轿车曲轴专用夹具结构设计

轿车曲轴专用夹具结构设计

摘要

当今的世界格局中，机械制造技术仍是各个大国之间科学技术竞争的主战场之一，而汽车制造业更是其中重要的一环。作为汽车的心脏--发动机，其主要零件曲轴的生产，保证其质量、生产率、成本等，都能为汽车生产业创造优势。本文主要介绍了轿车曲轴专用夹具结构设计。本次设计是在保证产品质量、提高生产率、降低成本、充分利用现有生产条件、保证工人具有良好而安全劳动条件的前提下进行设计的。在工艺设计中，本次设计结合实际进行理论设计，对曲轴传统生产工艺进行了改进，优化了工艺过程和工艺装备，使曲轴的生产加工更经济、合理。在夹具设计部分，本次设计在收集加工所用机床、刀具及辅助工具等有关资料后，对工件材料、结构特点、技术要求及工艺分析的基础上，按照夹具设计步骤设计出符合曲轴生产工艺及夹具制造要求的夹具。

关键词：发动机；轿车曲轴；夹具；结构设计

摘　要 I

Abstract II

一、绪论 1

1.1课题背景及研究的目的和意义 1

1.2国内外研究进展综述 1

1.2.1目前国内外生产研究现状 1

1.2.2机械制造技术的新发展 2

1.3本设计的主要思路 3

1.3.1夹具设计的思路 3

1.3.2制定工艺规程的思路 3

2发动机曲轴工艺设计 3

2.1 分析零件图 3

2.1.1 零件的作用 3

2.1.2 零件的工艺分析 3

2.2确定生产类型 4

2.3确定毛坯 4

2.3.1 确定毛坯种类 4

2.3.2 确定铸件余量及形状 4

2.3.3 画铸件—零件综合图（见曲轴零件毛坯图） 4

2.4 机械加工工艺过程设计 5

2.4.1 选择表面加工方法 5

2.4.2 确定工艺过程方案 5

（1）拟定方案 5

（2）方案论证 8

2.5 选择加工设备与工艺装备 8

2.5.1 选择机床 8

2.5.2 选择夹具 8

2.5.3 选择刀具 8

2.5.4 选择量具 9

2.6 确定工序尺寸 9

2.7 确定切削用量及时间定额 12

2.7.1 工序070（粗车长头）切削用量及时间定额 12

(1) 工步1粗车Ф40h6 12

(2) 工步2粗车Ф50k6主轴颈 14

(3) 工步3粗车Ф60 15

2.7.2 工序130（钻孔Ф14.2）切削用量及时间定额 16

（1）选择刀具 16

（2）选择切削用量 16

（3）计算基本工时 17

2.7.3 工序240（铣K面）切削用量及时间定额 17

（1）选择刀具 17

（2）选择切削用量 18

（3）计算基本工时 18

2.8 填写工艺规程卡 19

3发动机曲轴夹具设计 19

3.1 明确设计任务、收集分析原始资料 19

3.1.1 加工工件的零件图（见曲轴零件毛坯图） 19

3.1.2 设计任务书（见表4） 19

3.1.3 工序简图（见图2） 20

3.1.4 分析原始资料 20

3.2 确定夹具的结构方案 20

3.3 夹具定位误差分析 21

3.4 拟订夹具总装图的尺寸、公差与配合及技术要求 21

3.4.1 尺寸、公差与配合 21

3.4.2 制订技术条件 21

3.5 绘制夹具总装图 21

5 结论 23

致谢 24

参考文献 25

第一章绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义

在汽车制造行业逐年发展的社会背景之下，汽车零部件的质量、成本、生产率等等因素，成为了汽车制造行业竞争的方面。作为汽车发动机的重要部件--曲轴，曲轴的生产成为了不可或缺的一环。曲轴是发动机的关键零件之一，其结构复杂，生产批量大，品种更换频繁，精度要求高。因此，曲轴的生产加工不仅要实现柔性换产以面对市场需求，还要满足工艺要求，保证加工精度，最终生产出合格的产品。

曲轴是发动机中的关键零件之一，主要用于往复式机械中，1、将活塞连杆传来的推力变为旋转的扭力；2、将活塞的往复直线运动变为曲轴圆周旋转；3、通过飞轮将发动机转矩输送给传动系统；4、驱动发动机的配气机构以及其他辅助装置。曲轴是由曲轴前端轴、连杆轴颈、主轴颈、曲柄、平衡块、曲轴后端凸缘组成的。在发动机中和活塞进行连接，通过曲轴的旋转运动，为汽车等往复式机械提供动力，由于曲轴需要承受多种力的缘故，所以曲轴生产的质量，便是发动机能否正常提供动力的保证来提高曲轴的抗疲劳强度和耐磨性。而保证曲轴的这些作用，就需要在曲轴的生产中，运用到夹具，用夹具装夹工件,无需找正便能使工件迅速地定位和夹紧,显著地减少了辅助工时;用夹具装夹工件提高了工件的刚性,因此可加大切削用量;可以使用多件、多工位夹具装夹工件,并采用高效夹紧机构,这些因素均有利于提高劳动生产率。另外,采用夹具后,产品质量稳定,废品率下降,可以安排技术等级较低的工人,明显地降低了生产成本。

本次设计是关于轿车发动机曲轴的生产中，能够对曲轴质量进行保证的夹具设计。优化轿车曲轴夹具的设计，在保证曲轴生产质量的前提下，使曲轴的加工更加的经济、合理，提高国产轿车的发动机质量以及市场占用率。

1.2国内外研究进展综述

1.2.1目前国内外曲轴加工的发展现状

目前，国内大部分专业厂家普遍采用普通机床和专用组合机床组成的流水线加工曲轴，生产效率、自动化程度较低。曲轴的关键技术项目仍与国外相差1～2个数量级。国外的曲轴加工技术大致可归纳为如下几个特点。1、广泛采用数控技术和自动线，生产线一般由几段独立的自动化生产单元组成，具有很高的灵活性和适应性。采用龙门式自动上下料，集放式机动滚道传输，切削液分粗加工与精加工两段集中供应和回收处理。2、曲轴的主要加工工序基准中心孔，一般采用质量定心加工方式，这样在静平衡时，加工量很少。3、轴颈的粗加工一般采用数控铣削或车拉工艺。工序质量可达到国内粗磨后的水平，且切削变形小、效率高。铣削和车拉是曲轴粗加工的发展方向。4、国外的曲轴磨床均采用CNC控制技术，具有自动进给、自动修正砂轮、自动补偿和自动分度功能，使曲轴的磨削精度和效率显著提高。5、油孔的加工采用鼓轮钻床和自动线，近几年随着枪钻技术的应用，油孔的加工大多已采用枪钻自动线钻孔—修缘—抛光。6、曲轴的抛光采用CNC控制的砂带抛光机，所有轴颈一次抛光只需20多秒，粗糙度可达Ra0.4以下，大大减小了发动机的磨合期。7、动平衡一般采用CNC控制的综合平衡机，测量、修正一次完成。8、检验一般在生产线上配备MARPOSS或HOMWORK综合检测机，实现在线检测，对曲轴的几乎所有机加工项目均可一次完成检测、显示和打印。9、曲轴的清洗采用专用精洗机定点定位清洗，保证了曲轴清洁度要求。10、广泛采用了轴颈过渡圆角滚压技术。专用圆角滚压机自动控制，对所有轴颈圆角进行一次滚压，而且滚压力和滚压角度可自动调节，使圆角处产生最佳的残余压应力，提高了曲轴的疲劳强度。

1.2.2现今流行的曲轴加工技术

曲轴粗加工比较流行的工艺是：主轴颈采用车拉工艺和高速外铣，连杆颈采用高速外铣，而且倾向于高速随动外铣，全部采用干式切削。由于国外此类设备价格昂贵，产品加工成本很高，国内一些机床生产厂家(如青海第二机床制造有限责任公司)相继开发出了数控曲轴车床、数控高速曲轴铣床，数控曲轴车拉机床等专用机床。

在曲轴精加工方面，也出现了工序集成的CBN数控磨床，即一次装夹磨削全部曲轴主轴颈和连杆轴颈，此类磨床一般配双砂轮头架。日本TOYADA工机、德国勇克(JUNKER)、德国NAXOS等生产的此类数控磨床都是比较成熟的设备。这里简要介绍一下日本TOYADA工机开发生产的GF70M-T曲轴磨床的性能：该机床是为了满足多品种、低成本、高精度、大批量生产需要而设计的数控曲轴磨床，应用工件回转和砂轮进给伺服联动控制技术，可以一次装夹而不改变曲轴回转中心即可完成所有轴颈的磨削，包括随动跟踪磨削连杆轴颈;采用静压主轴、静压导轨、静压进给丝杠(砂轮头架)和线性光栅闭环控制，使用TOYADA工机生产的GC50 CNC控制系统，磨削轴颈圆度精度可达到0.002mm;采用CBN砂轮，磨削线速度高达120m/s，配双砂轮头架，磨削效率极高。

1.3曲轴加工的特点

曲轴是发动机中最重要的部件。它承受连杆传来的力，并将其转变为转矩通过曲轴输出并驱动发动机上其他附件工作。曲轴受到旋转质量的离心力、周期变化的气体惯性力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲扭转载荷的作用。因此要求曲轴有足够的强度和刚度，轴颈表面需耐磨、工作均匀、平衡性好。为减小曲轴质量及运动时所产生的离心力，曲轴轴颈往往作成中空的。在每个轴颈表面上都开有油孔，以便将机油引入或引出，用以润滑轴颈表面。为减少应力集中，主轴颈、曲柄销与曲柄臂的连接处都采用过渡圆弧连接。曲轴平衡重（也称配重）的作用是为了平衡旋转离心力及其力矩，有时也可平衡往复惯性力及其力矩。当这些力和力矩自身达到平衡时，平衡重还可用来减轻主轴承的负荷。平衡重的数目、尺寸和安置位置要根据发动机的气缸数、气缸排列形式及曲轴形状等因素来考虑。平衡重一般与曲轴铸造或锻造成一体，大功率柴油机平衡重与曲轴分开制造，然后用螺栓连接在一起。

曲轴粗加工将广泛采用数控车床、数控内铣床、数控车拉床等先进设备对主轴颈、连杆轴颈进行数控车削、内铣削、车-拉削加工，以有效减少曲轴加工的变形量。曲轴精加工将广泛采用CNC控制的曲轴磨床对其轴颈进行精磨加工。此种磨床将配备砂轮自动动平衡装置、中心架自动跟踪装置、自动测量、自动补偿装置、砂轮自动修整、恒线速度等功能要求，以保证磨削质量的稳定。高精设备依赖进口的现状，估计短期内不会改变。

参考文献

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