汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸終鍛模的設(shè)計(jì)及仿真-畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

西安播送電視大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題目：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸終鍛模的設(shè)計(jì)及仿真專業(yè)：11春機(jī)械制造及其自動(dòng)化時(shí)間：2021年05月

摘要在科技突飛猛進(jìn)的21世紀(jì)，越來越多的先進(jìn)制造方法應(yīng)用于傳統(tǒng)加工工藝中，為機(jī)械領(lǐng)域的開展提供了新的方向。本文主要闡述了鍛造模具的數(shù)控加工及其開展趨勢(shì)，并簡(jiǎn)單介紹了鍛造的生產(chǎn)過程以及開展方向。本文重點(diǎn)介紹了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸終鍛模具的設(shè)計(jì)制造方法，以及各種軟件在曲軸終鍛模具設(shè)計(jì)和加工中的應(yīng)用。首先利用CATIA軟件對(duì)曲軸零件、鍛件、鍛造模塊等進(jìn)行實(shí)體建模，然后利用UG軟件對(duì)模具型腔進(jìn)行數(shù)控加工仿真，最后在AUTOCAD軟件中生成曲軸二維零件圖，鍛件圖，模塊圖和裝配圖。而對(duì)曲軸模腔的實(shí)體建模過程以及模腔的數(shù)控加工仿真過程做出的重點(diǎn)表達(dá)，說明了CAD/CAM在現(xiàn)代制造業(yè)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸終鍛模數(shù)控加工仿真AbstractInthe21stcenturyofthetechnologicaladvances,moreandmoreadvancedmanufacturingmethodsusedintraditionalprocessingtechnologyforthedevelopmentofmachineryprovidesanewdirection.Thisarticlefocusesontheforgingdiemachiningandtrends,andbrieflydescribestheforgingoftheproductionprocessanddevelopment.Thisarticlefocusesontheautomobileenginecrankshaftforgingdiedesignandmanufactureofthefinalapproach,andavarietyofsoftwareendofthecrankshaftforgingdiedesignandprocessingoftheapplication.Firstly,forgingandCATIAsoftwaremodelingmodule,andthenthemoldcavityusingUGsoftwareforNCmachiningsimulation,thelastintheAUTOCADsoftwaretogeneratetwo-dimensionalpartsandassemblydrawingsandsoon.Whilethecrankshaftborecavitymoldandmoldthephysicalmodelingsimulationprocesschamberprocessingtimeandspacetomakethefocusofnarration,descriptionoftheCAD/CAMapplicationinmodernmanufacturing.Keywords:EngineCrankshaft;Finishforgingdie;NCmachiningsimulation目錄摘要 IAbstract II目錄 I第1章緒論 11.1概述 11.2國(guó)內(nèi)外曲軸加工技術(shù)的現(xiàn)狀及開展 1國(guó)內(nèi)外曲軸加工技術(shù)的現(xiàn)狀 1國(guó)內(nèi)外曲軸加工技術(shù)展望 31.3本課題研究的目的意義 4第2章曲軸設(shè)計(jì) 52.1曲軸的工作條件和材料的選擇 5曲軸的工作條件和設(shè)計(jì)要求 5曲軸的材料 6曲軸強(qiáng)化的方法 62.2曲軸主要尺寸確實(shí)定和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì) 6主要尺寸確實(shí)定 7曲軸兩端設(shè)計(jì) 8第3章曲軸終鍛模設(shè)計(jì) 103.1制定鍛件圖 103.2計(jì)算鍛件的主要參數(shù) 11設(shè)備選定 11終鍛模膛設(shè)計(jì) 123.3曲軸的實(shí)體建模 13曲軸的鍛件實(shí)體建模 13曲軸模塊實(shí)體建模 153.4模具裝配所需的其它零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)體建模 15上模架 15下模架 17墊板 18前壓板 19后擋板 20導(dǎo)向裝置 20頂桿 233.5實(shí)體建模裝配 24第4章曲軸模膛數(shù)控加工仿真 254.1終鍛模模膛數(shù)控加工 254.2生成G代碼及刀具路徑后處理 28結(jié)論 32參考文獻(xiàn) 33致謝 34第1章緒論1.1概述曲軸，引擎的主要旋轉(zhuǎn)機(jī)件，裝上連桿后，可承接連桿的上下(往復(fù))運(yùn)動(dòng)變成循環(huán)(旋轉(zhuǎn))運(yùn)動(dòng)。它是發(fā)動(dòng)機(jī)上的一個(gè)重要的機(jī)件，其材料是由碳素結(jié)構(gòu)鋼或球墨鑄鐵制成的，有兩個(gè)重要部位：主軸頸，連桿頸，〔還有其它〕。主軸頸被安裝在缸體上，連桿頸與連桿大頭孔連接，連桿小頭孔與汽缸活塞連接，是一個(gè)典型的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。曲軸的潤(rùn)滑主要是指與搖臂間軸瓦的潤(rùn)滑和兩頭固定點(diǎn)的潤(rùn)滑。曲軸的旋轉(zhuǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源，也是整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的源動(dòng)力。1.2國(guó)內(nèi)外曲軸加工技術(shù)的現(xiàn)狀及開展摘要：曲軸是內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵零件之一，其是內(nèi)燃機(jī)中最難加工的工件之一。介紹了國(guó)內(nèi)外的曲軸在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)中的強(qiáng)化工藝和機(jī)械加工技術(shù)現(xiàn)狀，先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，并對(duì)未來制造技術(shù)的開展提出了展望。關(guān)鍵詞：曲軸、加工技術(shù)、強(qiáng)化工藝、機(jī)械加工。引言：曲軸是內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵零件之一，也是內(nèi)燃機(jī)中最難加工的工件之一。曲軸在發(fā)動(dòng)機(jī)中是將活塞連桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其在工作過程中會(huì)不斷承受很大的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，且受力情況異常復(fù)雜。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等都提出了更高的要求。曲軸的主要失效形式是軸頸磨損和疲勞斷裂，因此對(duì)曲軸在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)強(qiáng)化工藝技術(shù)和機(jī)械加工技術(shù)同樣都有著更高的要求。國(guó)內(nèi)外曲軸加工技術(shù)的現(xiàn)狀目前車用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸材質(zhì)主要有球墨鑄鐵和鋼兩類。由于球墨鑄鐵曲軸本錢只有調(diào)質(zhì)鋼曲軸本錢的1/3左右，且球墨鑄鐵的切削性能良好，可獲得較理想的結(jié)構(gòu)形狀，并且和鋼質(zhì)曲軸一樣可以進(jìn)行各種熱處理和外表強(qiáng)化處理來提高曲軸的抗疲勞強(qiáng)度、硬度和耐磨性。所以球墨鑄鐵曲軸在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，車用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸采用球墨鑄鐵材質(zhì)的比例在美國(guó)為90%，英國(guó)為85%，日本為60%，此外，德國(guó)、比利時(shí)等國(guó)家也已經(jīng)大批量采用。國(guó)內(nèi)采用球墨鑄鐵曲軸的趨勢(shì)那么更加明顯，中小型功率柴油機(jī)曲軸85%以上采用球墨鑄鐵，而功率在160kW以上的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸多采用鍛鋼曲軸。⑴曲軸的強(qiáng)化工藝技術(shù)目前國(guó)內(nèi)外曲軸常見的強(qiáng)化工藝大致有如下幾種：氮化處理。氮化能提高曲軸疲勞強(qiáng)度的20%～60%。噴丸處理。曲軸經(jīng)噴丸處理后能提高疲勞強(qiáng)度20%～40%。圓角與軸頸同時(shí)感應(yīng)淬火處理。該強(qiáng)化方式應(yīng)用于球墨鑄鐵曲軸時(shí)，能提高疲勞強(qiáng)度20%，而應(yīng)用于碳素結(jié)構(gòu)鋼曲軸時(shí)，那么能提高l00%以上。圓角滾壓處理球。墨鑄鐵曲軸經(jīng)圓角該壓后壽命可提高120%～300%，碳素結(jié)構(gòu)鋼曲軸經(jīng)圓角液壓后壽命可提高70%～150%。曲軸圓角滾壓強(qiáng)化工藝主要包括曲軸圓角滾壓和曲軸滾壓校正兩局部。在滾壓過程中，由伺服傳動(dòng)系統(tǒng)控制曲軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)角度，同時(shí)由液壓伺服控制系統(tǒng)控制液壓過程的壓力負(fù)載，使每個(gè)主軸頸和連桿頸依次完成整個(gè)滾壓過程。對(duì)彎曲曲軸的校直處理首先要檢測(cè)曲軸的彎曲變形數(shù)據(jù)即彎曲度的大小和相位方向，然后用擺差傳感器檢測(cè)各主軸頸處的擺差，繼而由專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)擺差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并給出校直方案，即給出在某幾個(gè)主軸頸或連桿頸上的再施壓方案，從而利用此施壓方案重新按壓產(chǎn)生新的變形來消除曲軸的彎曲。國(guó)外應(yīng)用的圓角滾壓技術(shù)已相領(lǐng)先進(jìn)，可一次完成對(duì)所有圓角的滾壓，且可做到主軸頸與連桿軸頸圓角的壓力不同，同一連桿軸頸圓角在不同方向上的壓力也可不同。這樣可經(jīng)濟(jì)地到達(dá)最正確的滾壓效果，最大限度地提高曲軸的抗疲勞強(qiáng)度。經(jīng)德國(guó)赫根塞特〔HEGENSCHEID〕公司定，球膜鑄鐵曲軸經(jīng)滾壓后壽命可增至100%～280%。復(fù)合強(qiáng)化處理。它是指應(yīng)用多種強(qiáng)化工藝對(duì)曲軸進(jìn)行強(qiáng)化處理，球墨鑄鐵曲軸采用圓角該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。⑵曲軸的機(jī)械加工技術(shù)曲軸主軸頸和連桿軸頸的粗加工、半精加工工藝和精加工工藝，大體分為以下幾種：傳統(tǒng)的曲軸主軸頸及連桿軸頸的多刀車削工藝。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連桿軸頸，工序的質(zhì)量穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，難以到達(dá)合理的加工余量。一般精加工采用曲軸磨床，通?？渴止げ僮鳎庸べ|(zhì)量不穩(wěn)定，尺寸的一致性差。老式生產(chǎn)線的主要特點(diǎn)是普通設(shè)備多，導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)周期長(zhǎng)、場(chǎng)地占用面積大，且完全是靠多臺(tái)設(shè)備分解工序和余量來提高生產(chǎn)效率。數(shù)控車削工藝。數(shù)控車削設(shè)備價(jià)格相對(duì)廉價(jià)，不需要復(fù)雜的刀具，但只適合小批量生產(chǎn)。數(shù)控內(nèi)銑銑削工藝。內(nèi)銑設(shè)備價(jià)格較高，刀具費(fèi)用也很高，但適合大批量生產(chǎn)。數(shù)控車—拉、數(shù)控車—車?yán)に嚒Ｆ渫怀鰞?yōu)點(diǎn)是可對(duì)寬軸徑進(jìn)行分層加工，切削效率高，加工質(zhì)量好，但車?yán)毒呓Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)含量高，并且長(zhǎng)期依靠進(jìn)口，好處是可集車—車?yán)に嚰庸みB桿軸頸要兩道工序于一起。CNC高速外銑工藝。數(shù)控高速外銑是20世紀(jì)90年代新興起來的一種新型加工工藝，其適用范圍廣，特別雙刀盤數(shù)控高速外銑以其加工效率高、加工質(zhì)量穩(wěn)定、自動(dòng)化水平高，已成為當(dāng)前是曲軸主軸頸和連桿軸頸粗加工的開展方向。就比擬而言，CNC車—車?yán)に嚰庸みB桿軸頸要二道工序，CNC高速外銑只要一道工序就能完成，切削速度高〔目前最高可達(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。如德國(guó)BOEHRINGER公司專為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸設(shè)計(jì)制造的柔性的高速隨動(dòng)數(shù)控外銑床VDF315OM-4型，該設(shè)備應(yīng)用工件回轉(zhuǎn)和銑刀進(jìn)給伺服連動(dòng)控制技術(shù)，可以一次裝夾不改變曲軸回轉(zhuǎn)中心隨動(dòng)跟蹤銑削曲軸的連桿軸頸。其采用一體化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)床身，工件兩端電子同步旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特點(diǎn)；使用SIEMENS840DCNC控制系統(tǒng)，設(shè)備操作說明書在人機(jī)界面上，通過輸入零件的根本參數(shù)即可自動(dòng)生成加工程序，可以加工長(zhǎng)度450～700mm、回轉(zhuǎn)直徑在380mm以內(nèi)的各種曲軸，連桿軸頸直徑誤差僅為±0.02mm。數(shù)控曲軸磨削工藝。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〕和線性光柵死循環(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外表粗糙度至少提高一級(jí)精度。如GF70M-T曲軸磨床是日本TOYADA工機(jī)開發(fā)生產(chǎn)的專用曲軸磨床，是為了滿足多品種、低本錢、高精度、大批量生產(chǎn)需要而設(shè)計(jì)的數(shù)控曲軸磨床。該磨床應(yīng)用工件回轉(zhuǎn)和砂輪進(jìn)給伺服聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)，可以一次裝夾而不改變曲軸回轉(zhuǎn)中心即可完成所有軸頸的磨削，包括隨動(dòng)跟蹤磨削連桿軸頸；采用靜壓主軸、靜壓導(dǎo)軌、靜壓進(jìn)給絲杠〔砂輪頭架〕和線性光柵死循環(huán)控制，使用TOYADA工機(jī)生產(chǎn)的GC50CNC控制系統(tǒng)，磨削軸頸圓度精度可到達(dá)0.002mm；采用CBN砂輪，磨削線速度高達(dá)120m/s，配雙砂輪頭架，磨削效率極高。國(guó)內(nèi)外曲軸加工技術(shù)展望美國(guó)、德國(guó)、日本等汽車工業(yè)興旺國(guó)家都致力于開發(fā)綠色環(huán)保、高性能發(fā)動(dòng)機(jī)，目前各個(gè)廠家采用發(fā)動(dòng)機(jī)增壓、擴(kuò)缸及提高轉(zhuǎn)速來提高功率的方法，使得曲軸各軸頸要在很高的比壓下高速轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)正向著增壓、增壓中冷、大功率、高可靠性、低排放方向開展。曲軸作為發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，正面臨著平安性和可靠性的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)材料和制造工藝已無法滿足其功能要求，市場(chǎng)對(duì)曲軸材質(zhì)以及毛坯加工技術(shù)、精度、外表粗糙度、熱處理和外表強(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)量沒有得到保證，那么可嚴(yán)重影響曲軸的使用壽命和整機(jī)的可靠性。世界汽車工業(yè)興旺國(guó)家對(duì)曲軸的加工十分重視，并不斷改良曲軸加工工藝。隨著WTO的參加，國(guó)內(nèi)曲軸生產(chǎn)廠家已經(jīng)意識(shí)到形勢(shì)的緊迫性，引進(jìn)了為數(shù)不少的先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)，以期提高產(chǎn)品的整體競(jìng)爭(zhēng)力，使得曲軸的制造技術(shù)水準(zhǔn)有了大幅提高，特別是近5年來開展更為迅猛。目前國(guó)內(nèi)轎車曲軸生產(chǎn)線多為高速柔性生產(chǎn)線FTL〔FlexibleTransferLine〕，這種生產(chǎn)線的特點(diǎn)是不僅可以加工同系列曲軸，而且還可加工變型產(chǎn)品、換代產(chǎn)品和新產(chǎn)品，真正具備柔性意義。為進(jìn)一步提高高速柔性生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，更快的適應(yīng)市場(chǎng)，F(xiàn)TL未來開展是敏捷柔性生產(chǎn)線AFTL〔AgileFlexibleTransferLine〕。其主要目的是：滿足市場(chǎng)變化的需求。不但滿足當(dāng)前產(chǎn)品的要求，還應(yīng)考慮未來市場(chǎng)需求。滿足生產(chǎn)方式的需求。能滿足現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)“多品種、大中批量、高效率、低本錢〞的生產(chǎn)需求。符合“精益生產(chǎn)〞的原那么。杜絕浪費(fèi)，用最少投資、最大回報(bào)謀取利潤(rùn)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸自身結(jié)構(gòu)的特殊性，曲軸AFTL應(yīng)具備以下特點(diǎn)：由高速加工中心和高效專用機(jī)床〔含少量組合機(jī)床〕組成。按工藝流程排列機(jī)床并由自動(dòng)輸送裝置連接，采用柔性?shī)A具和高效專用刀具生產(chǎn)。為防止關(guān)鍵工序設(shè)備故障造成全線停產(chǎn)，可增設(shè)平行設(shè)備增補(bǔ)，亦能滿足大批量生產(chǎn)的需要。1.3本課題研究的目的意義發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的加工質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的成效尤為重要，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，是發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，它需要承受活塞通過連桿傳來的力，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)傳遞給其它局部，其工作是的受力情況非常復(fù)雜，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、外表粗糙度、熱處理和外表強(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)量沒有得到保證，那么可嚴(yán)重影響曲軸的使用壽命和整機(jī)的可靠性。鍛造作為金屬加工的主要方法和手段之一。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位，是裝備制造業(yè)，特別是機(jī)械、汽車行業(yè)，以及軍工、航空航天工業(yè)中不可或缺的主要加工工藝。隨著經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整的不斷深化，特別是作為支柱產(chǎn)業(yè)的汽車制造業(yè)的大開展，為我國(guó)的鍛造業(yè)營(yíng)造了非常好的時(shí)機(jī)，近幾年在設(shè)備制造技術(shù)和加工技術(shù)上都有了很大的進(jìn)展，行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力得到提升，某些方面的技術(shù)水準(zhǔn)已進(jìn)入世界先進(jìn)行列。鍛造的目的是使坯料成形及控制其內(nèi)部組織性能到達(dá)所需幾何形狀、尺寸以及質(zhì)量的鍛件。曲軸經(jīng)過鍛造，質(zhì)量大大提高，使用壽命和整機(jī)的可靠性也大大提升。作為發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟—曲軸，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)的成效盡可能發(fā)揮到最好。第2章曲軸設(shè)計(jì)曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的機(jī)件之一。它的尺寸參數(shù)在很大程度上不僅影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的整體尺寸和重量，而且也在很大程度上影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性與壽命。曲軸的破壞事故可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)其它零件的嚴(yán)重?fù)p壞，在發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)改良中，曲軸的改良也占有重要地位。隨著內(nèi)燃機(jī)的開展與強(qiáng)化，曲軸的工作條件越來越惡劣了。因此，曲軸的強(qiáng)度和剛度問題就變得更加嚴(yán)重了。在設(shè)計(jì)曲軸時(shí)，必須正確選擇曲軸的尺寸參數(shù)、結(jié)構(gòu)型式、材料與工藝，以求獲得經(jīng)濟(jì)最合理的效果。2.1曲軸的工作條件和材料的選擇曲軸的工作條件和設(shè)計(jì)要求曲軸是在不斷周期性變化的氣體壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣性力以及它們的力矩共同作用下工作的，從而使曲軸既扭轉(zhuǎn)又彎曲，產(chǎn)生疲勞應(yīng)力狀態(tài)；對(duì)內(nèi)不平衡的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸還承受內(nèi)彎矩和剪力；未采取扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振措施使曲軸還可能作用著幅值較大的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)彈性力矩。這些載荷都是交變性的，可能引起曲軸疲勞失效。實(shí)踐說明，彎曲載荷具有決定性作用，彎曲疲勞失效是主要破壞形式。因此曲軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究重點(diǎn)是彎曲疲勞強(qiáng)度，曲軸設(shè)計(jì)上要致力于提高曲軸的疲勞強(qiáng)度。圖2-1曲軸的疲勞破壞a〕彎曲疲勞破壞b〕扭轉(zhuǎn)疲勞破壞曲軸形狀復(fù)雜，應(yīng)力集中現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重，特別在連桿軸頸與曲柄臂的過渡圓角處和潤(rùn)滑油孔出口附近的應(yīng)力集中尤為突出。通常的曲軸斷裂、疲勞裂紋都始于過渡圓角和油孔處。圖1-1說明了曲軸彎曲疲勞破壞和扭轉(zhuǎn)疲勞破壞的情況。彎曲疲勞裂縫從軸頸根部外表的圓角處開展到曲柄上，根本上成450折斷曲柄；扭轉(zhuǎn)疲勞破壞通常是從機(jī)械加工不良的油孔邊緣開始，約成450剪斷曲柄圖2-1曲軸的疲勞破壞a〕彎曲疲勞破壞b〕扭轉(zhuǎn)疲勞破壞曲軸各軸頸在很高的比壓下，以很大的相對(duì)速度在軸承中發(fā)生滑動(dòng)摩擦。這些軸承在實(shí)際變工況運(yùn)轉(zhuǎn)條件下并不總能保證為液體摩擦，尤其當(dāng)潤(rùn)滑油不潔凈時(shí)，軸頸外表遭到強(qiáng)烈的磨料磨損，使得曲軸的實(shí)際使用壽命大大降低。所以，設(shè)計(jì)時(shí)，要使其各摩擦外表耐磨，并匹配好適當(dāng)材料的軸瓦。曲軸是曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的中心環(huán)節(jié)，其剛度亦很重要。如果曲軸彎曲剛度缺乏，那么可能發(fā)生較劇烈的彎曲振動(dòng)，使活塞連桿和軸承的工作條件大為惡化，影響這些零件的工作可靠性和耐久性，甚至使曲軸箱局部應(yīng)力過大而開裂。曲軸的扭轉(zhuǎn)剛度差，那么可能在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。輕那么引起噪音，加速曲柄上齒輪等傳動(dòng)件的磨損；重那么使曲軸斷裂。所以，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證它有盡可能高的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。由于曲軸受力復(fù)雜，幾何斷面形狀比擬特殊，在設(shè)計(jì)時(shí)，至今還沒有一個(gè)能反映客觀實(shí)際的理論公式可供通用。因此，目前曲軸的設(shè)計(jì)主要是依靠經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)。曲軸的材料在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝正確合理的條件下，主要是材料強(qiáng)度決定著曲軸的體積、重量和壽命。因此，必須根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的用途及強(qiáng)化強(qiáng)度，正確的選用曲軸材料，在保證曲軸有足夠強(qiáng)度的前提下，盡可能采用一般材料。作為曲軸的材料，除了應(yīng)具有優(yōu)良的機(jī)械性能以外，還要求有高度的耐磨性，耐疲勞性和沖擊韌性。同時(shí)也要使曲軸的加工容易和造價(jià)低廉。本設(shè)計(jì)選用的材料：45鋼；材料密度：7850Kg/m；彈性模量：1.6e11N/m；強(qiáng)度應(yīng)力極限：=600Mpa；屈服應(yīng)力極限：=355Mpa；疲勞應(yīng)力強(qiáng)度：=355Mpa；強(qiáng)化處理：熱處理、滲碳處理。曲軸強(qiáng)化的方法提高曲軸的疲勞強(qiáng)度是設(shè)計(jì)人員必須努力解決的問題。為了提高曲軸的疲勞強(qiáng)度，可以采用一系列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)措施。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，可以采用以下措施：1〕提高曲柄銷和曲軸主軸頸的重迭度。2〕采用較大的圓角半徑可以使圓角彎曲形狀系數(shù)下降，從而提高彎曲強(qiáng)度。3〕軸頸上設(shè)計(jì)卸載槽使應(yīng)力分布更加均勻，而且沿軸頸和曲柄臂寬度的最大應(yīng)力較小，還可能使軸頸到曲柄臂過渡圓角的半徑增大。4〕曲柄銷的內(nèi)卸載孔相對(duì)其幾何軸線遠(yuǎn)離曲柄半徑中心呈偏心布置使圓角處的彎曲應(yīng)力降低，提高疲勞強(qiáng)度。5〕增大曲柄臂的厚度和寬度。除了設(shè)計(jì)措施外，工藝方面利用特殊的機(jī)械加工方法、熱處理或化學(xué)處理方法強(qiáng)化外表，以提高曲軸的疲勞強(qiáng)度。常用的外表強(qiáng)化工藝有以下幾種：1〕圓角高頻感應(yīng)淬火；2〕圓角滾壓；3〕氮化。2.2曲軸主要尺寸確實(shí)定和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)主要尺寸確實(shí)定主軸頸的直徑D1=60mm，寬度L1=26mm；主軸頸軸端的直徑D3=72mm，寬度L3=6mm；曲柄銷的直徑D2=45mm，寬度L2=26mm；曲柄銷軸端的直徑D4=57mm，寬度L4=6mm；形狀如圖2-2單節(jié)曲軸尺寸所示。圖2-2單節(jié)曲軸尺寸曲柄臂的寬度L=15mm，其形狀如圖2-3單節(jié)曲軸曲柄臂截面尺寸所示。曲柄臂的起模斜度為外模α=5°，內(nèi)模β=7°；各處的倒角均為R2。圖2-3單節(jié)曲軸曲柄臂截面尺寸曲軸兩端設(shè)計(jì)曲軸上帶動(dòng)輔助系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)鏈輪〔正時(shí)鏈輪〕一般裝在曲軸的前端，對(duì)多缸發(fā)動(dòng)機(jī)而言往往把傳動(dòng)齒輪裝在曲軸后端。消除扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的減振器無疑應(yīng)裝在曲軸前端，因?yàn)檫@里的振幅最大。驅(qū)動(dòng)齒輪裝在前端采用鍵連接。曲軸后端設(shè)有法蘭和加粗的軸頸，飛輪與后端用螺栓和定位銷連接。且定位銷的布置是不對(duì)稱的或只有一個(gè)。具體尺寸和形狀如圖1-4曲軸前端、1-5曲軸后端所示〔未畫出定位銷〕，未標(biāo)注的圓角均為R2。圖2-4曲軸前端圖2-5曲軸后端最終得到的曲軸總長(zhǎng)為l=532mm，如圖2-6曲軸零件實(shí)體圖所示。具體的標(biāo)注見曲軸零件圖。圖2-6曲軸零件實(shí)體圖第3章曲軸終鍛模設(shè)計(jì)熱模鍛壓力機(jī)是自動(dòng)化高效率生產(chǎn)模鍛件的模鍛設(shè)備，也是被廣泛應(yīng)用的模鍛設(shè)備。熱模鍛壓機(jī)是靠靜壓力使金屬變形，因此，熱模鍛壓機(jī)上的鍛模成型規(guī)律是：金屬沿水平方向流動(dòng)劇烈，向高度方向流動(dòng)緩慢。預(yù)鍛模膛設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是繪制熱鍛件圖和確定飛邊槽尺寸，以下是整個(gè)設(shè)計(jì)過程。3.1制定鍛件圖1.分模位置根據(jù)曲軸形狀，很易確定上下對(duì)稱的直線分模。2.公差和加工余量曲軸材料為球墨鑄鐵，即材質(zhì)系數(shù)為M2。形狀復(fù)雜系數(shù)3級(jí)復(fù)雜系數(shù)S3。由鍛造模具簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)表5.5查得：鍛件形狀復(fù)雜系數(shù),其中：M為鍛件品質(zhì)：15.7kg；M1為鍛件外廓包容體質(zhì)量；V為鍛件體積；V1為鍛件外廓包容體體積。由于0.16，故形狀復(fù)雜程度為S3。由鍛造模具簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)表5.18查得：長(zhǎng)度極限偏差值為5.0mm，寬度極限偏差值為3.6mm，高度極限偏差值為3.2mm。由鍛造模具簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)表5.27，曲軸零件的外表粗糙度Ra<1.6um,查得模鍛件內(nèi)外外表加工余量為：厚度方向?yàn)?.5～3.2mm，取3mm；水平方向?yàn)?.7～3.5mm，取3mm。3.模鍛斜度零件圖上的技術(shù)條件中已給出拔模斜度：外模斜度為5°，內(nèi)模斜度為7°。4.圓角半徑鍛件各局部的圓角半徑取為R2mm。5.技術(shù)條件(1)圖上未標(biāo)注的拔模斜度為外模斜度為5°，內(nèi)模斜度為7°；(2)圖上未標(biāo)注的圓角半徑2mm；(3)由鍛造模具簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)表5.18查得允許的錯(cuò)差公差為1.4mm；(4)由鍛造模具簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)表5.18查得允許的殘留飛邊公差為1.4mm；(5)允許的外表缺陷深度0.5mm；(6)鍛件熱處理：調(diào)質(zhì)；(7)鍛件外表清理：為了便于檢查淬火裂紋，系用酸洗。6.具體尺寸如圖3-1單節(jié)曲軸鍛件尺寸圖所示圖3-1單節(jié)曲軸鍛件尺寸圖最終的鍛件圖如圖3-2曲軸鍛件實(shí)體圖所示：圖3-2曲軸鍛件實(shí)體圖3.2計(jì)算鍛件的主要參數(shù)設(shè)備選定⑴工藝力計(jì)算P=KF(kN)式中K—鍛件單位面積變形力〔或稱金屬變形抗力系數(shù)〕,kN/cmF—鍛件投影面積，cm曲軸鍛件的投影面積F=136.4cm，K=120kN/cm所以，P=120×136.4kN=16368kN⑵選擇模鍛設(shè)備根據(jù)計(jì)算結(jié)果，取熱模鍛壓力機(jī)的規(guī)格為20000kN，即20MN。終鍛模膛設(shè)計(jì)⑴熱鍛件圖設(shè)計(jì)按照鍛件尺寸增加1.5%的收縮率繪制熱鍛件圖，如圖3-3曲軸熱鍛件圖所示：圖3-3曲軸熱鍛件圖⑵飛邊槽設(shè)計(jì)對(duì)形狀比擬復(fù)雜的鍛件，為了較好地充滿模膛而必須增大金屬外流的阻力時(shí)，橋口的寬度b應(yīng)比該表中的數(shù)據(jù)適當(dāng)增大。飛邊槽具體尺寸按鍛造模具簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)表8.6設(shè)備200000kN級(jí)選用，即：h=3mmb=10mmB=10mmL=40mmr1=1.5mmr2=2mm。⑶模塊結(jié)構(gòu)曲軸模膛深度較深，最深處為52.5mm。而曲軸模膛尺寸精度要求高，磨損到一定程度就必須更換，最后采用梯形模塊。長(zhǎng)度和寬度確實(shí)定模塊長(zhǎng)度和寬度尺寸主要根據(jù)以下因素確定：鍛件的最大長(zhǎng)度、寬度、模壁厚度、鎖扣尺寸、模塊的承壓面積，以及模膛四周的壁厚等。模壁厚度S可按以下確定S=〔1～1.5〕h≥40mm式中h為模膛最深處的深度。高度尺寸確實(shí)定模塊高度尺寸主要根據(jù)模塊底厚〔T〕、模膛深度以及模架閉合高度〔H〕等。S、T、H應(yīng)滿足如下條件：T≥(0.6～0.65)S2S≤(0.35～0.4)H。最終取模塊長(zhǎng)度為800mm，寬度500mm，高度200mm。模塊所承受的壓應(yīng)力應(yīng)滿足：P=F/A＜300MPa式中:F為設(shè)備的名義壓力〔kN〕；A為模塊底面的有效承壓面積〔mm〕曲軸模塊底面的有效承壓面積A=800×500mm=400000mm，F(xiàn)=20000kN，所以，模塊所承受的壓力為F=20000kN/400000mm=50MPa<300MPa,滿足條件。⑷頂桿頂桿位置頂桿設(shè)在飛邊槽上。頂桿結(jié)構(gòu)頂桿工作是必須有導(dǎo)向，主要由頂桿和頂桿孔的公差配合來解決。頂料裝置采用直接頂料裝置。3.3曲軸的實(shí)體建模曲軸的鍛件實(shí)體建模⑴草圖的繪制從“開始〞菜單進(jìn)入零件設(shè)計(jì)環(huán)境。選擇繪圖平面進(jìn)行草圖繪制。對(duì)圖形進(jìn)行尺寸約束，如圖3-4(a)、3-4(b)、3-4(c)：圖3-4(a)曲軸主軸頸尺寸圖3-4(b)曲軸曲柄臂尺寸圖3-4(c)曲軸連桿軸頸尺寸⑵建成立體模型從草圖設(shè)計(jì)環(huán)境返回零件設(shè)計(jì)環(huán)境。點(diǎn)擊“拉伸〞按鈕進(jìn)行拉伸。生成立體圖，如圖3-6單節(jié)曲軸鍛件實(shí)體圖：圖3-5單節(jié)曲軸鍛件實(shí)體圖經(jīng)過鏡像，陣列，圓角等方法得到曲軸的鍛件圖，如圖3-2所示。曲軸模塊實(shí)體建模⑴進(jìn)行草圖繪制，利用拉伸命令建立模塊外形，如圖3-6(a)所示。圖3-6(a)未加工模腔的模塊實(shí)體圖⑵進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到