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曲軸加工工藝設計 曲軸的功用 結(jié)構(gòu)特點及工作條件 曲軸實在發(fā)動機中一個高速旋轉(zhuǎn)的長軸 它將活塞的循環(huán)往復運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動 在通過飛輪把扭矩傳遞給底盤的傳動系 同時還驅(qū)動配齊結(jié)構(gòu)和其他輔助結(jié)構(gòu) 所以其受力條件非常復雜 不只是受周期性變化的氣體壓力和往復慣性力的作用 其自身還有高速旋轉(zhuǎn)的離心力 其主要是由主軸頸 油封軸頸 齒輪軸頸 皮帶輪軸頸 曲柄臂軸頸 工作原理 曲軸是發(fā)動機中最典型 最重要的零件之一 其功用是將活塞連桿傳遞來的氣體壓力轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩 作為動力而輸出做功 驅(qū)動器他工作機構(gòu) 并帶動內(nèi)燃機輔助裝備工作 曲軸的構(gòu)成及特點 曲軸的基本構(gòu)成 如圖所示 1 主軸頸它是曲柄的支撐點 安裝在機體主軸承內(nèi) 用螺栓固緊軸承端蓋 曲軸便靠此點運轉(zhuǎn) 為了潤滑 在主軸頸內(nèi)轉(zhuǎn)有與連桿頸相通的油道 軸頸表面有較高的加工精度與光潔度 為了提高耐磨性 軸頸表面經(jīng)過高頻淬火和氮化處理 2 連桿軸頸連桿軸頸用來安裝連桿大頭的 連桿軸頸要求的加工精度和表面粗糙度也很高 與主軸頸一樣 連桿軸頸一半做成中空的 作為潤滑路 也可利用離心原理使基友進一步凈化 如機油從主軸頸曲柄進入連桿軸頸內(nèi) 隨同連桿軸頸一起告訴運轉(zhuǎn) 在離心力的作用下 機油中較重的雜質(zhì)和膠體物質(zhì)一起被甩到內(nèi)孔外側(cè) 檢修時將附著在內(nèi)孔外側(cè)的雜質(zhì)清理干凈就可 3 曲柄用來連接主軸頸和連桿頸的 它的長度等于主軸頸到連桿頸中心間的距離 即曲柄半徑R 曲柄內(nèi)有油管貫通主軸頸和連桿頸 因為主軸頸和連桿頸不在同一中心線上 他們之間有一個偏心距r 通過曲柄連接撤一個整體 這樣就構(gòu)成了一個彎曲的軸 曲柄 曲柄是曲軸受力最復雜而結(jié)構(gòu)最薄弱的環(huán)節(jié) 橢圓形曲柄是具有較高的彎曲扭曲剛度 材料利用率高 為了減少曲軸軸頸和曲柄連接處得人應力集中 提高曲柄的強度 連接處均采用過渡圓角連接 過渡圓角半徑越大 應力集中現(xiàn)象越小 但是過渡圓角增大 是軸頸承壓面積相應的減少 或使汽油機軸向尺寸增大 為了解決這一矛盾 出現(xiàn)了內(nèi)圓弧連接的形式 即將連圓弧凹進軸頸平面中 這樣既可以使曲軸頸以較大的圓弧半徑與曲柄連接 又保證了曲軸有足夠的承壓面積 4 自由端 小頭 上面裝有扭振減振器和密封裝置等 5 功率輸出自由端 法蘭端 上面裝有從動裝置連接結(jié)構(gòu) 用以輸出功率 常見得連接方式有三種形式 1 鍵連接飛輪簡介套與曲軸之間用平鍵或花鍵連接 2 靜液壓錐度郭瑩瑩配合連接曲軸輸出端為一光滑圓錐體 帶有孔的飛輪連接套壓裝在上面 兩者靠一定的過盈量緊密的連接在一起 3 螺栓連接在曲軸功率輸出端有法蘭盤 利用飛輪將螺栓鏈接在上面 曲軸加工工藝 曲軸機械加工的定位基準曲軸加工定位基準選擇的基本原則 曲軸加工的定位基準主要有徑向基準 軸向基準 以及角向基準 徑向基準 一般選用兩端主軸頸 兩遍主軸頸中心線連線 兩端面中心孔連線 軸向基準 曲軸為了防止軸向力作用而發(fā)生軸向竄動 采用止推結(jié)構(gòu) 加工的軸向基準一般為止推面 角向基準 粗加工連桿頸前 在連桿頸上取角向定位面或定位凸臺作為角向定位基準 曲軸加工的裝夾 在加工連桿頸時 一般利用已加工的主軸頸定位 安裝專用偏心卡盤分度夾具中 時連桿頸的軸線和轉(zhuǎn)動軸線4重合 連桿頸之間的角度位置精度靠夾具上的分度位置保證 加工是依次加工同一軸線上的連桿軸頸和曲軸端面 工件2通過在夾具體3上的分度板3和分度定位銷5分度 為進一步增加效率 還可采用專用的半自動曲軸車窗和磨床 工件能在一次裝夾下 仍以主軸頸定位 加工連桿所有軸頸 曲軸加工工藝分析 曲軸加工路線編制原則 先粗后精 先基準后其他 先面后孔 現(xiàn)主要表面后次要表面由于要加工主軸頸作為后續(xù)加工其他外圓的定位基準 因此 通常先加工主軸頸 后加工連桿頸和其他外圓面 粗基準加工 外圓粗加工 其他表面加工 外圓精加工 精基準加工 由于曲軸的結(jié)構(gòu)特點形狀復雜 剛性很差 加工精度要求還很高 因此 在在確定曲軸加工工藝路線時 還應該注意以下問題 粗加工時由于切削余量大 切削力較大 可用中間托架增強剛性 減少變形和振動 同時機床的夾具和刀具應具有較高的剛度 加工時盡量使切削力相互抵消 可用前后刀架同時橫向進給 合理的安排工位次序以減少加工變形 安先粗后精的原則安排加工工序 逐步提高精度 對于有圖這種七個主軸頸的曲軸 加工主軸頸的順序為 4 7 1 6 2 5 3在有可能產(chǎn)生變形的工序后面增加校直工序 曲軸加工的工藝過程 曲軸批量生產(chǎn)的加工工藝過程 加工過程中采用了先進工藝和專用機床 實現(xiàn)了機械加工 檢驗 清洗等工序的自動化 曲軸部分表面的加工 曲軸主要加工表面有主軸頸 連桿頸 各外圓 兩端面 鍵槽以及油孔道 除外 還有一些額外的工序 去毛刺 檢驗 清洗等等 采用兩端中心孔定位 限制五個自度 使用成型刀具 加工效率高 但是壽命短 采用兩端主軸頸徑向定位 限制4個自由度 止推面軸向定位 限制一個移動自由度 第一平衡塊的側(cè)面定位面周向定位 限制一個旋轉(zhuǎn)自由度 曲軸的深油孔是典型的斜長孔 傳統(tǒng)的方法是采用高速鋼深孔麻花鉆加工 但是刀具壽命短 設備柔韌性差 目前已逐漸被槍鉆和MQL技術麻花鉆代替 定位基準 兩端中心空 止推面 連桿軸頸 限制6個自由度 采用前段中心孔限制兩個自由度 后端導向孔被加工出來 后端外圓用三爪卡盤固定 限制倆個自由度 后端面軸向定位限制一個移動自由度 曲軸加工的先進技術 質(zhì)量中心孔技術曲軸在加工過程中 要在倆端加工中心孔作為定位基準 按照其加工位置的不同 分成幾何中心孔和質(zhì)量中心孔 幾何中心孔是已曲軸兩端主軸頸外圓定位鉆出的中心孔 其形成的軸線是幾何中心線 在質(zhì)量定心機上先找出曲軸的質(zhì)量軸線 按其所處的位置鉆出的中心孔則為質(zhì)量中心孔 其軸線就是無質(zhì)量中心線 由于曲軸形狀誤差和質(zhì)量的不均勻 幾何中心線和質(zhì)量中心線是不重合的 傳統(tǒng)曲軸加工是采用幾何中心孔 但是利用幾何中心孔作為定位基準加工時 會產(chǎn)生很多不利的影響 工件在旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生離心力 這不僅會影響加工質(zhì)量 而且加工后會產(chǎn)生較大的動不平衡量 需要反復去重 影響效率 所以現(xiàn)在更多的是使用質(zhì)量中心孔技術加工 車拉技術 傳統(tǒng)曲軸加工多采用車削和銑削加工 切削加工工程中工件受力大 加工精度不高 1983美國率先使用直線型車拉刀具加工曲軸主軸頸獲得成功 隨著技術的成熟 現(xiàn)在 曲軸車拉技術演變成三種形式 直線式刀具車拉 內(nèi)環(huán)式刀具旋轉(zhuǎn)車拉和外環(huán)式刀具旋轉(zhuǎn)車拉 車拉是車削和拉削的結(jié)合 加工過程中 工件在做旋轉(zhuǎn)運功 刀具也在做進給運動 以實現(xiàn)車拉車拉切削加工 車削加工和車拉加工對比 刀具的進給方向的不同 導致工件的受力不同 車削工件受力很大 工件不穩(wěn)定 車拉的受力很小 工件更穩(wěn)定 車拉技術的優(yōu)點 車拉刀具分為直線型和圓盤型兩種 刀體上鑲裝的刀具分為粗切刀齒和精切刀齒兩種 每個刀片在與工件的相對運動中僅參加短暫的切削 切下的金屬層很薄 約0 4 0 6mm 因而刀刃受沖擊小 刀刃切削熱負荷小 減少了工件切削后的殘余應力 保證了工件精切后的表面精度和質(zhì)量 據(jù)有關廠測定 車拉后的曲軸參數(shù) 1 主軸頸直徑誤差 0 04 2 主軸頸寬度誤差 0 04 3 連桿軸頸回轉(zhuǎn)半徑誤差 0 05 4 連桿軸頸分度位置誤差 0 07 由于車拉加工精度高 車拉后不在進行粗磨和半精磨 簡化了工藝過程 減少了成本 此外 車拉刀具承受載荷小 使用壽命長 費用低 車拉加工的切削速度高 進給速度快 所以加工節(jié)拍短 生產(chǎn)效率高 車拉加工只需更換編程 略做調(diào)整 就可滿足不同類型不同尺寸的曲軸的批量生存 圓角深滾壓技術 曲軸工作環(huán)境惡劣 在工作時要承受較大而且復雜的沖擊載荷 其失效形式一般是曲軸磨損和疲勞斷裂 當曲拐頂部收到壓力P時 曲拐倆內(nèi)側(cè)圓角過渡處表面為拉應力 主軸圓角過渡處則為壓應力 另外 曲軸還承受慣性力矩 輸出扭矩 扭振力矩 受力十分復雜 由于磨削加工后的刀痕引起應力集中 在過渡圓角處的本身應力就集中 曲軸在工作時過渡圓角處就是曲軸的薄弱部分 而在主軸頸和連桿頸的過渡處更為嚴重 因此 為了增加曲軸的抗疲勞強度 發(fā)展了圓角深滾壓技術 深滾壓技術的原理 曲軸圓角深滾壓是利用滾輪的壓力 在曲軸的主軸頸和連桿頸過渡圓角處形成一條滾壓的塑性變形帶 這條變形帶具有以下的特點 1 產(chǎn)生了殘余壓應力 可于曲軸工作時的拉應力相互抵消或部分抵消 從而提高疲勞強度 2 硬度提高滾壓時使?jié)L壓處形成高密度的致密層 使曲軸的機械強度和疲勞強度提高 3 表面粗糙度降低圓角滾壓可使表面粗糙度達到Ra0 2以下 從而大大減小了圓角處的應力集中 1 施力器2 滾輪3 工件Fw 滾壓力 圓角滾壓的優(yōu)點 經(jīng)過測定 球墨鑄鐵曲軸的經(jīng)滾壓后壽命可增至280 鍛鋼熱處理曲軸滾壓后壽命可提高237 滾壓加工時間為20 40是 單半成品因加工或熱處理原因存在不合理的殘余應力時 滾壓后必須安排校直工序 或滾壓鉗必須安排去應力工序 方可保證加工質(zhì)量 校直是對單個軸頸進行深滾壓 曲軸在經(jīng)過深滾壓后 測量出工件的跳動量 如果軸頸的跳動大于機床的設定值 可通過計算機算出當前最佳的校直方法 用適當?shù)牧ζ渲心骋惠S頸進行校直