单拐曲轴的机械加工工艺与夹具.doc

扬州职业大学毕业设计说明书

设计（论文）题目：
单拐曲轴的机械加工工艺与夹具设计

姓 名：
学 号：
院 （系）： 机械工程学院
专 业： 机械制造与自动化
班 级：
指导教师：

二〇一二年四月

目　录
第一部分 摘要............................................................................... 1
第二部分 工艺设计说明............................................................... 2
一.零件图工艺性分析.................................................................... 2
1.零件结构及工艺特点.................................................................... 2
2.零件技术条件分析........................................................................ 2
二.毛坯确定...................................................................................... 2
1.毛坯类型........................................................................................ 2
2.毛坯余量确定................................................................................ 2
3.毛坯—零件合图............................................................................ 3
三．机加工工艺路线确定............................................................... 3
1.加工方法分析确定........................................................................ 3
2.加工顺序的安排............................................................................ 3
3.定位基准选择................................................................................ 3
4.加工阶段划分................................................................................ 3
5.具体工序安排及机加工工序简图................................................. 4
6.工序尺寸及公差确定..................................................................... 12
7.设备及工艺装备确定..................................................................... 15
8.切削用量及工时定额确定............................................................. 15
第三部分 第100工序夹具设计说明书...................................... 18
1.工序尺寸精度分析......................................................................... 18
2.定位方案确定................................................................................. 18
3.定位元件确定................................................................................. 18
4.定位误差分析计算......................................................................... 19
5.夹紧方案及元件确定..................................................................... 19
6.夹具总装草图.................................................................................. 20
第四部分 第20工序刀具设计说明书......................................... 20
1. 工序尺寸精度分析........................................................................ 20
2.刀具类型确定.................................................................................. 21
3.刀具设计参数确定.......................................................................... 21
4.刀具工作草图.................................................................................. 22
第五部分 第70工序量具设计说明书....................................... 22
1. 工序尺寸精度分析........................................................................ 22
2.量具类型确定.................................................................................. 22
3.极限量具尺寸公差确定.................................................................. 22
4.极限量具尺寸公差带图.................................................................. 23
5.量具结构设计.................................................................................. 23
小结..................................................................................................... 24
参考文献.............................................................................................. 25

第一部分 摘要
曲轴是往复式发动机,压缩机，剪切机与冲压机械的关键零件,其性能好坏直接影响到机器的质量和寿命.曲轴在机器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。曲轴的作用是将往复直线运动转化为旋转运动，或将旋转运动转变为往复直线运动。
本课题仅单拐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：曲轴，工艺分析，工艺设计

29

第二部分　工艺设计说明书
一. 零件图工艺性分析
1. 零件结构及工艺特点
曲轴是将直线运动转变成旋转运动，或将旋转运动转变为直线运动的零件。它是往复式发动机、压缩机、剪切机与冲压机械的重要零件。曲轴的结构与一般轴不同，它有主轴颈、连杆轴颈、主轴颈和连杆轴颈之间的连接板组成。其长径比L/D=818/110
=7.44<12.该曲轴形状复杂，刚性较差，易变形.曲轴在交变和冲击载荷下工作，所以
要求该轴应具有高强度，高韧性，高耐磨性等特点。

2. 零件技术条件分析

a. 主轴颈：φ110 尺寸公差等级IT6, 表面粗糙度Ra为1.25μm，
圆柱度误差0.015。

b. 连杆轴颈φ110尺寸公差等级为IT7，表面粗糙度Ra为0.63μm，
圆柱度误差0.015。
由数据可知，主轴颈与连杆轴颈精度要求高，加工难度大。
c. 位置精度
主轴颈与连杆轴颈平行度误差为0.02，主轴颈的同轴度误差为0.02。
该曲轴位置要求也比较高。
3．零件图见附图
二．毛坯确定
1. 毛坯类型
曲轴工作时要承受很大的转矩及变形弯曲应力，容易产生扭转、折断及轴颈磨损，要求材料应有较高的强度、冲击韧度、抗疲劳强度和耐磨性，球墨铸铁能很好的满足上述要求。该零件为小批生产，采用铸造毛坯。材料为QT600-2.

2. 毛坯余量确定
由机械加工工艺设计资料表1.2-10查得毛坯加工余量为5，毛坯尺寸偏差由表1.2-2查得为1.4.
3. 毛坯－零件合图草图

三．机加工工艺路线确定
1. 加工方法分析确定

该零件是单拐曲轴。小批量生产。故选用中心孔定位，它是辅助基准，装夹方便节省找正时间又能保证连杆轴颈的位置精度，连杆轴颈与主轴颈的中心距为120，加工连杆轴颈时，可利用以加工过的主轴颈定位，安装到专用的偏心卡盘分度夹具中使连杆轴颈的轴线与转动轴线重合。

2. 加工顺序的安
先以主轴颈为粗基准连杆轴颈作支撑铣两端面，打中心孔。该零件的刚性差，应按先粗后精的原则安排加工顺序，逐步提高加工精度。
关键工序加工：先粗加工主轴颈，再半精加工主轴颈，以此为基准，粗加工连杆轴颈，再磨主轴颈，最后磨连杆轴颈。

3． 定位基准选择
先以主轴颈为基准铣曲轴两端面并打中心孔，再以两顶尖定位方式粗加工主轴颈，再半精加工主轴颈，再用偏心卡盘分度夹具以主轴颈为基准，加工连杆轴颈，再磨主轴颈，以此为精基准，最后磨连杆轴颈。

4．加工阶段的划分
粗加工阶段
a. 毛坯处理 清理及时效处理
b. 粗加工
目的：最大限度的切除余量，及时发现毛坯缺陷，采取必要措施。
半精加工阶段
目的：为精加工作最后的准备。
精加工阶段
目的：达到零件图中的全部要求。

5. 具体工序安排及机加工工序简图

0、铸 铸造
5、清砂
10、热处理 正火
15、铣曲轴两端面并打中心孔

20、粗车主轴颈右端

25、粗车主轴颈左端

30、铣连杆轴颈上下，前后端

35、半精车主轴颈右端

40、半精车主轴颈左端

45、粗车连杆轴颈侧板

50、半精车连杆轴颈侧板

55.车锥度并倒角

60 铣键槽

65 钻主轴颈左端油孔，扩孔，锪孔；钻连杆轴颈油孔并攻螺纹。

70. 钻第一侧板油孔，攻螺纹M12；钻两侧板下端孔，攻螺纹4-M24

75. 钻连杆轴颈斜油孔

80修磨中心孔

85磨主轴颈右端并圆角

90. 磨主轴颈左端并圆角

95磨连杆轴颈并圆角
100.磨锥度

105. 去毛刺

110. 清洗

115. 动平衡试验

120. 终检 入库

6. 工序尺寸及其公差确定
φ110
工艺路线
基本尺寸
工序余量
工序精度
工序尺寸
铸
115

粗车

112.4

2.6

0.140
φ112.4

半精车

110.4

2

0.054
φ110.4

磨

110

0.4

0.022
φ110

φ110
工艺路线
基本尺寸
工序余量
工序精度
工序尺寸
铸
115

粗车
112.4
2.6
0.87

半精车

110.4

2

0.087
φ110.4

磨

110

0.4

0.035
φ110
φ105
工艺路线
基本尺寸
工序余量
工序精度
工序尺寸
铸
110

粗车

107.4

2.6

0.87
φ107.4

半精车

105.4

2

0.35
φ105.4

磨

105

0.4

0.16
φ105
140
工艺路线
基本尺寸
工序余量
工序精度
工序尺寸
铸
145

粗车

142.5

4.5

0.1
φ140.5

磨

140

0.5

0.016
φ140

94
工艺路线
工序余量
工序尺寸
铸

89
粗车
2.6
91.6
半精车
2
93.6
磨
0.4
94
103
工艺路线
工序余量
工序尺寸
铸

98
粗车
2.6
100.4
半精车
2
102.4
磨
0.4
103
164
工艺路线
基本尺寸
工序余量
工序精度
工序尺寸
铸
159

粗车

163.5

4.5

0.63
φ163.5

磨

164

0.5

0.53
φ164
270
工艺路线
工序余量
工序尺寸
铸

275
粗铣
4.5
270.5
磨
0.5
270
28
工艺路线
基本尺寸
工序余量
工序精度
工序尺寸

粗铣

27.7

0.13
27.7

磨

28

0.3

0.052
28
10
工艺路线
工序余量
工序尺寸
粗铣

9.7
磨
0.3
10
180
工艺路线
工序余量
工序尺寸
粗铣

179.7
磨
0.3
180
18
工艺路线
工序余量
工序尺寸
粗铣

18.3
磨
0.3
18
410
工艺路线
工序余量
工序尺寸
铸

415
粗车
2.2
412.8
半精车
2
410.8
磨
0.8
410
7. 设备及其工艺装备确定
所用设备：卧式双面中心钻床、CA6140、特种多刀车床、立式铣床、摇臂钻床、攻螺纹机床、液压床、辊道、清洗机、检验台、外圆磨床、动平衡机。
夹具：顶尖、V形块、偏心卡盘分度夹具。钻直孔专用夹具、钻斜孔专用夹具。
刀具：90度车刀、R3圆弧车刀、铣刀、φ10、φ20钻头、砂轮、切断刀。
量具：千分尺、游标卡尺、专用卡规。
8. 切削用量及工时定额确定
（1） 铣曲轴两端面并从两面钻中心孔时：（T1=T辅 T2=T机 T3=T工 T4=T休）
切削用量：ap=5
由表7.3-5得：f=0.5mm/r
由表7.3-11得 v=16m/min
则n=318x16/22=231.3=232r/mm
工时定额：由表7.4-1得钻中心孔时机动时间为：lf=2/dxcotkr=2/22xcot120=18.7
T2=lw+lf/fxn=26.66+18.7/0.5x232=0.4min
由表3.3-1得：装夹工件时间为1.1min
由表3.3-2得：松开卸下工件时间为0.76min，
由表3.3-3得：操作机床时间为：
0.02+0.04+0.03+0.09+0.08+0.02+0.01+0.02+0.03+0.06+0.04+0.04+0.03=0.51min
由表3.3-4得：测量工件时间为：0.1+0.14=0.24min
T1=0.76+1.1+0.51+0.24=2.61min
由表3.3-33得布置工作地、休息和生理时间分别为：T3=53min、T4=15min
T基=lz/nfap=26.66x5/232x0.5x5=0.3min
则T总=T1+T2+T3+T4+T基=69.31min
（2）粗车主轴颈右端时：
切削用量：（车刀刀杆尺寸BXH取25X25）ap=2.6 ，由表5.3-1得f=1.3，由表5.3-20查得v=59m/min，则n=318v/d=318x59/112.4=166.9=167r/min
工时定额：
由表3.3-1得：装夹工件时间为1.1min
由表3.3-2得：松开卸下工件时间为0.76min，
由表3.3-3得：操作机床时间为：
0.02+0.04+0.03+0.09+0.08+0.02+0.01+0.02+0.03+0.06+0.04+0.04+0.03=0.51min
由表3.3-4得：测量工件时间为：0.1+0.14=0.24min
T1=0.76+1.1+0.51+0.24=2.61min
由表5.4-1得机动时间为：T2=0.07+0.06+0.04+0.03=0.2min
由表3.3-33得布置工作地、休息和生理时间分别为：T3=53min、T4=15min
T基=lz/nfap=412.8x5/167x1.3x2.6=3.7min
则T总=T1+T2+T基+53+15=77.51
（3）粗车主轴颈左端时：
切削用量：ap=2.6
由表5.3-1得：f=1.3mm/r
由表5.3-20得：v=59m/min
则n=318v/d=318x59/112.4=166.9=167r/min
工时定额：（同上）T1=2.61min T2=0.2min T3=53min T4=15min
T基=91.6x5/167x1.3x2.6=0.81min
T总=T1+T2+T3+T3+T基=74.62min
(4)半精车主轴颈右端时：
切削用量：（刀尖圆弧半径取0.5）ap=2
由表5.3-2得f=0.1mm/r
由表5.3-20得v=120m/min
则n=318v/d=318x120/110.4=346r/min
工时定额：（同上）T1=2.61min T2=0.2min T3=56min T4=15min
T基=lz/nfap=410.8x5/346x0.1x2=29.7min
T总=T1+T2+T3+T4+T基=103.5min
(5)半精车主轴颈左端时：
切削用量：ap=2
由表5.3-2得f=0.1mm/r
由表5.3-20得v=120m/min
则n=318v/d=318x120/110.4=346r/min
工时定额：（同上）T1=2.61min T2=0.2min T3=56min T4=15min
T基=93.6x5/346x0.1x2=6.8min
T总=80.61min
(6)粗车连杆轴颈，切第一、二侧板
切削用量：ap=4.6
由表5.3-1得f=1.2mm/r
由表5.3-20得v=48m/min
则n=318v/d=318x48/110.4=139r/min
工时定额：由表3.3-21得装夹工件时间为0.6min
由表3.3-23得操作时间为0.02+0.02+0.05+0.05+0.01=0.15min
由表3.3-24得测量工件时间为0.14min
T1=0.6+0.4+0.15+0.14=1.29min T2=0.2min T3=56min T4=15min
T基=lz/nfap=163.5x5/139x1.2x4.6=1.1min
T总=73.6min
(7)粗铣连杆上、下端及前、后端：
切削用量：ap=4.5
由表6.3-2得f=0.25mm/r
由表6.3-21的硬质合金铣刀铣削灰铸铁时v=120m/min
则n=318v/d=318x120/270.5=142r/min
工时定额：由表6.4-1得T2=lw+l1+l2/vf=313+10+10/0.25x142=9.4min
由表3.3-7得操作时间为：0.83min
由表3.3-8得测量工件时间为：0.14min
T1=2.27min T3=51min T4=15min
T基=lz/nfap=313x5/142x0.25x4.5=9.8min
T总=87.5min
(8)在第一侧板钻油孔，在主轴颈左淀钻油孔：
切削用量：ap=230 由表7.3-1得f=0.5mm/r 由表7.3-11得v=16m/min
则n=318v/d=318x16/20=254.4r/min
工时定额：
当钻φ20深230油孔时：T2=lw+lf+lt/fn=230+17+0/0.5x254.4=1.9min
(lf=dm/2cotkr=20/2cot120=17) T基=230x20/254.4x0.5x230=0.16min
当钻φ20 深160油孔时：由表7.4-1得T2=lw+lf+lt/fn=160+17+0/0.5x254.4=1.4min
(lf=dm/2cotkr=20/2cot120=17) T基=160x20/254.4x0.5x0.6=0.16min
当钻φ10 深200油孔时:T2=lw+lf+lt/fn=200+8.5+0/0.5X254.4=1.7min
(lf=dm/2cotkr=10/2cot120=8.5) T基=200x10/254.4x0.5x200=0.08min
由表3.3-9得装夹工件时间为0.17min
由表3.3-10得松卸工件时间为0.15min
由表3.3-11得操作时间为0.4min
由表3.3-12得测量工件时间为0.04min
T1=0.76min T3=47min T4=15min
T总=68.07min
(9)在主轴颈右端粗铣键槽：
切削用量：ap=9.7 由表6.3-2得f=0.3mm/r 由表6.3-11得v=49m/min
则n=318v/d=318x49/105=149r/min
工时定额：由表6.4-1得T2=(t+lw)/vf2+(lw-d0)/vf
=(10+179.7)/49x9.7+(179.7-105)/(49x0.3)5.5min
由表3.3-5得装夹工件时间为0.11min 由表3.3-6得松卸工件时间为0.1min
由表3.3-7得操作时间为0.68 min 由表3.3-8得测量工件时间为0.18min
T1=1.07min T3=51min T4=15min
T基=lz/nfap=179.7x10/149x0.3x9.7=4.2min
T总=76.8min
(10)磨削主轴颈右端并倒角：
切削用量：ap=0.4 由表10.2-2得f=0.4mm/r v=22m/min
n=318v/d=318x22/110=64r/min
工时定额：由表3.3-13得装夹和松卸工件时间为：0.19min 0.10min
由表3.3-15得操作时间为0.37min 由表3.3-16得测量工件时间为0.08min
T1=0.74min T基=403x0.4/64x0.5x0.4=13min T3=60min T4=15min
T总=88.74min
(11)磨削主轴颈左端并倒角：
切削用量：ap=0.4 由表10.2-2得f=0.4mm/r v=22m/min
则n =318v/d=64r/min
工时定额：由表3.3-13得装夹和松卸时间为0.19 min 0.10 min
由表3.3-15得操作时间为0.37min 由表3.3-16得测量工件时间为0.08min
T1=0.74min T3=60min T4=15min T基=94x0.4/64x0.5x0.4=3min
T总=78.74min
（12）磨削连杆轴颈第一、二侧板并倒角
切削用量：ap=0.4 由表10.2-2得f=0.4mm/r v=22m/min
则n =318v/d=64r/min
工时定额：由表3.3-13得装夹和松卸时间为0.09 min 0.08 min
由表3.3-15得操作时间为0.39min 由表3.3-16得测量工件时间为0.08min
T1=0.64min T3=60min T4=15min T基=164x0.4/64x0.5x0.4=5.2min
T总=82.9min
（13）磨削连杆上、下端并倒角：
切削用量：ap=0.5 由表10.2-2得f=0.5mm/r v=22m/min
则n =318v/d=318X22/270=26r/min
工时定额：由表3.3-13得装夹和松卸时间为0.19 min 0.10 min
由表3.3-15得操作时间为0.41min 由表3.3-16得测量工件时间为0.08min
T1=0.78min T3=60min T4=15min T基=270x0.5/26x0.6x0.5=17.3min
T总=93.1min
（14）扩孔φ32
切削用量：ap=45 由表7.3-2得f=1mm/r 由表7.3-12得v=20.9m/min
则n =318v/d=318X20.9/32=208r/min
工时定额：由表7.4-1得T2=iw+lf+lt/fn=(45+10.2)/(1x208)=0.3min
【lf=(dm-dw)/2cotkr=(32-20/2cot120=10.2)】
由表3.3-9得装夹工件时间为0.17min 由表3.3-10的松卸工件时间为0.15min
由表3.3-11得操作机床时间为0.42 min 由表3.3-12得测量工件时间为0.05min
T1=0.79min T3=47min T4=15min T基=45x32/208x1x45=0.16min
T总=63.25min

第二部分　第100号工序夹具设计说明书
1. 工序尺寸精度分析
由工序图可知此工序的加工精度要求不高，具体加工要求如下：钻2-φ10孔，深度为55，无其它技术要求，该工序在摇臂钻床上加工，零件属小批量生产。
2. 定位方案确定
根据该工件的加工要求可知该工序必须限制工件四个自由度，即x移动、z移动、x转动、y转动，但为了方便的控制刀具的走刀位置，还应限制y移动、z转动两个自由度，因而工件的六个自由度都被限制，由分析可知要使定位基准与设计基准重合。选主轴颈中心线和侧板平面为定位基准。

3. 定位元件确定
1、选择定位元件：
由于本工序的定位面是主轴颈中心线和侧板平面，所以夹具上相应的定位元件选为两个V形块和一个平面。
（注：定位基准选择及受力分析见工序图）
2、确定定位元件尺寸、极限偏差和定位元件间位置尺寸及其极限偏差、定位元件尺寸：
由图可知此工序的加工精度要求不高，所以两固定V形块的尺寸由机床夹具设计手册P284图2-1-26得：(如图)
T=H+0.707D-0.5N=170+0.707X110-0.5X85=170+77.77-42.5=205.3mm
V形块的宽度根据工件的实际情况可选为60mm。

根据工件的实际情况，底版的长度选为454mm，宽度为188mm，高度为50mm。
4. 定位误差分析计算
(1)分析计算孔的深度尺寸7的定位误差：
用外圆表面定位，工件定位面是外圆表面，定位元件的定位工作面是V形块对称面，定位基准是外圆中心线，当工件外圆直径发生变化时其中心线在V形块对称面上上下移动。定位误差计算如下：
△jb=1/2T(d)=1/2x0.022=0.011
△db=0.707(Td)=0.707x0.022=0.016
△dw=△db-△jb=0.005
（2） 分析计算孔中心线与侧板中心线的重合度误差：
△jb=0
△db=0
△dw=0
5. 夹紧方案及元件确定
（1）计算切削力及所需加紧力：
工件在加工时所受的力有加紧力J、切削力F和工件重力G，三者作用方向一至，由机床夹具设计手册表1-2-7得切削力的计算公式：
Fx=667DsKp=667x22x700x650/726=1265.486N
实际所需加紧力与计算加紧力之间的关系为：
F=KFx(K由表1-2-2查得为1.15)=1.15Fx=1.15x1265.486=1455.309N
（2）计算加紧机构并验算机构所能产生的加紧力：
满足加紧力水平作用要求的加紧装置结构方案可用螺纹加紧机构，这种加紧方案装卸工件及清理切削方便，所以这种结构较好。
加紧机构所能产生的加紧力F＇=Qη（L1+L2）
其中：η：加紧机构效率取0.9
Q：螺栓的许用加紧力
选定L1=L2
根据机床夹具设计手册表3.3查得当螺纹公称直径M=20时，Q=13000
F＇=2Qη=2X13000X0.9=23400N
F＇＞F 故加紧方案可行。
（3）设计钻套，连接元件及夹具体，钻模板：
由于此工件是中批量生产，固选用GB2264-80可换钻套，选用固定式钻模板。
根据钻床T型槽的宽度，决定选用GB2206-80宽度B=14，公差带为h6的A型两个定位键来确定夹具在机床上的位置。
夹具选用灰铸铁的铸造夹具体，其基本厚度选为22mm，并在夹具体底部两端设计出供T型槽用螺栓紧固夹具用的U型槽耳座。
6.夹具总装草图

第三部分　第20号工序刀具设计说明书
1. 工序尺寸精度分析
粗车主轴颈左端保证尺寸φ112.4公差等级为IT10。
2. 刀具类型确定
此道工序保证的尺寸精度要求不高可用游标卡尺测量，属粗加工，因此可用90度外圆车刀。
3. 刀具设计参数确定
序号
项目
数据来源或公式计算
采用值
1
车刀外行
表2-6、2-7
焊接式90度强力外圆车刀

2
刀片材料

YT5
刀杆材料

45钢

3

几何角度

表2-8、2-9
Λs=-10度 γo=20度
αo=6度 αo’=4度
κr=90度κr’=5 度 γε=2mm

4

断削参数前面型式

表2-11、2-12（f=1.3mm/r）
带倒棱曲面圆弧卷削槽前面
Ln=8.5mγo1=-20度 br1=0.6 qn=9.3
5
过渡刃
表2-13（ap=2.6mm）
直线过渡刃 Kre=45度 bε=1

6

刀片型号

表2-3
A420
L=20 B=12 C=7 R=12.5 r=1 e=0.8
7
车刀外型结构尺寸
表2-1、2-2、2-5
BxH=20x30 L=150 M=8(90度弯头车刀)

8

刀槽型式
表2-4
Sinrj=ln/2qn=8.5/2x9.6=0.443
Γc=γo-γj=20度-26.3度

Hc=H+(1~2)-cCosαo/Cos(αo+ γc)
=30+1-7Cos5/Cos(5+6.3)=31-7x1/1=24
Bc=B-Ctg(αo+γc)
=12-7tg(5+6.3)=10.6
Lc=L-CCosαo/ Cos(αo+ γc).tgαo’
=20-7.Cos5/ Cos(5+6.3).tg5
=20-7x0.08=19.4

Γj=26.3度
Γc=6.3度

Hc=24mm

Bc=10.6mm

Lc=19.4mm
4. 刀具工作草图

第四部分　第70号工序量具设计说明书
1. 工序尺寸精度分析
对连杆轴颈φ110（f7）选基孔制，首先确定被测轴的极限偏差，查公差书第三章极限与配合标准得φ110f7的上偏差es=-0.036mm,下偏差ei=-0.071mm。公差等级为IT7。
2. 量具类型确定
连杆轴颈φ110的量具用卡规，量具测量面的材料用硬质合金，测量面的硬度为58-65HRC，其它部