曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝分析的開題報告

中北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計開題報告學(xué)生姓名：劉奪學(xué)號：0701024118學(xué)院、系：機電工程學(xué)院車輛和動力工程系專業(yè)：熱能和動力工程設(shè)計題目：396柴油機曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝分析指導(dǎo)老師張艷崗2011年3月7日

畢業(yè)設(shè)計開題報告1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計狀況，依據(jù)所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述：文獻綜述1.1本課題的目的及意義曲軸是發(fā)動機對外輸出動力的核心部件，是驅(qū)動車、船等運輸工具的重要動力來源。曲軸的功用是把活塞、連桿傳來的氣體力轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩，用以驅(qū)動汽車的傳動系統(tǒng)和發(fā)動機的配氣機構(gòu)以及其他協(xié)助裝置[1]。曲軸的工作狀況是極其困難的，它是在周期變更的燃氣作用力、往復(fù)運動和旋轉(zhuǎn)運動慣性力及它們的力矩作用下工作的，因此承受著扭轉(zhuǎn)和彎曲的困難應(yīng)力。曲軸是內(nèi)燃機中承受沖擊載荷傳遞動力的關(guān)鍵零件，也是內(nèi)燃機五大件（機體、缸蓋、曲軸、凸輪軸、連桿）中最難以保證加工質(zhì)量的零件[2]，發(fā)動機曲軸作為重要運動部件，同時因曲軸工況及其惡劣，因而對曲軸材料、曲軸尺寸精度、表面粗糙度、熱處理和表面強化、動平衡等要求非常嚴(yán)格。其中任何一個環(huán)節(jié)的質(zhì)量對曲軸的壽命和整機的牢靠性都有很大的影響。因此世界各國對曲軸的加工都非常重視，不斷地改進曲軸加工工藝，最大可能地提高曲軸壽命[3]。在大批量生產(chǎn)的條件下，傳統(tǒng)工藝已不能滿意當(dāng)前設(shè)計和生產(chǎn)需求，在長時間、高速運轉(zhuǎn)下，曲軸極簡潔過早出現(xiàn)失效或斷裂，嚴(yán)峻影響曲軸的壽命和整機牢靠性[4]。曲軸的主要失效形式是軸頸磨損和疲憊斷裂[5]，內(nèi)燃機曲軸部分的結(jié)構(gòu)形態(tài)和主要尺寸對內(nèi)燃機曲軸的抗彎疲憊強度和扭轉(zhuǎn)剛度有重要影響，因而在內(nèi)燃機曲軸設(shè)計時，必需對內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)強度問題予以充分重視[6]。1.2國內(nèi)外探討現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.2.1曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計1.2.1.1曲軸的材料依據(jù)曲軸工作在發(fā)動機過程中承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、拉壓等交變應(yīng)力，要求具有較高的抗拉強度、疲憊強度、表面強度及耐磨性，芯部具有肯定的韌性。即具有很高的疲憊強度、耐磨性和高淬透性，且進行強化處理時變形小，高溫下具有高的蠕變強度[4]。隨著發(fā)動機性能的提高，對曲軸的原材料及加工工藝提出新的要求，現(xiàn)代車用發(fā)動機曲軸材質(zhì)主要有球墨鑄鐵和鋼兩類。由于球墨鑄鐵曲軸成本只有調(diào)質(zhì)鋼曲軸成本1/3左右,且球墨鑄鐵的切削性能良好，可獲得較志向的結(jié)構(gòu)形態(tài)，并且和鋼質(zhì)曲軸一樣可以進行各種熱處理和表面強化處理來提高曲軸的抗疲憊強度、硬度和耐磨性。所以球墨鑄鐵曲軸在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計資料顯示，車用發(fā)動機曲軸采納球墨鑄鐵材質(zhì)的比例在美國為90%,英國為85%，日本為60%，此外，德國、比利時等國家也已經(jīng)大批量采納。國內(nèi)采納球墨鑄鐵曲軸的趨勢則更加明顯，中小型功率柴油機曲軸85%以上采納球墨鑄鐵，而功率在160kW以上的發(fā)動機曲軸多采納鍛鋼曲軸[5]。我國球鐵曲軸的生產(chǎn)繼QT600-2、QT700-2之后，現(xiàn)已能穩(wěn)定地生產(chǎn)QT800–2、QT900-2等幾種牌號，目前已能大批量生產(chǎn)QT800-6球鐵曲軸。但從整體水平來看，存在生產(chǎn)效率低，工藝裝備落后，毛坯機械性能不穩(wěn)定、精度低、廢品率高等問題[7]。1.2.1.2曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計在過去的幾十年中得到了飛速的發(fā)展。在曲軸的設(shè)計初期一般是依據(jù)已有的閱歷公式計算或者和已有的曲軸進行類比設(shè)計，在進行了初步的設(shè)計后造出曲軸樣品再進行試驗，通過試驗數(shù)據(jù)進行適當(dāng)?shù)母倪M。曲軸設(shè)計發(fā)展到今日已經(jīng)有了很大的發(fā)展。隨著內(nèi)燃機向高牢靠性、高緊湊性、高經(jīng)濟性的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的以閱歷、試湊、定性為主要設(shè)計內(nèi)容的設(shè)計方法已經(jīng)不能滿意要求，而隨著電子計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，內(nèi)燃機及其零部件的設(shè)計已經(jīng)發(fā)展到采納包括有限元法、優(yōu)化設(shè)計、動態(tài)設(shè)計等現(xiàn)代先進設(shè)計技術(shù)在內(nèi)的計算機分析、預(yù)料和模擬階段。有限元法是最有效的數(shù)值計算方法之一，它使人們對零部件關(guān)鍵參數(shù)的理解和設(shè)計更進了一步[8]。（1）在設(shè)計內(nèi)燃機曲軸時，應(yīng)依據(jù)內(nèi)燃機的工作條件，選擇不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。內(nèi)燃機曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計方法大致如下：①選擇確定結(jié)構(gòu)形式：整體鍛造曲軸、整體鑄造曲軸、組合曲軸。②確定潤滑油道曲軸主軸頸和曲柄銷一般采納壓力潤滑。潤滑油由主油道送到各主軸承，在經(jīng)曲軸內(nèi)潤滑油道進去連桿軸承。當(dāng)主軸承為滾動軸承時，潤滑可從假軸承進入曲軸內(nèi)腔，再安排到各有關(guān)軸承。在確定主軸承和曲柄銷上的油孔位置時，主要考慮應(yīng)保證供油壓力和油孔對曲軸強度的影響程度。③確定曲軸平衡塊形式平衡塊用來平衡曲軸的不平衡慣性力和力矩，減輕主軸承載荷以及減小曲軸和曲軸箱所受的內(nèi)力矩。但曲軸配置平衡塊后重量增加，將使曲軸系統(tǒng)的扭振效率有所降低。因此應(yīng)依據(jù)曲軸結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速、曲柄排列等因素來配置平衡塊和平衡精度要求。平衡塊可和曲軸制成一體，也可和曲軸分開制造后再進行裝配[9]。（2）曲軸結(jié)構(gòu)形式的選擇曲軸結(jié)構(gòu)形式和其制造方法有干脆關(guān)系，在進行曲軸設(shè)計時必需同時進行。曲軸有整體式和組合式曲軸兩大類[10]。而摩托車發(fā)動機常采納組合式曲軸，這是因為其加工簡潔，不須要大規(guī)模鍛模具設(shè)備，它由曲軸左半部、曲軸右半部及曲軸銷組成。通過液壓壓入的方法將其結(jié)合起來。本設(shè)計中采納滾動軸承做主軸承。這是因為運用它具有以下優(yōu)點：①可以采納隧道式曲軸，保證曲軸箱有較高的強度和剛度；②可以削減摩擦損失，提高機械效率，因而使燃料消耗下降；③發(fā)動機啟動較為簡潔，尤其在氣溫較低的時候；④采納滾動軸承后，對主軸的潤滑較易實現(xiàn)。1.2.2曲軸工藝分析1.2.2.1曲軸的機械加工技術(shù)曲軸主軸頸的粗加工、半精加工工藝和精加工工藝，大體分為以下幾種：（1）傳統(tǒng)的曲軸主軸頸的多刀車削工藝。生產(chǎn)效率和自動化程度相對較低。粗加工設(shè)備多采納多刀車床車削曲軸主軸頸，工序的質(zhì)量穩(wěn)定性差，簡潔產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，難以達到合理的加工余量。一般精加工采納曲軸磨床，通?？渴止げ僮?，加工質(zhì)量不穩(wěn)定，尺寸的一樣性差。（2）數(shù)控車削工藝。數(shù)控車削設(shè)備價格相對便宜，不須要困難的刀具，但只適合小批量生產(chǎn)。（3）數(shù)控內(nèi)銑銑削工藝。內(nèi)銑設(shè)備價格較高，刀具費用也很高，但適合大批量生產(chǎn)。（4）數(shù)控車—拉、數(shù)控車—車?yán)に?。其突出?yōu)點是可對寬軸徑進行分層加工，切削效率高，加工質(zhì)量好，但車?yán)毒呓Y(jié)構(gòu)困難，技術(shù)含量高，并且長期依靠進口，好處是可集車—車?yán)に嚰庸みB桿軸頸要兩道工序于一起。（5）CNC高速外銑工藝。數(shù)控高速外銑是20世紀(jì)90年頭新興起來的一種新型加工工藝，其應(yīng)用范圍廣，特殊雙刀盤數(shù)控高速外銑以其加工效率高、加工質(zhì)量穩(wěn)定、自動化水平高，已成為當(dāng)前是曲軸主軸頸粗加工的發(fā)展方向[11]。就比較而言,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350m/min)、切削時間較短、工序循環(huán)時間較短、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BOEHRINGER公司專為汽車發(fā)動機曲軸設(shè)計制造的柔性的高速隨動數(shù)控外銑床VDF315OM-4型，該設(shè)備應(yīng)用工件回轉(zhuǎn)和銑刀進給伺服連動限制技術(shù)，可以一次裝夾不變更曲軸回轉(zhuǎn)中心隨動跟蹤銑削曲軸的軸頸。其采納一體化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)床身，工件兩端電子同步旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特點；運用SIEMENS840DCNC限制系統(tǒng)，設(shè)備操作說明書在人機界面上，通過輸入零件的基本參數(shù)即可自動生成加工程序，可以加工長度450～700mm、回轉(zhuǎn)直徑380mm以內(nèi)的各種曲軸軸頸直徑誤差僅為±0.02mm[12]。（6）數(shù)控曲軸磨削工藝。精加工運用數(shù)控磨床，采納靜壓主軸、靜壓導(dǎo)軌、靜壓進給絲杠(砂輪頭架)和線性光柵閉環(huán)限制等限制裝置，使各尺寸公差及形位公差得到牢靠的保證，精加工還廣泛運用數(shù)控砂帶拋光機進行超精加工，經(jīng)超精加工后的曲軸軸頸表面粗糙度至少提高一級精度。如GF70M-T曲軸磨床是日本TOYADA公工機開發(fā)生產(chǎn)的專用曲軸磨床，是為了滿意多品種、低成本、高精度、大批量生產(chǎn)須要而設(shè)計的數(shù)控曲軸磨床。該磨床應(yīng)用工件回轉(zhuǎn)和砂輪進給伺服聯(lián)動限制技術(shù)，可以一次裝夾而不變更曲軸回轉(zhuǎn)中心即可完成全部軸頸的磨削；采納靜壓主軸、靜壓導(dǎo)軌、靜壓進給絲杠(砂輪頭架)和線性光柵閉環(huán)限制，運用TOYADA工機生產(chǎn)的GC50CNC限制系統(tǒng)，磨削軸頸圓度精度可達到0.002mm；采納CBN砂輪，磨削線速度高達120m/s，配雙砂輪頭架，磨削效率極高[5]。1.2.2.2曲軸的強化工藝技術(shù)目前國內(nèi)外曲軸常見的強化工藝大致有如下幾種:（1）氮化處理。氮化能提高曲軸疲憊強度的20%~60%[13]。（2）噴丸處理。曲軸經(jīng)噴丸處理后能提高疲憊強度20%~40%。（3）圓角和軸頸同時感應(yīng)淬火處理。該強化方式應(yīng)用于球鐵曲軸時，能提高疲憊強度20%，而應(yīng)用于鋼軸時，則能提高l00%以上[14]。（4）圓角滾壓處理。球鐵曲軸經(jīng)圓角該壓后壽命可提高120%~300%，鋼軸經(jīng)圓角液壓后壽命可提高70%~150%。曲軸圓角滾壓強化工藝主要包括曲軸圓角滾壓和曲軸滾壓校正兩部分[15]。（5）復(fù)合強化處理。它是指應(yīng)用多種強化工藝對曲軸進行強化處理，球墨鑄鐵曲軸采納圓角該滾壓工藝和離子氮化工藝結(jié)合運用，可使整個曲軸的抗疲憊強度提高130%以上[16]。參考文獻：[1]陳家瑞．汽車構(gòu)造．第五版．北京：人民交通出版社，2008：55[2]倪計民.汽車內(nèi)燃機原理.上海：同濟高校出版社，1996：120[3]李海國．國內(nèi)外內(nèi)燃機曲軸制造技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢．制造技術(shù)和機床，2003,8[4]楊厚忠．曲軸工藝發(fā)展及探討．汽車和配件，2010,（10）[5]姜洪宇，黃春元．國內(nèi)外曲軸加工技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展.黑龍江科技信息，2008，（3）[6]邵立新，段立霞.內(nèi)燃機曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法.農(nóng)機運用修理，2008,（3）[7]王一治.國內(nèi)外曲軸制造工藝綜述.山東農(nóng)機，2001，（5）[8]徐兀.汽車發(fā)動機現(xiàn)代設(shè)計.人民交通出版社,1995：120～125[9]長春汽車探討所.國外柴油機曲軸強度探討.北京：第一機械工業(yè)部科學(xué)技術(shù)情報探討所,1980[10]彭麗華.內(nèi)燃機曲軸制造技術(shù)新論.精密成形工程.2004，（2）[11]ZhangMei.Researchonanewremeshingmethodforthe3DFEMsimuluationofbladeforging.JournalofMaterialsProcessingTechnology.1999,94：231～234[12].TheComputer-AidedDesignofModularFixturingSystems.TheInternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology.2001,(2):75~88[13]彭麗華.內(nèi)燃機曲軸制造技術(shù)新論.精密成形工程.2004，（2）[14]韓愛禮．曲軸銑削加工工藝現(xiàn)狀及設(shè)備．加工技術(shù)，1999，（5）[15]侯德政，彭再思．雪佛萊350系列曲軸鍛造工藝設(shè)計探討.金屬加工，2006，（3）[16]，Y.T.Im.Developmentofacomputer-aided-designsystemofcoldforwardextrusionofaspurgear.JournalofMaterialsProcessingTechnology.2004:821~828設(shè)計開題報告２．本課題要探討或解決的問題和擬采納的探討手段（途徑）：2.1本課題要探討或解決的問題（1）分析396柴油機的工作條件，依據(jù)已知參數(shù)對396柴油機曲軸進行結(jié)構(gòu)設(shè)計并校核其剛、強度；（2）分析曲軸加工的基本方法，完成所設(shè)計曲軸的加工工藝分析，并制定加工工藝卡片。2.2擬采納的探討手段（1）查閱原始資料，熟識曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法及曲軸工藝技術(shù)。（2)依據(jù)曲軸的工作條件和396柴油機工作參數(shù)對曲軸進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度校核。（3）利用曲軸材料和工況分析曲軸的加工工藝。（4)依據(jù)分析的各項數(shù)據(jù)繪制二維工程圖紙并制作工藝卡片。2.3畢業(yè)設(shè)計工作進度安排查閱資料，編寫開題報告并完成開題報告答辯；依據(jù)396柴油機的工作條件，完成該曲軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計及校核，并繪制396柴油機曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙；對曲軸進行工藝分析，編制396柴油機曲軸加工工藝卡片；畢業(yè)設(shè)計說明書的撰寫及