方聰聰14071900462發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸數(shù)控加工仿真研究畢業(yè)論文(定稿).pdf

學(xué)號(hào)：畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題目： 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸數(shù)控加工仿真研究 作 者： 方聰聰 屆別： 2011 屆 系 別： 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 譚 華 職稱： 講 師 完成時(shí)間： 2011 年 5 月 11 日 2011 年 5 月 11 日 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） I 摘 要 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的部件之一，它承受復(fù)雜、交變的沖擊載荷， 是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。 正因?yàn)榍S在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出中的重要性及受力的復(fù)雜性，曲軸的加工質(zhì)量的好壞直接影響整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命及性能的好壞 。 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控加工技術(shù)得到了更廣泛的應(yīng)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 有效減少曲軸加工的變形量 。 曲軸精加工將廣泛采用 制的曲軸磨床對(duì)其軸頸進(jìn)行精磨加工。此種磨床將配備砂輪自動(dòng)動(dòng)平衡裝置、中心架自動(dòng)跟蹤裝置、自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)補(bǔ)償裝置、砂輪自動(dòng)修整、恒線速度等功能要求，以保證磨削質(zhì)量的穩(wěn)定。 本文 以 E 中的 塊與 件為基礎(chǔ)，結(jié)合其各自特點(diǎn)，通過(guò)對(duì) 某 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸 的數(shù)控模擬加工的研究，提出一種零件建模、仿真加工的快捷方法，可大大加快建模編程速度、仿真驗(yàn)證加工工藝，提高生產(chǎn)效率。 關(guān)鍵詞： 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸 ； ； 數(shù)控加工 ； 仿真 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） is of of it of is of in in of of is or of NC is to NC in to of be NC of be to of In E C a C a to up 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 錄 摘 要 . I . . 1 題的提出依據(jù)和意義 . 1 題選題的目的 . 1 軸的加工工藝發(fā)展 . 2 . 4 C 模塊簡(jiǎn)介 . 4 介 . 5 的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的建模 . 6 動(dòng)機(jī)曲軸的選擇 . 6 動(dòng)機(jī)曲軸 三維建模 . 6 . 9 軸的毛坯及其熱處理 . 9 軸毛坯的制造方法 . 9 軸毛坯的熱處理 . 10 軸的技術(shù)要求 . 10 4 4 1尺寸精度和形狀精度的要求 . 10 4 4 2位置精度要求 . 11 4 4 3表面粗糙度要求 . 12 4 4 4其他方面的要求 . 12 . 5 1加工工藝規(guī)程 . 12 4 5 2機(jī)車曲軸加工工藝規(guī)程的制定 . 13 C 及 曲軸數(shù)控加工仿真 . 15 算機(jī)輔助數(shù)控編程的步驟 . 15 C 模塊的加工流程 . 16 軸的數(shù)控加工仿真過(guò)程 . 18 刀位軌跡仿真 . 24 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） . 26 論 . 26 望 . 26 參考文獻(xiàn) . 27 致 謝 . 29 附錄 英文原文及翻譯 . 30 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 1 題的提出依據(jù)和意義 在科技日新月異的今天，機(jī)械化與自動(dòng)化進(jìn)入了人們生產(chǎn)生活的各方各面，而各種機(jī)械設(shè)備都是以發(fā)動(dòng)機(jī)提供源動(dòng)力。特別是在近幾年，汽車行業(yè)的發(fā)展給人們的出行帶來(lái)了極大的便利，而這其中，發(fā)動(dòng)機(jī)起著舉足輕重的作用。 曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一。作為發(fā)動(dòng)機(jī)的源動(dòng)力輸出部件，它承受著復(fù)雜的交變載荷，如 工作過(guò)程中受到周期性不斷變化的氣體力、往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量慣性力、旋轉(zhuǎn)與動(dòng)離心慣性力 。不斷承受著 扭轉(zhuǎn)和橫向、縱向振動(dòng)，承受拉、壓、彎曲 應(yīng)力。 因此曲軸必須具有足夠的強(qiáng)度、剛性、韌性和耐磨性和高 的加工精度。其加工精度 將直接影響曲軸乃至發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。 目前國(guó)內(nèi)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)化程度相對(duì)較低。粗加工設(shè)備多采用多刀車床車削曲軸主軸頸及拐頸，工序的質(zhì)量穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，難以達(dá)到合理的加工余量。一般精加工采用 曲軸磨床粗磨 精磨 ?？渴止げ僮?，加工質(zhì)量不穩(wěn)定。 數(shù)控加工設(shè)備的引入使得曲軸加工精度及效率大幅度提升， 而 傳統(tǒng)的制造加工過(guò)程， 一般都是通過(guò)在數(shù)控機(jī)床上對(duì) 碼進(jìn)行空運(yùn)行或是采用較軟、 較便宜的材料進(jìn)行樣件試切操作，以檢 驗(yàn)數(shù)控代碼的正確性與合理性。這將會(huì)占用大量的機(jī)床實(shí)際加工時(shí)間，降低機(jī)床的效率。采用先進(jìn)的仿真技術(shù)可以利用計(jì)算機(jī)圖像模擬加工過(guò)程，并觀察刀具運(yùn)動(dòng)及刀具對(duì)加工部位工件材料的切除過(guò)程。這樣可以從本質(zhì)上提高檢驗(yàn)的效率， 節(jié)省勞動(dòng)力， 節(jié)約生產(chǎn)資源。 題選題的目的 本文預(yù)計(jì)達(dá)到以下目的： 1 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)及加工工藝分析，并建立 三維模型。 2 使用 塊 和 件完成整個(gè)加工過(guò)程及加工過(guò)程的仿真 ， 生成數(shù)控程序代碼， 分析 仿真結(jié)果 。 3 認(rèn)識(shí)使用軟件建模及仿真加工，對(duì)產(chǎn)品制造產(chǎn) 生的優(yōu)勢(shì) 。 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 2 軸的加工工藝發(fā)展 20世紀(jì) 70年代以前，發(fā)動(dòng)機(jī) 曲軸 粗加工采用的加工方式是多刀車床車削曲軸主軸頸和連桿軸頸。采用這種方式加工精度較低、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。因此粗加工需要給后續(xù)精加工工序留較大的加工余量，以去除彎 曲變形量。曲軸精加工采用的是普通磨削工藝，一般采用 半精磨 拋光。通常靠手工操作，加工質(zhì)量不穩(wěn)定，廢品率較高。 20世紀(jì) 70年代到 80年代左右，曲軸粗加工采用 工狀況有所改善。精加工仍以普通磨床磨削工藝為主。 20世紀(jì) 80年中期又出現(xiàn)了 其是對(duì)于鍛鋼曲軸，內(nèi)銑更有利于斷屑。精加工工藝多采用半自動(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。 1985 年到 1990年左右開(kāi)發(fā)出了曲軸車?yán)?、車車?yán)に?，該工藝具有精度高、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。曲軸精加工已少量采用數(shù)控磨床磨削工藝，尺寸的一致性得到改善。 20世紀(jì) 90年代中期又開(kāi)發(fā)出 對(duì)平衡塊側(cè)面需要加工的曲軸，比 車?yán)纳a(chǎn)效率還要高。另外， 拉工藝加工連桿軸頸要二道工序， 有以下優(yōu)點(diǎn)：切削速度高 (可高達(dá)350m/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 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。 20世紀(jì) 90年代開(kāi)發(fā)的 國(guó) 削速度高達(dá) 120m/s，用扒皮法一次裝夾從毛坯到精磨完畢，耗時(shí)僅幾分 鐘的時(shí)間。這將會(huì)出現(xiàn)以磨代替其它粗加工工藝的新局面。 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)具有工序集成功湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 3 能，多種加工集成功能。奧地利 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 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；超精加工采用數(shù)控砂帶拋光機(jī)，帶尺寸控制裝置。 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 4 C 模塊 簡(jiǎn)介 作軟件是美國(guó)參數(shù)技術(shù) 公司（ 下的 體化的三維軟件。 件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位， 為當(dāng)今世界機(jī)械 域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣。是現(xiàn)今主流的 件之一，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。 第一個(gè)提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)解決特征的相關(guān)性問(wèn)題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇，而不必安裝所有模塊。 的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過(guò)程集成到一起，實(shí)現(xiàn)并行工程設(shè)計(jì)。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且也可以應(yīng)用到單機(jī)上。 采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。 其主要特點(diǎn)如下： 相對(duì)于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無(wú)論多么復(fù)雜的幾何模型，都可以分解成有限數(shù)量的構(gòu)成特征，而每一種構(gòu)成特征，都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化的基本概念。 是基于特征的實(shí)體模型 化系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設(shè)計(jì)者提供了在設(shè)計(jì)上從未有過(guò)的簡(jiǎn)易和靈活。 相關(guān)） 建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫(kù)上，不 像 一些傳統(tǒng)的 統(tǒng)建立在多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)上。所謂單一數(shù)據(jù)庫(kù)，就是工程中的資料全部來(lái)自一個(gè)庫(kù)，使得每一個(gè)獨(dú)立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個(gè)部門的。換言之，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的任何一處發(fā)生改動(dòng)，亦可以前后反應(yīng)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。例 如，一旦工程詳圖有改變， 控）工具路徑也會(huì)自動(dòng)更新；組裝工程圖如有任何變動(dòng)，也完全同樣反應(yīng)在整個(gè)三維模型上。這種獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計(jì)的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)。這一優(yōu)點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場(chǎng)，湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 5 價(jià)格也更便宜。 一個(gè)全方位的三維產(chǎn)品開(kāi)發(fā)綜合軟件，作為集成化的 產(chǎn)品加工制造的環(huán)節(jié)上，同樣提供了強(qiáng)大的加工制造模塊 C 模塊。 C 模塊能生成驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床加工 件所必需 的數(shù)據(jù)和信息，能夠生成數(shù)控加工的全過(guò)程。 統(tǒng)的全相關(guān)統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)能將設(shè)計(jì)模型的變化體現(xiàn)到加工信息中，利用它所提供的工具能夠使用戶按照合理的工序?qū)⒃O(shè)計(jì)模型處理成刀位數(shù)據(jù)文件，這些文件經(jīng)過(guò)后處理變成數(shù)控加工數(shù)據(jù)。 C 模塊生成的數(shù)控加工文件包括：刀位數(shù)據(jù)文件、刀具清單、操作報(bào)告、中間模型、機(jī)床控制文件等。 用戶可以對(duì)所生成的刀具軌跡進(jìn)行檢查，如不符合要求，可以對(duì) 控工序進(jìn)行修改；如果刀具軌跡符合要求，則可以進(jìn)行后置處理，以便生成數(shù)控加工代碼，為數(shù)控機(jī)床提供加工數(shù)據(jù)。 C 模塊的應(yīng)用范圍很廣，包括數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控線切割、加工中心等自動(dòng)編程方法。 介 行于 夠真實(shí)地模擬在加工過(guò)程中刀具的切削、加工零件、夾具、工作臺(tái)及機(jī)床各軸的運(yùn)動(dòng)情況， 證、分析及優(yōu)化，而且能夠?qū)C(jī)床進(jìn)行仿真。 通過(guò) 真實(shí)反映加工過(guò)程中遇到的各種問(wèn)題，包括加工編程的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡、工件過(guò) 切情況和刀、夾具運(yùn)動(dòng)干涉等的錯(cuò)誤，甚至可以直接代替實(shí)際加工過(guò)程中試切的工作，并且提供了對(duì)刀位軌跡和加工工藝優(yōu)化處理的功能，可以大大提高零件的加工效率和機(jī)床 的利用率。 數(shù)控加工過(guò)程的模擬達(dá)到了極其逼真的程度，并且機(jī)床的運(yùn)行過(guò)程和虛擬的工廠環(huán)境也能被模擬出來(lái)，以檢測(cè)加工過(guò)程中可能存在的問(wèn)題，為用戶挽回不必要的損失。 多國(guó)家的著名學(xué)校、研究機(jī)械和制造企業(yè)使用，并且眾多的 集成或外掛了 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 6 的 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的 建模 動(dòng)機(jī)曲軸 的選擇 下面以某發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸 為研究對(duì)象，該 曲軸為四缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸 ， 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的數(shù)目，曲軸一般分為單缸，雙缸，四缸和六缸曲軸 ， 四缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸有五個(gè)主頸和四個(gè)連頸，四個(gè)連頸互成 180 度分布，該曲軸總長(zhǎng) 560中主頸長(zhǎng) 30頸長(zhǎng) 30曲軸圖如 圖 1： 圖 1 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸圖 動(dòng)機(jī)曲軸 三維 建模 曲軸三維實(shí)體造型的關(guān)鍵問(wèn)題及解決方法： 在實(shí)體造型的時(shí)候從曲軸的動(dòng)力輸出端開(kāi)始：首先輸出帶有 倒角及鍵槽 的以 拉伸 特征為基本特征的動(dòng)力輸出端軸，并進(jìn)行倒角、退刀槽等操作 ,動(dòng)力輸出端見(jiàn)圖 2。 圖 2 動(dòng)力輸出端圖形 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 7 拉伸出第一拐的連桿頸，在連桿頸上再拉伸出另一側(cè)的曲拐臂，然后拉伸出第一曲拐的主軸頸，這樣第一個(gè)曲拐就完成了基本特征的造型。 見(jiàn)圖 3。 圖 3 曲軸第一曲拐?qǐng)D 然后復(fù)制、平移、旋轉(zhuǎn)操作，完成第二曲拐 ,如圖 4。 圖 4 完成第二曲拐后的 建模圖 在第三個(gè)主軸頸中心建立一個(gè)參考平面，然后鏡像前兩個(gè)曲拐得到最終的曲軸 建模圖 （圖 5） 。 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 8 圖 5 曲軸的 建模圖 拐臂上去除部分材料的原因： 曲軸的曲拐為了更好的利用材料，可將曲柄上離軸線最遠(yuǎn)的不受力的部分切掉，從而減少了旋轉(zhuǎn)部分不平橫質(zhì)量，同也降低了曲軸的質(zhì)量。曲拐臂要切掉一部分離軸線遠(yuǎn)的材料，在 利用旋轉(zhuǎn)命令切除材料的。根據(jù)曲軸尺寸的要求，在旋轉(zhuǎn)命令的草繪環(huán)境下，草繪一個(gè)倒三角形，定義離主軸軸線的距離和旋轉(zhuǎn)直徑及旋轉(zhuǎn)中心，旋轉(zhuǎn)去除材料 就可以得到更合理的曲軸結(jié)構(gòu)。 油孔的作用：為連桿和曲軸頸提供潤(rùn)滑 。 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 9 軸的毛坯及其熱處理 曲軸材料的選者原則是在保證曲軸安全、可靠、穩(wěn)定的基礎(chǔ)下，在保證具有足夠的強(qiáng)度的前提下，盡可能采用一般材料。除考慮機(jī)械性能、疲勞強(qiáng)度外，還要考慮耐磨性、抗沖擊韌性，以及制造加工的工藝性、設(shè)備能力和熱處理性能等等。曲軸主要采用材料有優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金鋼、球墨鑄鐵等。 現(xiàn)代大量生產(chǎn)的小型柴油機(jī)，其曲軸材料一般采用球墨鑄鐵和優(yōu)質(zhì)碳素鋼，例如2球墨鑄鐵和 35， 40， 45 鋼等 。 大型低速柴油機(jī)曲軸，多采用半組合式制造，這時(shí)主軸頸常用 35， 40 鋼；連桿及曲柄臂則采用 鋼。 中、高速柴油機(jī)整體式曲軸，采用 35， 40， 45， 4035為多，也可以采用球墨鑄鐵 于高速?gòu)?qiáng)載大功率柴油機(jī)曲軸則多采用合金鋼，如 358。 軸毛坯的制造方法 曲軸毛坯的制造方法有鍛造和鑄造兩種，常取決于所選用的材料、生產(chǎn)批量和工廠的具體情況。當(dāng)選用鋼材時(shí)，常用鍛造方法制造毛坯：小型曲軸、生產(chǎn)批量大時(shí)采用模鍛；中型大型 整體曲軸采用自由鍛或者鐓鍛；大型半組合曲軸，其來(lái)連桿用鑄鋼件。當(dāng)選用球墨鑄鐵時(shí)，則用鑄造方法獲得曲軸毛坯。 曲軸毛坯的兩種制造方法各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：利用鍛造方法制造出的曲軸毛坯可以獲得較合理的結(jié)構(gòu)形狀，如橢圓形曲柄臂、桶形空心軸頸和卸荷槽等從而使應(yīng)力均勻分布。鍛鋼曲軸雖然可以得到有利的纖維組織，并且能按要求獲得較佳的截面模量和緊密細(xì)晶金粒組織，質(zhì)量穩(wěn)定，但是它的成本較高；利用鑄造方法制造出的曲軸毛坯的切削加工性能好，并有較好的減震性和耐磨性，且生產(chǎn)成本低。球鐵的鑄造性能好，適用與采用精密鑄造，使機(jī)械加工余量 減少，可簡(jiǎn)化機(jī)械加工工藝過(guò)程，提高生產(chǎn)力并降低成本，鑄造曲軸平均比鍛鋼曲軸節(jié)省 50的成本。 近十年來(lái)廣泛采用特殊制造法制造曲軸毛坯，較成功的是鐓鍛彎曲法，既 造法和 造法。此法最大優(yōu)點(diǎn)是能使鍛件纖維沿曲軸的形狀連續(xù)分布，扭曲少，材料利用率高，機(jī)械加工工時(shí)省，成本低。 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 10 軸毛坯的熱處理 鍛鋼曲軸毛坯一般在鍛成后預(yù)先作正火或者退火處理，以消除鍛造應(yīng)力，改善坯件材料組織的均勻性，并有利于機(jī)械加工及為最終熱處理做好準(zhǔn)備。 對(duì)于性能要求不高的碳素鋼曲軸既可通過(guò)鍛件的正火或者退火作為最終熱處理，在機(jī)械加 工中不再進(jìn)行熱處理。大型或者中型碳素鋼曲軸，在加工過(guò)程中進(jìn)行的中間熱處理 (650C 回火 )，知識(shí)作為大量金屬切削后消除應(yīng)力之用，不改變金相組織，正火后曲軸的硬度一般為 170 241 對(duì)于性能要求高的碳鋼或者合金鋼曲軸，除了毛坯作預(yù)先正火處理或者退火處理外，在機(jī)械加工過(guò)程中，常常還要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理作為最終的熱處理。調(diào)質(zhì)可以提高曲軸的疲勞強(qiáng)度、韌性和耐磨性，但往往引起淬火不均勻而造成曲軸的變形。熱處理變形可以通過(guò)校直的方法來(lái)消除。調(diào)質(zhì)后的硬度，碳鋼為 207 269金鋼的硬度為 240 352 對(duì) 球墨鑄鐵曲軸一般采用正火處理，正火后硬度為 240 320加工前應(yīng)進(jìn)行退火處理，硬度為 220 290鑄鋼曲柄應(yīng)進(jìn)行兩次正火和回火處理，或者高溫?cái)U(kuò)散退火、正火及回火處理，粗加工后應(yīng)進(jìn)行退火處理。 對(duì)工件表面要求硬化處理的合金鋼曲軸，軸頸表面可采用表面淬火或者氮化處理，硬度達(dá) 50上，淬硬深度 2 3化層深度 0 3須注意，各軸頸圓角處不應(yīng)淬硬。 對(duì)工件表面要求淬硬的軸頸，推薦用高頻表面淬火，淬硬深度為 4軸的技術(shù)要求 4 4 1尺寸精度和形狀精度的要求 由于曲軸是旋轉(zhuǎn)體零件，各主軸頸和連桿頸與軸瓦要在高單位面積壓力和高速滑動(dòng)摩擦條件下工作，為了減少磨損，對(duì)各軸頸的尺寸和形狀精度均有較高的要求。通常： 主軸頸和連桿頸的直徑尺寸：低速度柴油機(jī)按 公差加工；中速柴油機(jī)按 公差加工；高速柴油機(jī)按 者更高一級(jí)的公差加工。 各軸徑長(zhǎng)度尺寸和曲柄臂厚度：均按 公差加工。 曲柄半徑的偏差：每 不超過(guò)士 O 15 凸緣外圓直徑： (與飛輪或聯(lián)軸節(jié)連接 )按 公差加工。 其余自由尺寸均按 公差加工。 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 11 軸徑的形狀公差 (圓度和圓柱度 )要求，根據(jù)不同情況而定。通常，低速柴油機(jī)的形狀公差約為尺寸精度 公差的四分之一；中、高速柴油機(jī)則為 公差的四分之一。其具體數(shù)值不得超過(guò)表 1 的規(guī)定。曲軸的軸徑過(guò)渡圓弧須用樣板檢驗(yàn)，樣板與過(guò)渡圓弧之間的間隙不得超過(guò) 0 2 表 1 曲軸各軸頸圓度和圓柱度公差 (單位： 75 75 100 100 150 150 250 250 350 350 500 500 600 主軸頸 柄銷 4 2位置精度要求 為使活塞連桿運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)行正常，減少曲軸的附加應(yīng)力。避免軸頸與軸瓦產(chǎn)生不均 勻磨損，柴油機(jī)正時(shí)準(zhǔn)確、運(yùn)動(dòng)平衡和工作可靠，對(duì)曲軸位置公差提出下列幾方面的要求。 主軸頸對(duì)曲軸軸線的徑向圓跳動(dòng)量，一般高速柴油機(jī)為 O 01 0 04、大型 柴油機(jī)為 0 04 0 08軸頸對(duì)曲軸線的徑向圓跳動(dòng)公差，在每個(gè)主軸頸兩端 (即首、尾兩端 )，每轉(zhuǎn)動(dòng) 45度用千分表測(cè)量一次。其值不得超過(guò)表 2的決定。 表 2 主軸徑向圓跳動(dòng)公 差值 (單位： 曲柄 數(shù)目 軸頸支承數(shù)目 主軸徑向圓跳動(dòng)公差值 75 75 100 100 150 150 250 250 350 350 500 500 600 3 l 0 015 0 02 0 025 0 03 O 03 0 04 4 2 3 0 02 0 025 0 030 0 04 0 05 0 07 5 8 3 4 0 025 0 03 0 035 0 05 0 06 0 08 9 12 5 6 0 04 0 055 0 065 0 075 0 085 連桿頸軸線與 主軸頸線的平行度誤差，在每 01于手工修刮的曲柄銷，每 015柄各曲柄間的夾角誤差應(yīng)不大于 15。 曲軸凸緣端面應(yīng)與曲軸軸線垂直，其端面圓跳動(dòng)公差，對(duì)凸緣直徑在 300 03凸緣直徑在 300 05軸凸緣外圓對(duì)曲軸軸線的徑向圓跳動(dòng)誤差，不得超過(guò)表 3的規(guī)定要求。 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 12 表 3 凸緣外圓對(duì)曲軸軸線的徑向圓跳動(dòng)公差值 (單位： 曲軸凸圓直徑 100 100 250 250 500 500 徑向圓 跳動(dòng)公差 軸的臂距差，在表 1軸頸支承情況下，及測(cè)量點(diǎn)在 (R+d) 2(位置上所測(cè)得的數(shù)值。每米活塞行程不大于 活塞行程小于 400放松為每米活塞行程不大于 總數(shù)值不得超過(guò) 4 4 3表面粗糙度要求 主軸頸和連桿頸：其表面粗糙度為：低速柴油機(jī)應(yīng)小于 .8 速柴油機(jī)應(yīng)小于 速柴油機(jī)應(yīng)為 油孔孔口和軸頸過(guò)度圓弧表面粗糙度 軸凸緣外圓和端面的粗糙度 柄臂側(cè)面的粗糙度應(yīng)為 鋼曲軸 )的粗糙度應(yīng)為須指出，如果曲軸材料是合金鋼，因它對(duì)應(yīng)力集中非常敏感，故粗糙度度值要求須相應(yīng)減少一級(jí)。即使是非配合表面，其粗糙度也應(yīng) 4 4 4其他方面的要求 曲軸所有的加工表面不允許有裂紋、麻點(diǎn)、凹陷、毛刺和碰傷，等缺陷；非加工表面不允許有氧化皮、分層、裂紋、折疊及過(guò)燒等缺陷。對(duì)高速柴油機(jī)的曲軸，其動(dòng)平衡精度應(yīng)不超過(guò) 0 005N m。 4 5 曲軸數(shù)控加工工 藝制定 4 5 1加工工藝規(guī)程 工工藝規(guī)程是規(guī)定產(chǎn)品或者零部件制造工藝過(guò)程和操作方法等的工藝文件。工藝規(guī) 程中包括各個(gè)工序的排列順序，加工尺寸、公差及技術(shù)要求，工藝裝備及工藝措施，切削用量及工時(shí)定額、工人等級(jí)等。工藝規(guī)程是指導(dǎo)生產(chǎn)的主要技術(shù)文件，是生產(chǎn)組織和生產(chǎn)管理工作的依據(jù)，也是新建、擴(kuò)建或者改建機(jī)械制造工廠的主要技術(shù)資料。正確的工藝規(guī)程基于實(shí)踐和具體生產(chǎn)條件制定。零件的機(jī)械加工工藝規(guī)程是每個(gè)機(jī)械制造廠或者加工車間必不可少的技術(shù)文件。按照工藝規(guī)程進(jìn)行生產(chǎn)，就能確保產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)率，降低成本和安全生產(chǎn)。 工藝規(guī)程的設(shè)計(jì)步驟有以下幾方面： 1研究和分析零件的工作圖。首先明確零件在產(chǎn)品中的作用、地位和工作條件，并找出其主要的技術(shù)要求和規(guī)定它的依據(jù)，然后對(duì)零件圖進(jìn)行工藝審查。審查的內(nèi)容有：零湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 13 件圖上的視圖是否完整和正確；零件圖上所標(biāo)注的技術(shù)要求、尺寸、粗糙度和公差是否齊全、合理；零件的結(jié)構(gòu)是否便于加工、便于裝配和便于提高生產(chǎn)率；零件材料是否立足于國(guó)內(nèi)、資源豐富且容易加工。對(duì)于以上內(nèi)容，如果在審查過(guò)程中認(rèn)為不合理或者是錯(cuò)誤及遺漏，可以提出修改意見(jiàn)。 2確定毛坯的種類。若毛坯的種類不同，即使是同一個(gè)零件，其加工工 藝過(guò)程也不相同，因此在制定工藝規(guī)程時(shí)必須正確地選擇毛坯的種類和了解毛坯的制造情況。毛坯種類的確定是與零件的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小、材料的機(jī)械性能和零件的生產(chǎn)類型直接相關(guān)的，另外還與毛坯車間的具體生產(chǎn)條件有關(guān)。 3擬訂零件加工的工藝路線。內(nèi)容包括：定位基準(zhǔn)面的選擇；各表面的加工方法；加工階段的劃分；各表面的加工順序；工序集中或者分散的程度；熱處理及檢驗(yàn)工序的安排；其他輔助工序 (如清洗、去毛刺、去磁、倒角等 )的安排。 4擬訂各工序的機(jī)床設(shè)備、工藝裝備 (刀、夾具、量具等 )和輔助工具。 5確定各工序的加工余量、工 序尺寸和公差。 6確定各工序的切削用量及工時(shí)定額。 7技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。 8填寫工藝文件。 4 5 2機(jī)車曲軸加工工藝規(guī)程的制定 在曲軸外表面數(shù)控加工中一般遵循以下四個(gè)方面的原則： 1先粗后精。即按照粗一半精一精的原則進(jìn)行，直到加工到符合零件的精度要求為止。 2先近后遠(yuǎn)。即按照加工部位相對(duì)于換刀點(diǎn)由近到遠(yuǎn)逐步進(jìn)行加工，以減少刀具的空行程時(shí)間。 3刀具集中。即用同一把刀具加工完成所有相應(yīng)的部位，然后再換另一把刀具加工其他相應(yīng)的部位，以減少空行程和換刀時(shí)間。 4基面先行。即應(yīng)先加工定位的部位，以保證加 工精度。 本次設(shè)計(jì)的對(duì)象為機(jī)車曲軸的機(jī)械加工采用的是 控外銑車床進(jìn)行加工。統(tǒng) 一用主軸頸進(jìn)行定位，在連桿頸加工的時(shí)候夾具采用連桿頸加工專用的偏心夾具。 根據(jù)機(jī)車曲軸的各部位公差以及表面粗糙度，最后確定機(jī)車曲軸主要加工部位的工藝路線如下： 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 14 1主軸頸、連桿頸：粗車一半精車一再半精車一精車一粗磨一精磨； 2自由端：粗車一精半精車一精車錐面； 3法蘭端：粗車一精車； 4 車一精車； 5錐面：粗車一半精車一精車一粗磨； 6平衡塊結(jié)合面：粗銑一半精銑一精銑； 7主軸頸、連桿頸、斜油 孔、中心孔：鉆削加工； 8平衡塊結(jié)合面孔：鉆一擴(kuò)一攻。 由于該曲軸毛坯是采用鑄造方法制造出來(lái)的，并且在粗加工的時(shí)候，加工余量較大， 所以在粗加工以后要進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，以釋放殘余應(yīng)力，提高曲軸的綜合力學(xué)性能，并 有利于以下的加工工序；在粗加工、半精加工以及再半精加工之后分別進(jìn)行三次次噴丸 處理，進(jìn)行表面強(qiáng)化，提高零件機(jī)械強(qiáng)度以及耐磨性、抗疲勞和耐腐蝕性；在第一次半 精加工之后對(duì)零件進(jìn)行時(shí)效處理；在對(duì)零件進(jìn)行磨削加工之前對(duì)零件進(jìn)行氮化處理，使 曲軸具有優(yōu)異的耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性及耐高溫性；在零件所有的機(jī)械 加工工序都 完成之后對(duì)零件進(jìn)行兩次動(dòng)平衡檢查。 在各個(gè)工序之間不單單要進(jìn)行熱處理，還有的工序在加工之前需要在劃線平臺(tái)上進(jìn) 行劃線處理，例如在粗加工之前，和在孔加工之前。粗加工的時(shí)候，由于加工余量比較 大，定位誤差比較大，且毛坯的鑄造精度有限，為保證加工精度，要進(jìn)行劃線處理。在 某些孔進(jìn)行加工之前 (例如：法蘭盤上孔 )，由于這些孔在零件上互相之間有角度和距 離的限制，為了保證加工時(shí)的精度以及達(dá)到零件圖上個(gè)孔的位置要求，需要進(jìn)行劃線處 理。 具體加工工序以及所采用設(shè)備詳情請(qǐng)見(jiàn)加工工序卡片以及工序過(guò)程卡片。本章只是 提取了有代表性的連桿頸的粗車至精車工序進(jìn)行了切削用量等方面的數(shù)據(jù)計(jì)算，主軸頸 和曲拐臂加工情況類似。所以加工工序卡片中只包含了這四道工序的內(nèi)容。 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 15 C 及 曲軸數(shù)控加工 仿真 算機(jī)輔助數(shù)控編程的步驟 目前 ，國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)輔助制造（ 軟件的種類很多，其軟件功能、面向用戶的接口方式有所不同，所以編程的具體過(guò)程及編程中所使用的指令也不盡相同，但從總體上講，編程的基本原理及基本步驟大致上是一致的，歸納起來(lái)可分為以下五大步驟。 1. 幾何造型 幾何造型就是利用計(jì)算機(jī)輔助 設(shè)計(jì)（ 軟件的圖形繪制、編輯修改、曲線曲面造型等功能等功能將零件的幾何圖形準(zhǔn)確地繪制在計(jì)算機(jī)屏幕上，與此同時(shí)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)自動(dòng)形成零件的圖形數(shù)據(jù)文件。 幾何造型的過(guò)程相當(dāng)于在 言編程中，用幾何定義語(yǔ)句定義零件的幾何圖形的過(guò)程，其不同點(diǎn)在于它不是用語(yǔ)言而是用計(jì)算機(jī)繪圖的方法將零件的圖形數(shù)據(jù)輸送到計(jì)算機(jī)中。 圖形數(shù)據(jù)文件是下一步刀位軌跡計(jì)算的依據(jù)。自動(dòng)編程過(guò)程中，軟件將根據(jù)加工要求自動(dòng)提取這些數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析判斷和必要的數(shù)學(xué)處理，以形成加工的刀位軌跡數(shù)據(jù)。 2. 加工工藝分析 零件 圖和加工工藝分析是數(shù)控編程的 基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程和手工編程、言編程一樣也首先要進(jìn)行這項(xiàng)工作。 目前，由于計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)（ 術(shù)水平的限制，零件加工工藝分析仍需人工進(jìn)行。夾位置、工件坐標(biāo)系、刀具類型和尺寸、加工路線及加工工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)之后才能進(jìn)行編程。因此，編程前期的主要任務(wù)有：核準(zhǔn)零件的幾何尺寸、公差、及精度要求；確定零件相對(duì)機(jī)床坐標(biāo)系的裝夾位置以及被加工部位所處的坐標(biāo)平面；選擇刀具并確定零件刀具的相關(guān)參數(shù)；確定工件坐標(biāo)系、編程零點(diǎn)、找正基準(zhǔn)面及對(duì)刀點(diǎn)；確定加工路線；選擇合理的工藝參數(shù)。 3. 刀位軌跡的生成 計(jì)算機(jī) 輔助數(shù)控編程中刀位軌跡的生成是面向屏幕上的圖形交互進(jìn)行的。其基本過(guò)程是：首先在刀位軌跡生成菜單中選擇所需的菜單項(xiàng)，然后根據(jù)屏幕的提示，用鼠標(biāo)指針選取相應(yīng)的圖形目標(biāo)，指定相應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)，輸入所需的各種參數(shù)；軟件將圖形文件中提取編程所需要的信息，進(jìn)行分析判斷，計(jì)算出節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 16 換為刀位數(shù)據(jù)，指定的刀位文件中或直接進(jìn)行后置處理生成數(shù)控加工程序；同時(shí)在屏幕上顯示出刀位軌跡圖形。 刀位軌跡的生成大致可分為點(diǎn)位加工刀位軌跡的生成、平面輪廓加工刀位軌跡的生成、槽腔加工刀位軌跡、槽腔加工刀位軌跡的生成和曲面加工刀位軌跡 的生成 4種。 4. 后置處理 由于各種數(shù)控機(jī)床使用的控制系統(tǒng)不同，所用數(shù)控指令的代碼及格式也有所不同，為了生成符合特定數(shù)控機(jī)床要求的數(shù)控加工程序，就需要進(jìn)行后置處理。計(jì)算機(jī)輔助制造（ 件通常設(shè)置一個(gè)后置處理配置文件。在進(jìn)行后置處理前，編程人員需對(duì)該文件進(jìn)行手工編輯或在通用后置處理程序的支持下，按文件規(guī)定的格式定義數(shù)控加工程序所使用的代碼、程序格式、圓整化方式等內(nèi)容。 件在執(zhí)行后置處理命令時(shí)將自動(dòng)按后置處理配置文件定義的內(nèi)容，輸出所需要的數(shù)控加工程序。 5. 程序輸出 在 成軟件系統(tǒng)或?qū)Ｓ煤笾?處理程序中完成數(shù)控加工程序的生成后，需將數(shù)控加工程序傳輸?shù)綌?shù)控機(jī)床。早期的數(shù)控系統(tǒng)多采用穿孔紙帶進(jìn)行轉(zhuǎn)換和輸入，目前已廣泛采用 行通信方式或 絡(luò)通信方式進(jìn)行程序輸入。 使用 C 模塊設(shè)計(jì)加工程序的流程與實(shí)際加工的邏輯相似 ，其加工流程圖如圖 6 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 17 圖 6 C 模塊加工流程圖 制造模型一般由一個(gè)參照模型和一個(gè)工件裝配組成。 制造模型中可以包含工件，也可以不包含，包含工件的目的與優(yōu)點(diǎn)是可以計(jì)算加工的范圍、模擬材料的加工切削情況和查詢 加工材料切削量等。 制造數(shù)據(jù)庫(kù)包括機(jī)床設(shè)置、刀具設(shè)置、夾具設(shè)置等項(xiàng)目。 其中有些項(xiàng)目可以在加工過(guò)程中需要定義時(shí)再進(jìn)行設(shè)置。 操作實(shí)際上是一系列 列的集合。 操作設(shè)置一般包括操作名稱、定義機(jī)床、定義 出坐標(biāo)系、操作注釋、設(shè)置操作參數(shù)、定義起始點(diǎn)和返回點(diǎn)等。 通過(guò)定義 列的類型、切削參數(shù)和制造參數(shù)等由系統(tǒng)自動(dòng)生成刀具軌跡。 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 18 C 代碼文件 通過(guò) 仿真操作可以對(duì)生成的刀具軌跡進(jìn)行檢查，如果不符合要求，則應(yīng)對(duì) 列及時(shí)進(jìn)行修改；如果刀具軌跡 符合要求，則可以通過(guò)后置處理，生成 碼文件，驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。 軸的數(shù)控加工仿真過(guò)程 曲軸的數(shù)控加工 仿真需要建立在曲軸加工工藝分析的基礎(chǔ)之上，同時(shí)根據(jù)具體的工作環(huán)境和加工要求決定。合理的安排工序也可以提高加工效率，減少刀具的損耗及資源的浪費(fèi)。下面對(duì)曲軸加工簡(jiǎn)化，以一個(gè)曲拐的加工為例，對(duì)其進(jìn)行加工仿真研究。 如圖所示，建立參照模型 （見(jiàn)圖 7） ： 圖 7 參照模型 由于上章討論曲軸加工工藝，一般以鑄造毛坯和煅造毛坯為主，故 毛坯模型如 圖 8所示 ： 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 19 圖 8 工件 模型 在 中選擇新建制造文件，及 件命令 ,選擇毫米模版復(fù)選框 ，依次選擇插入 -參照模型 -裝配，調(diào)入?yún)⒄漳Ｐ臀募捎媒M件坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系約束 （圖 9） ,選擇同一模型復(fù)選框。 圖 9 坐標(biāo)系約束后 然后 選擇插入 -工件 -裝配，調(diào)入工件文件，然后進(jìn)行約束處理， 得到如下圖所示的制造模型文件 ，見(jiàn)圖 10。 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 20 圖 10 制造模型 工件坐標(biāo)及組件坐標(biāo)如 圖所示，根據(jù)軸類零件的特點(diǎn)，工件坐標(biāo)設(shè)置為軸線中心，同時(shí)以曲軸軸線方向?yàn)?向?yàn)?X 軸，同時(shí)可判斷出 于加工曲軸連軸頸時(shí)，刀具方向?yàn)閺较?，?C 默認(rèn) Z 軸方向?yàn)榈毒叻较?，則需建立一個(gè)以徑向方向?yàn)?Z 軸的坐標(biāo)系。 下面以銑削連桿軸頸及鉆油孔為例，進(jìn)行加工仿真。 依次點(diǎn)擊步驟 -操作 - ，進(jìn)行機(jī)