn)行鉆削。使用直柄麻花鉆（GB/T 6135.3－1996）。
（12）第14道工序是鉆直油孔，可采用Z35搖臂鉆床使用專用鉆直油孔鉆模定位夾緊曲軸鉆出所要求的直油孔，鉆頭使用直柄長(zhǎng)麻花鉆（GB/T 6135.4－1996）。
（13）第15道工序是鉆斜油孔，柴油機(jī)曲軸斜油孔的加工是曲軸加工工藝過(guò)程中比較關(guān)鍵的工序，由于其要求為斜油孔，位置與角度要求比較高，加工中要保證其位置精度。本道工序采用Z35搖臂鉆床進(jìn)行鉆削加工。要使用專用鉆斜油孔鉆模定位夾緊工件，定位要滿足角度及位置要求，防止不能與直油孔對(duì)接等情況的發(fā)生。鉆頭使用直柄長(zhǎng)麻花鉆（GB/T 6135.4－1996）即可。
（14）第16道工序是去毛刺、清洗，使用高壓去毛刺清洗機(jī)器，通過(guò)高壓水形成多方向高壓水流的柔性刀具對(duì)各復(fù)雜表面、孔等進(jìn)行清洗及去毛刺。
（15）第17道工序是中頻淬火，采用曲軸淬火機(jī)床，進(jìn)行感應(yīng)淬火，以此改善曲軸材料表面組織，提高材料的表面強(qiáng)度。
（16）第18道工序是精磨主軸頸和連桿軸頸，采用數(shù)控曲軸磨床一次裝夾磨削。
（17）第19道工序是銑鍵槽，采用X62W型臥式萬(wàn)能升降臺(tái)銑床進(jìn)行銑削。通過(guò)專用銑床夾具定位夾緊曲軸，銑削鍵槽。
（18）第20道工序是鉆兩端孔，采用Z3080型搖臂鉆床。鉆頭使用錐柄麻花鉆（GB/T 1438.1－1996）。
（19）第21道工序是擴(kuò)小端孔，采用Z3080型搖臂鉆床。鉆頭使用直柄擴(kuò)孔鉆（GB/T 4256－2004）。
（20）第22道工序是擴(kuò)鉸法蘭端孔，采用Z3080型搖臂鉆床。鉆頭使用錐柄擴(kuò)孔鉆（GB/T 4256－2004），鉸刀型號(hào)為機(jī)用鉸刀（GB/T 1132－2004）。
（21）第23道工序是鉆6個(gè)螺紋底孔，采用Z3040型搖臂鉆床。鉆頭使用直柄麻花鉆（GB/T 6135.3－1996）。
（22）第24道工序是攻6個(gè)螺紋底孔螺紋，采用絲錐攻絲。絲錐類型為機(jī)用絲錐（GB/T 3464.1－1994）。
（23）第25道工序是油孔孔口倒角及拋光，采用油孔孔口倒角工具對(duì)孔口倒角，并利用砂布拋光孔口銳邊。
（24）第27道工序是磁力探傷及退磁，根據(jù)國(guó)家頒布的《曲軸技術(shù)條件》規(guī)定，每根曲軸必須經(jīng)磁力探傷并執(zhí)行嚴(yán)格的磁力探傷標(biāo)準(zhǔn)。磁力探傷后要退磁。使用磁力探傷機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。
（25）第28道工序是軸頸滾壓，進(jìn)行軸頸滾壓工藝是為了提高曲軸圓角強(qiáng)度，起到冷作硬化的作用，在曲軸加工工藝中是較好的提高曲軸表面強(qiáng)度的工序。球墨鑄鐵曲軸圓角滾壓強(qiáng)化將廣泛應(yīng)用于曲軸加工中。采用曲軸圓角滾壓機(jī)床進(jìn)行滾壓強(qiáng)化表面。
（26）第29道工序是軸頸變形檢測(cè)，第30道工序是滾壓校直。通過(guò)曲軸滾壓、校直機(jī)床對(duì)曲軸滾壓強(qiáng)化后的軸頸進(jìn)行直線度等的檢測(cè)，并對(duì)直線度沒(méi)有達(dá)到要求的軸頸進(jìn)行滾壓校直，保證曲軸精度。
（27）第32道工序是動(dòng)平衡測(cè)量、去重，這是發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸加工過(guò)程中較為關(guān)鍵的一道工序，發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)要保證傳給作用力的大小和方向不隨時(shí)間變化，曲軸各個(gè)質(zhì)點(diǎn)具有離心慣性力，而曲軸質(zhì)量分布不均勻，因此需要對(duì)曲軸進(jìn)行動(dòng)平衡去重。采用動(dòng)平衡機(jī)檢測(cè)，并去重。
（28）第33道工序是清洗表面鐵屑，采用清洗機(jī)進(jìn)行清洗。
（29）第34道工序是拋光所有軸頸，采用拋光機(jī)利用砂帶進(jìn)行拋光。
5.2 確定工序尺寸
確定曲軸主要加工表面的工序尺寸：主軸頸等圓柱表面多次加工的工序尺寸只與加工余量有關(guān)。前面已確定各圓柱面的總加工余量（毛坯余量），應(yīng)將毛坯余量分為各工序加工余量，然后由后往前計(jì)算工序尺寸。中間工序尺寸的公差按加工方法的經(jīng)濟(jì)精度確定。
三拐曲軸零件各圓柱表面的工序加工余量、工序尺寸及公差、表面粗糙度如下：
5.2.1 加工小端外圓柱面φ80mm
其尺寸精度要求為IT7級(jí)，表面粗糙度要求為，其工藝路線為：粗車→精車即可達(dá)到加工要求。
由參考文獻(xiàn)[2]、參考文獻(xiàn)[5]中相關(guān)資料得精車余量：，粗車余量：，則總加工余量可定為。查參考文獻(xiàn)[4]《機(jī)械制造工藝學(xué)》中表以及毛坯精度要求得：精車后選定IT7；粗車后選定IT9。根據(jù)上述經(jīng)濟(jì)加工精度查標(biāo)準(zhǔn)公差表（參考文獻(xiàn)[2]表），將查得的標(biāo)準(zhǔn)公差值按照“入體原則”標(biāo)注。毛坯公差為。計(jì)算各加工工序的基本尺寸。
見表3：
表3 φ80外圓加工余量計(jì)算
Tab3φ 80Outer annulus machining allowance
工序名稱
工序間
余量
工 序
工序基本尺寸
標(biāo)注工序
尺寸公差
經(jīng)濟(jì)精度
表面粗糙度
精車
IT7()
粗車
IT9()
毛坯
5.2.2 加工小端外圓柱面φ100mm
其尺寸精度要求為IT7級(jí)，表面粗糙度要求為，其工藝路線為：粗車→精車即可達(dá)到加工要求。
由參考文獻(xiàn)[2]、參考文獻(xiàn)[5]中相關(guān)資料得精車余量：，粗車余量：，則總加工余量可定為。查參考文獻(xiàn)[4]《機(jī)械制造工藝學(xué)》中表以及毛坯精度要求得：精車后選定IT7；粗車后選定IT9。根據(jù)上述經(jīng)濟(jì)加工精度查標(biāo)準(zhǔn)公差表（參考文獻(xiàn)[2]表），將查得的標(biāo)準(zhǔn)公差值按照“入體原則”標(biāo)注。毛坯公差為。計(jì)算各加工工序的基本尺寸。
見表4：
表4 φ100mm外圓加工余量計(jì)算
Tab4 φ100mm Outer annulus machining allowance
工序名稱
工序間
余量
工 序
工序基本尺寸
標(biāo)注工序
尺寸公差
經(jīng)濟(jì)精度
表面粗糙度
精車
IT7()
粗車
IT9()
毛坯
5.2.3 加工法蘭外圓柱面φ200mm
其尺寸精度要求為IT7級(jí)，表面粗糙度要求為，工藝路線為：粗車→精車。由參考文獻(xiàn)[2]；參考文獻(xiàn)[6]中相關(guān)資料得：精車余量：，粗車余量：，則總加工余量為。計(jì)算各加工工序的基本尺寸。
見表5 ：
表5 φ200mm外圓加工余量計(jì)算
Tab5 φ200mm Outer annulus machining allowance
工序名稱
工序間
余量
工 序
工序基本尺寸
標(biāo)注工序
尺寸公差
經(jīng)濟(jì)精度
表面粗糙度
精車
IT7()
粗車
IT9()
毛坯
5.2.4 加工主軸頸外圓柱面φ150mm
其尺寸精度要求為IT6級(jí)，表面粗糙度要求為，工藝路線為：粗車→精車→精磨。由參考文獻(xiàn)[2]；參考文獻(xiàn)[5]中相關(guān)資料得：精磨余量：；精車余量：，粗車余量：，則總加工余量為。計(jì)算各加工工序的基本尺寸。
見表6：
表6 φ150mm外圓加工余量計(jì)算
Tab6 φ150mm Outer annulus machining allowance
工序名稱
工序間
余量
工 序
工序基本尺寸
標(biāo)注工序
尺寸公差
經(jīng)濟(jì)精度
表面粗糙度
精磨
IT6()
車?yán)?
IT7()
毛坯
5.2.5 加工連桿軸頸外圓柱面φ135mm
其尺寸精度要求為IT6級(jí)，表面粗糙度要求為，工藝路線為：粗車→精車→精磨。由參考文獻(xiàn)[5]；參考文獻(xiàn)[6]中相關(guān)資料得：精磨余量：；精車余量：，粗車余量：，則總加工余量為。計(jì)算各加工工序的基本尺寸。
見表7：
表7 φ135mm外圓加工余量計(jì)算
Tab7 φ135mm Outer annulus machining allowance
工序名稱
工序間
余量/mm
工 序
工序基本尺寸/mm
標(biāo)注工序
尺寸公差/mm
經(jīng)濟(jì)精度/mm
表面粗糙度Ra/μm
精磨
IT6()
內(nèi)銑
IT7()
毛坯
6 確定切削用量及基本工時(shí)
6.1 切削用量
切削用量包括背吃刀量、進(jìn)給量和切削速度。確定順序是確定、，再確定 [6]。
工序2為粗銑兩端面。已知加工材料為，鑄造，機(jī)床為雙端面銑床，所選刀具為硬質(zhì)合金面銑刀。
確定外圓加工的切削用量。
（1）確定背吃刀量 本工序的背吃刀量即銑刀銑削深度選擇＝。
（2）確定進(jìn)給量 由參考文獻(xiàn)[6]中表查得，選擇。
（3）確定切削速度 根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]中表銑削時(shí)切削速度選擇
，，。
根據(jù)以上算法及查工藝手冊(cè)[7]，得出部分工序切削用量：
工序4為鉆中心孔，鉆削余量查表可得：，；
工序5為粗車法蘭及小端外圓， ，，；
工序6為精車法蘭及小端外圓， ，，；
工序7為銑平衡塊兩側(cè)， ，，；
工序8為粗車第3主軸頸，，， ；
工序9為粗磨第3主軸頸，， ；
工序10為車?yán)恐鬏S頸, ，，；
工序11為銑曲軸連桿軸頸，，，；
工序12為車平衡塊外圓及倒角，車外圓，，，，
倒角，，；
工序13 為鉆大頭端定位銷孔，，；
工序14為鉆直油孔，，；
工序15為鉆斜油孔，，；
工序18 為精磨主軸頸和連桿軸頸，，；
工序19為銑鍵槽，，；
工序20為鉆兩端孔，，；
工序21為擴(kuò)小端孔，，；
工序22為擴(kuò)鉸法蘭端孔，擴(kuò)孔，，；
鉸孔，，，；
工序23為鉆六個(gè)螺紋底孔，，；
工序31 為軸頸修磨，，；
6.2 基本時(shí)間的確定
在進(jìn)行生產(chǎn)加工工藝制訂時(shí)，要確定好時(shí)間定額。時(shí)間定額是指在一定生產(chǎn)條件下，規(guī)定一件產(chǎn)品或完成一道工序所需消耗的時(shí)間。它是安排作業(yè)計(jì)劃、進(jìn)行成本核算、確定設(shè)備數(shù)量、人員編制以及規(guī)劃生產(chǎn)面積的重要依據(jù)。合理的制訂時(shí)間定額對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本都是十分重要的。
直接改變生產(chǎn)對(duì)象的尺寸、形狀、相對(duì)位置、以及表面狀態(tài)或材料性質(zhì)的工藝過(guò)程所消耗的時(shí)間稱為基本時(shí)間。它是時(shí)間定額組成中最基本的要素。下面確定三拐曲軸加工工藝中各工序主要的基本時(shí)間：
粗銑兩端面的基本時(shí)間：根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]《機(jī)械制造技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)》中表端面銑刀銑平面時(shí)間的計(jì)算公式：
……………………（1）
式中：小端，，，，
則
鉆中心孔的基本時(shí)間：根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]《機(jī)械制造技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)》中表鉆中心孔時(shí)間的計(jì)算公式得：
粗車法蘭及小端外圓的基本時(shí)間由計(jì)算公式得：法蘭外圓，
小端外圓，；
精車法蘭及小端外圓的基本時(shí)間由計(jì)算公式得：法蘭外圓，
小端外圓，；
銑平衡塊兩側(cè)的基本時(shí)間由計(jì)算公式得：
粗車第四主軸頸的基本時(shí)間由計(jì)算公式得：
粗磨第四主軸頸的基本時(shí)間由計(jì)算公式得：
車?yán)恐鬏S頸基本時(shí)間為：
銑曲軸連桿軸頸的基本時(shí)間為：
車平衡塊外圓及倒角的基本時(shí)間由計(jì)算公式得：外圓，；倒角，
鉆定位銷孔的基本時(shí)間由計(jì)算公式得：
鉆直油孔的基本時(shí)間由計(jì)算公式得：
鉆斜油孔的基本時(shí)間由計(jì)算公式得：
精磨主軸頸和連桿軸頸的基本時(shí)間為：
銑鍵槽的基本時(shí)間由計(jì)算公式得：
鉆兩端孔的基本時(shí)間由計(jì)算公式得：法蘭端，；小頭端，
擴(kuò)小端孔的基本時(shí)間由計(jì)算公式得：
擴(kuò)鉸法蘭端孔的基本時(shí)間由計(jì)算公式得：擴(kuò)孔，；鉸孔，
鉆六個(gè)螺紋底孔的基本時(shí)間
7 曲軸加工質(zhì)量研究
曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，它將發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并將這一旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給所需動(dòng)力的部分。可以說(shuō)，柴油機(jī)的全部功率是由曲軸傳給發(fā)動(dòng)機(jī)的。
曲軸在整個(gè)運(yùn)動(dòng)和能量傳遞過(guò)程中受力狀況復(fù)雜，是承受載荷最大的零件之一。由于曲軸的工作環(huán)境十分惡劣，而曲軸在工作中要承受較大的沖擊載荷、較大的彎矩和扭矩等，又要經(jīng)受很高的旋轉(zhuǎn)速度，因此其在發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件中最難以保證加工質(zhì)量。曲軸的材質(zhì)以及毛坯加工技術(shù)、精度、表面粗糙度、熱處理和表面強(qiáng)化及動(dòng)平衡等要求都十分嚴(yán)格。其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)質(zhì)量沒(méi)有的到保證，將會(huì)嚴(yán)重的影響曲軸的使用壽命和整機(jī)的可靠性。
在曲軸加工過(guò)程中，曲軸的材料、加工設(shè)備、表面強(qiáng)化乃至加工方法等都將影響曲軸加工質(zhì)量。下面對(duì)影響曲軸加工質(zhì)量的一些因素進(jìn)行分析并提出相應(yīng)對(duì)策：
7.1 曲軸的加工方法
曲軸是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的零件，由于其為細(xì)長(zhǎng)軸類零件，其長(zhǎng)徑比一般都大于10，其軸向剛度和橫向剛度相對(duì)較弱，給機(jī)械加工帶來(lái)了很大困難。曲軸的加工工藝難點(diǎn)主要在主軸頸和連桿軸頸外圓的加工，其各個(gè)軸頸需要保證有較高的表面精度，而且要對(duì)表面進(jìn)行熱處理和表面的強(qiáng)化處理，才能夠使加工的曲軸能夠滿足工作時(shí)的要求。
在曲軸加工過(guò)程中各工序的加工方式常常影響曲軸的加工精度、表面強(qiáng)度、使用壽命以及企業(yè)的生產(chǎn)效率等。下面從機(jī)械加工工藝技術(shù)和熱處理及表面處理等方面分析影響曲軸加工質(zhì)量的因素。
7.1.1 曲軸加工工藝的發(fā)展
曲軸屬于細(xì)長(zhǎng)軸類零件，其長(zhǎng)徑比往往大于10。而其在發(fā)動(dòng)機(jī)中的工作環(huán)境比較惡劣，這就要求其加工質(zhì)量要達(dá)到一定精度。采用什么樣的加工工藝往往決定著曲軸的加工質(zhì)量，并且關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)效率等方面的問(wèn)題。從機(jī)械加工技術(shù)工藝方面來(lái)看，曲軸生產(chǎn)線多數(shù)由普通機(jī)床和專用機(jī)床組成，生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度較好。粗加工設(shè)備多采用多刀車床車削曲軸主軸頸及連桿軸頸。一般的精加工采用MQ8260磨床進(jìn)行磨削，并進(jìn)行拋光。能夠達(dá)到所要達(dá)到的加工要求。
但從零件加工精度、制造柔性以及加工工序質(zhì)量穩(wěn)定性等方面考慮，上述曲軸的加工工藝還存在著一些問(wèn)題，如零件的加工精度相對(duì)較低、制造柔性差并且其加工工序質(zhì)量不太穩(wěn)定。曲軸加工工藝還需要不斷向前發(fā)展。
在20世紀(jì)70年代到80年代左右，曲軸粗加工開始采用CNC車削、CNC外銑加工，加工狀況有所改善。精加工仍以普通磨床磨削工藝為主。CNC數(shù)控技術(shù)的廣泛應(yīng)用給零件的加工帶來(lái)了很多方便。CNC車削、銑削系統(tǒng)取代了通用機(jī)床的手工操作，具有充分的柔性。加工零件的一致性很好，避免了通用機(jī)床加工時(shí)人為因素的影響。數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)易于調(diào)整機(jī)床，減少了調(diào)整時(shí)間，可以大大提高企業(yè)生產(chǎn)效率。另外還可以建立網(wǎng)絡(luò)連接，便于自動(dòng)化生產(chǎn)。
隨后又出現(xiàn)了CNC內(nèi)銑工藝，CNC內(nèi)銑加工性能指標(biāo)要高于CNC外銑加工，尤其是對(duì)于鍛鋼曲軸，內(nèi)銑更有利于斷屑。精加工工藝采用半自動(dòng)曲軸磨床，頭架和尾座同步傳動(dòng)，加工精度有一定的提高。
隨著對(duì)零件精度和生產(chǎn)效率的高追求，又開發(fā)出了曲軸車?yán)?、車－車?yán)に嚕摴に嚲哂芯雀?、效率高等?yōu)點(diǎn)，特別適合于平衡塊側(cè)面不需要加工且軸頸有沉割槽(包括軸向沉割槽)的曲軸，加工后曲軸可直接進(jìn)行精磨，省去粗磨工序。曲軸精加工采用數(shù)控磨床磨削工藝，使得尺寸的一致性得到改善。
20世紀(jì)90年代中期又開發(fā)出CNC高速外銑，它對(duì)平衡塊側(cè)面需要加工的曲軸，比CNC車削、CNC內(nèi)銑、車－車?yán)纳a(chǎn)效率還要高。另外，CNC車－車?yán)に嚰庸みB桿軸頸需要二道工序，CNC高速外銑只要一道工序就能完成，具有以下優(yōu)點(diǎn)：切削速度高(可高達(dá)350m/min)、切削時(shí)間較短、工序循環(huán)時(shí)間較短、切削力較小、工件溫升較低、刀具壽命高、換刀次數(shù)少、加工精度更高、柔性更好。所以CNC高速外銑將是曲軸主軸頸和連桿軸頸粗加工的發(fā)展方向。精加工使用數(shù)控磨床，采用靜壓主軸、靜壓導(dǎo)軌、靜壓進(jìn)給絲杠(砂輪頭架)和線性光柵閉環(huán)控制等控制裝置，使各尺寸公差及形位公差得到可靠的保證，精加工還廣泛使用數(shù)控砂帶拋光機(jī)進(jìn)行超精加工，經(jīng)超精加工后的曲軸軸頸表面粗糙度至少提高一級(jí)精度。
進(jìn)入21世紀(jì)以后，復(fù)合加工工藝已進(jìn)入曲軸制造業(yè)中。復(fù)合機(jī)床應(yīng)具有工序集成功能，多種加工集成功能。奧地利WFL公司生產(chǎn)的臥式車銑復(fù)合加工中心(圖3為M40G型)能在曲軸硬化前“一次裝夾，全部加工”，加工后的曲軸可直接轉(zhuǎn)入精加工工序；曲軸精加工方面，也出現(xiàn)了工序集成的CBN數(shù)控磨床，即一次裝夾磨削全部曲軸主軸頸和連桿軸頸(擺動(dòng)跟蹤磨削)。
由以上演變可以看出，曲軸的加工工藝正向著高速、高效、復(fù)合化方向發(fā)展。目前較為流行的粗加工工藝是主軸頸采用車－車?yán)に嚭透咚偻忏姡B桿頸采用高速隨動(dòng)外銑，全部采用干式切削；精加工采用數(shù)控磨床加工，具有自動(dòng)進(jìn)給、自動(dòng)修正砂輪、尺寸和圓度自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)分度和兩端電子同步驅(qū)動(dòng)等功能。主軸頸和連桿頸可一次裝夾全部磨削完畢。[8]
7.1.2 曲軸軸頸加工工藝分析
三拐發(fā)動(dòng)機(jī)（柴油機(jī)）廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、船舶以及發(fā)電機(jī)組中。隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展進(jìn)步，這類型號(hào)的曲軸加工工藝需要不斷改進(jìn)。本次三拐曲軸的加工工藝路線中采用了較為先進(jìn)的加工工藝，能夠提高曲軸加工質(zhì)量。
曲軸軸頸是曲軸的重要部位，通過(guò)軸頸連接連桿進(jìn)行動(dòng)力的傳動(dòng)。為保證傳動(dòng)的精確性，曲軸的主軸頸和連桿軸頸的加工要達(dá)到工作要求的高精度。根據(jù)技術(shù)要求，曲軸軸頸要滿足：曲軸主軸頸和連桿軸頸尺寸公差等級(jí)不低于IT6，軸頸的圓度和軸頸母線間的平行度不大于，軸頸表面粗糙度值為。
曲軸外圓的粗加工和半精加工經(jīng)歷了車削加工、銑削加工和車?yán)庸讉€(gè)階段。車削加工：
車削加工是曲軸軸頸外圓加工發(fā)展過(guò)程中最早出現(xiàn)的一種加工方法，即直接利用車削加工曲軸的主軸頸和連桿軸頸。其加工中存在如下不足:
（1）曲軸的質(zhì)量理論上是以主軸頸軸線為中心對(duì)稱分布的，在用車削工藝加工曲軸連桿軸頸時(shí)，以連桿軸頸軸線為旋轉(zhuǎn)中心，偏心質(zhì)量將產(chǎn)生很大的離心慣性力，轉(zhuǎn)速越高，離心慣性力越大。周期性的離心慣性力會(huì)引起振動(dòng)，振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致扎刀現(xiàn)象，從而影響加工表面質(zhì)量，且工件圓周上各處切削深度不均，使得工件外圓產(chǎn)生圓度誤差。
（2）車削加工曲軸時(shí)，由于切削力和切削熱的影響，會(huì)使工件產(chǎn)生較大彎曲變形，增大連桿軸頸軸線對(duì)主軸頸軸線的平行度誤差。
曲軸銑削加工：
在車削加工過(guò)程中，為避免產(chǎn)生較大離心力，工件要以較低的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，為提高加工效率，通過(guò)提高刀刃線速度的方法即銑削加工。銑削加工生產(chǎn)率較高、加工質(zhì)量穩(wěn)定而且使用范圍廣、柔性強(qiáng)。
曲軸車?yán)庸ぃ?
車?yán)庸な菍⑶S車削加工和拉削加工結(jié)合起來(lái)的加工工藝，曲軸車?yán)庸ぞ哂幸韵绿攸c(diǎn)：
（1）生產(chǎn)效率較高。車?yán)庸み^(guò)程中，每個(gè)刀片切削刃僅切削工件一次，提高刀具壽命，減少換刀時(shí)間，機(jī)床利用率高。
（2）加工精度高。曲軸車?yán)庸み^(guò)程中，車?yán)庸さ侗P將通過(guò)合理的隨機(jī)動(dòng)平衡控制，使車?yán)O(shè)備在加工過(guò)程中盡可能減小設(shè)備主軸和工件系統(tǒng)所受到的離心慣性力的沖擊，提高加工精度。
（3）自動(dòng)化水平高，工藝柔性好。車?yán)瓩C(jī)床加工刀盤以及刀具的調(diào)整、清洗都有整套專用設(shè)備，自動(dòng)化程度高。
以上三種加工工藝的加工精度見表8：
表8 曲軸三種加工工藝精度比較
Tab 8 Contrasts between three kinds of crankshaft process
機(jī)床廠家
參數(shù)
沈陽(yáng)第一機(jī)床廠
S1-217A
曲軸車床
沈陽(yáng)第一機(jī)床廠
S1-342
曲軸銑床
奧地利GFM
FKP-20
曲軸銑床
德國(guó)Heller
DRZ400
曲軸車?yán)瓩C(jī)床
直徑
開擋寬度
圓度
軸向尺寸
偏心距
相位
通過(guò)上述比較看出，曲軸車削加工由于其生產(chǎn)效率低，加工質(zhì)量較差以及加工不夠穩(wěn)定，不適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展需求。而曲軸銑削雖然效率高、質(zhì)量穩(wěn)定、柔性好，但其加工設(shè)備成本較高，限制了工藝的推廣。曲軸車?yán)庸ぜ鎮(zhèn)淞松鲜鰞煞N工藝的優(yōu)點(diǎn)，將成為曲軸外圓粗加工和半精加工的發(fā)展趨勢(shì)。
作為關(guān)鍵工序的軸頸加工中，主軸頸粗加工采取車?yán)に?，連桿軸頸粗加工采取高速隨動(dòng)外銑工藝。精加工采取主軸頸、連桿軸頸一次性裝夾，通過(guò)數(shù)控曲軸磨床完成。
曲軸車?yán)庸な菍⑶S車削加工和拉削加工結(jié)合起來(lái)的加工工藝，可在一次裝夾中完成軸頸、圓角和輻板側(cè)面的加工。加工精度高，可以省去車削、粗磨軸頸等工序。在工件加工時(shí)，除了工件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以外，刀具也做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)車?yán)邢骷庸ぁ＼嚴(yán)に嚿a(chǎn)效率高、自動(dòng)化程度高并且具有良好的加工柔性。
相對(duì)傳統(tǒng)的粗車-精車-粗磨-精磨主軸頸的曲軸加工工藝路線加工精度較低、柔性很差、工序質(zhì)量穩(wěn)定性低，且容易產(chǎn)生較大的內(nèi)部應(yīng)力，難以達(dá)到合理的加工余量。在粗加工后一般需要進(jìn)行去應(yīng)力回火處理，釋放應(yīng)力。
下表列出兩種加工工藝的對(duì)比情況：
表9 車?yán)に嚺c傳統(tǒng)工藝對(duì)比
Tab 9 Contrasts of the turn-broaching process and the tradition process
工序
單面加工余量
車?yán)淮瓮瓿?，一次裝夾
鑄件毛坯尺寸
粗車-精車-粗磨
加工時(shí)間定額
約
約
加工精度
軸向尺寸
偏心距
本設(shè)計(jì)中，曲軸軸頸加工采用車?yán)に囈咽辜庸べ|(zhì)量有所提高。
曲軸連桿軸頸由于偏心布置，在傳統(tǒng)的多刀車床車削曲軸連桿軸頸中，加工零件的一致性很好，避免了通用機(jī)床加工時(shí)人為因素的影響。數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)易于調(diào)整機(jī)床，減少了調(diào)整時(shí)間，可以大大提高企業(yè)生產(chǎn)效率。
在實(shí)習(xí)中，我們觀察到某種型號(hào)的曲軸連桿軸頸就利用了數(shù)控銑削工藝。采用CNC內(nèi)銑工藝加工曲軸的連桿軸頸。提高了加工精度，也提高了企業(yè)生產(chǎn)率。在本設(shè)計(jì)中就采用了CNC內(nèi)銑工藝。
曲軸軸頸精加工的結(jié)果很大程度上影響曲軸加工質(zhì)量。一般的精加工采用MQ8260磨床進(jìn)行磨削，也會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題，如零件的加工精度相對(duì)較低、制造柔性差并且其加工工序質(zhì)量不太穩(wěn)定。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，曲軸加工工藝的日益發(fā)展，現(xiàn)在的曲軸軸頸精加工多采用數(shù)控磨床加工，數(shù)控磨床具有自動(dòng)進(jìn)給、自動(dòng)修正砂輪、尺寸和圓度自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)分度和兩端電子同步驅(qū)動(dòng)等功能。主軸頸和連桿頸可一次裝夾全部磨削完畢。
7.2 熱處理和表面強(qiáng)化處理
7.2.1 熱處理和強(qiáng)化工藝
曲軸在工作過(guò)程中將活塞連桿的住復(fù)運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。曲軸在工作中承受著很大的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，受力情況非常復(fù)雜。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓、擴(kuò)缸及提高轉(zhuǎn)速來(lái)提高功率，曲軸的各個(gè)軸頸要在很高的壓力下高速轉(zhuǎn)動(dòng)，所以對(duì)曲軸的抗拉強(qiáng)度、剛度、耐磨性、耐疲勞性以及沖擊韌性提出了更高的要求。
影響柴油機(jī)曲軸承載能力和使用壽命的主要因素由曲軸本身的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和強(qiáng)化等幾個(gè)方面決定。在曲軸加工過(guò)程中其性能的影響主要取決于材料的熱處理及表面強(qiáng)化工藝。
基于上述要求，而且曲軸的主要失效形式是軸頸磨損和疲勞斷裂，因此必須對(duì)曲軸進(jìn)行強(qiáng)化處理。目前國(guó)內(nèi)外曲軸常見的強(qiáng)化工藝大致有以下 5 種：
(1)氮化：氮化能提高曲軸疲勞強(qiáng)度的 20%～60%，適用于各類曲軸。
(2)噴丸：曲軸經(jīng)過(guò)噴丸處理后能提高疲勞強(qiáng)度20%～40%，鍛鋼曲軸經(jīng)過(guò)合理工藝噴丸強(qiáng)化后，其彎曲疲勞極限可以達(dá)到圓角淬火的水平。
(3)圓角與軸頸感應(yīng)淬火：該強(qiáng)化方式應(yīng)用于球磨鑄鐵曲軸時(shí)，能提高疲勞強(qiáng)度 20%；用于鋼軸時(shí)，則能提高 l00%以上，故在鍛鋼軸中應(yīng)用比較普遍。
(4)圓角滾壓：曲軸工作時(shí)承受大而復(fù)雜的沖擊載荷,對(duì)抗疲勞強(qiáng)度的要求非常高，曲軸軸頸與側(cè)面的連接過(guò)渡圓角處為應(yīng)力集中區(qū),也是疲勞破壞的敏感區(qū)域,是較薄弱的環(huán)節(jié)。通過(guò)曲軸圓角滾壓技術(shù)可以有效地提高曲軸的圓角強(qiáng)度。曲軸的圓角滾壓,就是利用滾輪的壓力作用,在曲軸的主軸頸和連桿頸過(guò)渡圓角處形成一條滾壓塑性變形帶,這條塑性變形帶產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力,可與曲軸在工作時(shí)的拉應(yīng)力抵消或部分抵消,從而提高疲勞強(qiáng)度，提高曲軸表面硬度提高。滾壓使圓角處形成高硬度的致密層,使曲軸的機(jī)械強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度得到提高。大大減小了圓角處的應(yīng)力集中,提高了疲勞強(qiáng)度。
(5)復(fù)合強(qiáng)化：就是應(yīng)用多種強(qiáng)化工藝對(duì)曲軸進(jìn)行強(qiáng)化處理，例如曲軸圓角按壓加軸頸淬火等。據(jù)資料介紹，球墨鑄鐵曲軸采用圓角滾壓工藝與離子氮化工藝結(jié)合使用，可使整個(gè)曲軸的抗疲勞強(qiáng)度提高130%以上。
每一種強(qiáng)化工藝各有其適用范圍，在實(shí)際中要結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)的實(shí)際狀況、技術(shù)要求綜合考慮，對(duì)不同結(jié)構(gòu)曲軸，必須分別采用不同強(qiáng)化工藝，以達(dá)到最佳強(qiáng)化效果。
在本次三拐曲軸加工工藝設(shè)計(jì)研究中，對(duì)曲軸進(jìn)行了滾壓強(qiáng)化已提高曲軸的圓角強(qiáng)度。
7.2.2滾壓工藝參數(shù)對(duì)曲軸疲勞強(qiáng)度的影響
如上文曲軸強(qiáng)化工藝的分析，曲軸工作時(shí)承受大而復(fù)雜的沖擊載荷,對(duì)抗疲勞強(qiáng)度的要求非常高，曲軸軸頸與側(cè)面的連接過(guò)渡圓角處為應(yīng)力集中區(qū),也是疲勞破壞的敏感區(qū)域,是較薄弱的環(huán)節(jié)。通過(guò)曲軸圓角滾壓技術(shù)可以有效地提高曲軸的圓角強(qiáng)度。
圓角滾壓強(qiáng)化利用滾輪（球）對(duì)軸頸圓角部位施加較大的力，當(dāng)滾壓力撤除后，在圓角部位形成殘余壓應(yīng)力，可抵消（或部分抵消）曲軸圓角部位的工作拉應(yīng)力，從而大幅度提高曲軸的疲勞強(qiáng)度。因此，滾壓工藝參數(shù)對(duì)曲軸疲勞強(qiáng)度影響很大。
下面分析滾壓工藝參數(shù)對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響：
滾壓速度
滾壓加工時(shí)工件的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，一般用轉(zhuǎn)速來(lái)表示。滾壓速度對(duì)曲軸疲勞強(qiáng)度基本沒(méi)有影響，僅影響滾壓加工效率。如轉(zhuǎn)速過(guò)高，在滾壓連桿軸頸圓角時(shí)，由于偏心產(chǎn)生較大的離心力，使曲軸承受徑向力，變形加大。另外，工作過(guò)程中，工件曲軸帶動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而滾輪與曲軸存在一定夾角，僅有滾輪對(duì)稱中心點(diǎn)與曲軸圓角接觸處線速度相同，在靠近曲柄臂側(cè)，曲軸大于滾輪的切線速度。因此，在滾壓過(guò)程中，滾輪既滾動(dòng)又滑動(dòng)，如果滾壓速度過(guò)大，則有可能造成滾壓表面燒傷、撕痕。所以，一般曲軸滾壓速度為20～60 r／min。
滾壓次數(shù)
滾壓強(qiáng)化時(shí)滾壓過(guò)去找圓角的次數(shù)。滾壓次數(shù)對(duì)曲軸疲勞強(qiáng)度影響較大，在最初幾圈幾乎與疲勞強(qiáng)度的提高成正比。隨著滾壓次數(shù)的增加，圓角處殘余壓應(yīng)力趨于飽和，曲軸疲勞強(qiáng)度不再增加。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，滾壓次數(shù)在6～8圈時(shí)，殘余壓應(yīng)力已達(dá)到飽和，繼續(xù)滾壓，殘余壓應(yīng)力基本保持不變。如滾壓次數(shù)很多，將會(huì)使曲軸圓角產(chǎn)生接觸疲勞，表面形成魚鱗狀甚至脫落，但這個(gè)數(shù)值較大，一般的正常滾壓及校直不會(huì)對(duì)圓角表面產(chǎn)生破壞。
滾壓力
滾輪壓到曲軸圓角處的力為滾壓力。滾壓力對(duì)曲軸疲勞強(qiáng)度影響很大，不同材料、工藝和熱處理狀態(tài)的曲軸滾壓力差別很大，最佳的滾壓力與曲軸本身材料強(qiáng)度、圓角尺寸、軸頸大小、滾輪的結(jié)構(gòu)及尺寸等有關(guān)。由于滾輪工作情況較復(fù)雜，如滾壓接觸區(qū)應(yīng)力分布不均勻，接觸區(qū)變形，接觸點(diǎn)的幾何形狀復(fù)雜以算出最佳滾壓力，一般都是通過(guò)滾壓工藝試驗(yàn)確定，使曲軸疲勞強(qiáng)度滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。
對(duì)三拐柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行滾壓工藝試驗(yàn)，選取5級(jí)油缸壓力（、、、、）進(jìn)行滾壓。該型號(hào)曲軸未進(jìn)行任何強(qiáng)化時(shí)的疲勞極限彎矩為，不同滾壓力時(shí)曲軸的疲勞極限彎矩見下表:
表10 彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果
Tab 10 Result of the curved fatigue limit test
滾壓力
0
2.0
2.6
3.2
3.6
4.0
疲勞強(qiáng)度
775
1600
1783
2116
2150
2133
下圖為不同滾壓力對(duì)曲軸疲勞極限彎矩的影響曲線?？梢钥闯?，當(dāng)滾壓力小于時(shí)，隨著滾壓力的增加，曲軸疲勞極限彎矩也隨著增加，兩者基本成線性關(guān)系；當(dāng)滾壓力超過(guò)后，滾壓力增加而疲勞極限彎矩不再增加，而是保持在一個(gè)較為穩(wěn)定的范圍內(nèi)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是，當(dāng)滾壓力從小到大增加時(shí)，曲軸圓角處材料塑性變形加劇，所形成的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)峰值和深度不斷增加，零件的疲勞強(qiáng)度也隨之增高；當(dāng)滾壓力增大到一定程度后，曲軸圓角處材料的蘇醒變形已充分進(jìn)行，其殘余壓應(yīng)力場(chǎng)已趨于飽和，零件疲勞強(qiáng)度變化不大；當(dāng)滾壓力過(guò)大時(shí)，滾壓表面過(guò)高的接觸應(yīng)力將導(dǎo)致曲軸圓角表面損傷，產(chǎn)生微裂紋甚至起皮，反而使曲軸疲勞強(qiáng)度下降。
圖5 滾壓力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響
Fig 5 The impact of the fatigue strength to rolling pressure
7.3 曲軸加工設(shè)備
提高曲軸的加工質(zhì)量需要合理的加工工藝，曲軸加工設(shè)備起到了重要的作用。先進(jìn)的金屬加工設(shè)備在曲軸制造中的重要性毋庸置疑，它能夠可靠地保證尺寸精度和一致性，適應(yīng)生產(chǎn)節(jié)拍的要求，提高整體工藝水平。曲軸加工工藝過(guò)程中使用合理的曲軸加工設(shè)備，可以簡(jiǎn)化加工路線，提高加工精度和生產(chǎn)效率。
曲軸的材料、加工設(shè)備、表面強(qiáng)化乃至加工方法等都將影響曲軸加工質(zhì)量。下面來(lái)分析影響曲軸加工質(zhì)量的曲軸加工機(jī)床的合理選用。
先進(jìn)的金屬加工設(shè)備在曲軸制造中能夠可靠地保證尺寸精度和一致性，適應(yīng)生產(chǎn)節(jié)拍的要求，提高整體工藝水平。但不能采取“拿來(lái)主義”，也并不是設(shè)備越先進(jìn)越好，應(yīng)符合以下三個(gè)原則：
1)符合工藝性原則，結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，能滿足尺寸精度和一致性的要求。
2)符合經(jīng)濟(jì)性原則，采用招標(biāo)的形式降低成本。
3)符合設(shè)備管理和維修性原則，考察設(shè)備生產(chǎn)商售后服務(wù)質(zhì)量，設(shè)備易損件是否能夠隨時(shí)采購(gòu)等。
根據(jù)以上原則結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，在曲軸加工過(guò)程中應(yīng)用如下機(jī)床，采用數(shù)控車床、數(shù)控內(nèi)銑床、數(shù)控車?yán)驳认冗M(jìn)設(shè)備對(duì)主軸頸、連桿軸頸進(jìn)行數(shù)控車削、內(nèi)銑削、車-拉削加工，以有效減少曲軸加工的變形量。曲軸精加工將廣泛采用CNC控制的曲軸磨床對(duì)其軸頸進(jìn)行精磨加工。從而提高曲軸加工質(zhì)量，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。
如在公司參觀實(shí)習(xí)中，曲軸軸頸的精加工已廣泛使用數(shù)控磨床。我們就見到了從意大利等引進(jìn)的先進(jìn)數(shù)控磨床等機(jī)床。使用這些機(jī)床提高了曲軸的加工質(zhì)量和企業(yè)生產(chǎn)率。
本次設(shè)計(jì)中，結(jié)合生產(chǎn)類型等多方面因素，綜合選用了數(shù)控內(nèi)銑床，車?yán)瓩C(jī)床以及數(shù)控磨床等加工設(shè)備，對(duì)三拐曲軸進(jìn)行加工，以達(dá)到生產(chǎn)要求。
8 夾具設(shè)計(jì)
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)要對(duì)曲軸加工工藝過(guò)程中兩個(gè)關(guān)鍵工序進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)。分別是對(duì)第2道工序銑兩端面和第17道工序設(shè)計(jì)專用夾具。要求夾具滿足相應(yīng)工序加工需要，并且要考慮夾具加緊能力、工件拆裝方便性等性能要求。
8.1 銑兩端面夾具設(shè)計(jì)
銑兩端面夾具采用心軸定位,以曲軸毛坯第一和第七主軸頸定位，采用V型塊起輔助支撐作用。在中部平衡塊處采用防轉(zhuǎn)支撐塊支撐定位，保證加工剛度和防止軸向移動(dòng),滿足自由度要求，只有工件軸向的旋轉(zhuǎn)不需考慮。采用半圓形定位座作[11]為定位元件，利用半圓形定位座上半部分來(lái)夾緊曲軸，軸頸處要限制曲軸軸向移動(dòng)，其結(jié)構(gòu)圖如附錄銑兩端面夾具裝配圖所示。
本道工序加工是銑削軸類零件端面，采用壓板夾緊工件的外圓柱面，通過(guò)螺栓控制夾緊和松開,這類夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、夾緊可靠。
8.2 鉆斜油孔夾具設(shè)計(jì)
曲軸斜油孔與水平面存在65°的夾角，因此，斜油孔需要考慮到油孔孔口位置，鉆削方向等問(wèn)題。為便于鉆削加工，本次夾具設(shè)計(jì)中設(shè)置一定斜度的鉆套支架，夾角為65°，利用特殊鉆套確定鉆削位置。
采用心軸定位,以曲軸毛坯第一和第七主軸頸定位，采用V型塊起輔助支撐作用. 在中部平衡塊處采用防轉(zhuǎn)支撐塊支撐定位，保證加工剛度和防止軸向移動(dòng),滿足自由度要求。其結(jié)構(gòu)圖如附錄鉆斜油孔夾具裝配圖所示。
本工序加工曲軸斜油孔，曲軸采用壓板夾緊，通過(guò)螺栓控制夾緊和松開。夾緊裝置同銑曲軸兩端面夾具夾緊裝置相同。
9 結(jié)論
本次畢業(yè)對(duì)三拐曲軸加工工藝過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的編制，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際制訂出合理的生產(chǎn)規(guī)程，也對(duì)其中兩個(gè)關(guān)鍵的工序：銑兩端面和鉆斜油孔的所需的專用夾具進(jìn)行了夾具設(shè)計(jì)。
此外，通過(guò)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，調(diào)查研究，在進(jìn)行曲軸加工工藝設(shè)計(jì)的同時(shí)，認(rèn)真分析研究了在曲軸加工過(guò)程中影響曲軸加工質(zhì)量的一些因素，并