曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝分析的開題報(bào)告

中北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告學(xué)生姓名：劉奪學(xué)號(hào)：0701024118學(xué)院、系：機(jī)電工程學(xué)院車輛和動(dòng)力工程系專業(yè)：熱能和動(dòng)力工程設(shè)計(jì)題目：396柴油機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)開題報(bào)告1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)狀況，依據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述：文獻(xiàn)綜述1.1本課題的目的及意義曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)外輸出動(dòng)力的核心部件，是驅(qū)動(dòng)車、船等運(yùn)輸工具的重要?jiǎng)恿?lái)源。曲軸的功用是把活塞、連桿傳來(lái)的氣體力轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩，用以驅(qū)動(dòng)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)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?xì)庾饔昧?、往?fù)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(jī)中承受沖擊載荷傳遞動(dòng)力的關(guān)鍵零件，也是內(nèi)燃機(jī)五大件（機(jī)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(dòng)機(jī)曲軸作為重要運(yùn)動(dòng)部件，同時(shí)因曲軸工況及其惡劣，因而對(duì)曲軸材料、曲軸尺寸精度、表面粗糙度、熱處理和表面強(qiáng)化、動(dòng)平衡等要求非常嚴(yán)格。其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量對(duì)曲軸的壽命和整機(jī)的牢靠性都有很大的影響。因此世界各國(guó)對(duì)曲軸的加工都非常重視，不斷地改進(jìn)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(jì)和生產(chǎn)需求，在長(zhǎng)時(shí)間、高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，曲軸極簡(jiǎn)潔過(guò)早出現(xiàn)失效或斷裂，嚴(yán)峻影響曲軸的壽命和整機(jī)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(jī)曲軸部分的結(jié)構(gòu)形態(tài)和主要尺寸對(duì)內(nèi)燃機(jī)曲軸的抗彎疲憊強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)剛度有重要影響，因而在內(nèi)燃機(jī)曲軸設(shè)計(jì)時(shí)，必需對(duì)內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題予以充分重視[6]。1.2國(guó)內(nèi)外探討現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)1.2.1曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.2.1.1曲軸的材料依據(jù)曲軸工作在發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)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(qiáng)度、疲憊強(qiáng)度、表面強(qiáng)度及耐磨性，芯部具有肯定的韌性。即具有很高的疲憊強(qiáng)度、耐磨性和高淬透性，且進(jìn)行強(qiáng)化處理時(shí)變形小，高溫下具有高的蠕變強(qiáng)度[4]。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高，對(duì)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(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(jìn)行各種熱處理和表面強(qiáng)化處理來(lái)提高曲軸的抗疲憊強(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)資料顯示，車用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸采納球墨鑄鐵材質(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)大批量采納。國(guó)內(nèi)采納球墨鑄鐵曲軸的趨勢(shì)則更加明顯，中小型功率柴油機(jī)曲軸85%以上采納球墨鑄鐵，而功率在160kW以上的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸多采納鍛鋼曲軸[5]。我國(guó)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(hào)，目前已能大批量生產(chǎn)QT800-6球鐵曲軸。但從整體水平來(lái)看，存在生產(chǎn)效率低，工藝裝備落后，毛坯機(jī)械性能不穩(wěn)定、精度低、廢品率高等問(wèn)題[7]。1.2.1.2曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在過(guò)去的幾十年中得到了飛速的發(fā)展。在曲軸的設(shè)計(jì)初期一般是依據(jù)已有的閱歷公式計(jì)算或者和已有的曲軸進(jìn)行類比設(shè)計(jì)，在進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)后造出曲軸樣品再進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。曲軸設(shè)計(jì)發(fā)展到今日已經(jīng)有了很大的發(fā)展。隨著內(nèi)燃機(jī)向高牢靠性、高緊湊性、高經(jīng)濟(jì)性的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的以閱歷、試湊、定性為主要設(shè)計(jì)內(nèi)容的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿意要求，而隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)及其零部件的設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)展到采納包括有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)等現(xiàn)代先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)在內(nèi)的計(jì)算機(jī)分析、預(yù)料和模擬階段。有限元法是最有效的數(shù)值計(jì)算方法之一，它使人們對(duì)零部件關(guān)鍵參數(shù)的理解和設(shè)計(jì)更進(jìn)了一步[8]。（1）在設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)曲軸時(shí)，應(yīng)依據(jù)內(nèi)燃機(jī)的工作條件，選擇不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。內(nèi)燃機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(rùn)滑油道曲軸主軸頸和曲柄銷一般采納壓力潤(rùn)滑。潤(rùn)滑油由主油道送到各主軸承，在經(jīng)曲軸內(nèi)潤(rùn)滑油道進(jìn)去連桿軸承。當(dāng)主軸承為滾動(dòng)軸承時(shí)，潤(rùn)滑可從假軸承進(jìn)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(shí)，主要考慮應(yīng)保證供油壓力和油孔對(duì)曲軸強(qiáng)度的影響程度。③確定曲軸平衡塊形式平衡塊用來(lái)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(lái)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(jìn)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(jìn)行曲軸設(shè)計(jì)時(shí)必需同時(shí)進(jìn)行。曲軸有整體式和組合式曲軸兩大類[10]。而摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)常采納組合式曲軸，這是因?yàn)槠浼庸ず?jiǎn)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(guò)液壓壓入的方法將其結(jié)合起來(lái)。本設(shè)計(jì)中采納滾動(dòng)軸承做主軸承。這是因?yàn)檫\(yùn)用它具有以下優(yōu)點(diǎn)：①可以采納隧道式曲軸，保證曲軸箱有較高的強(qiáng)度和剛度；②可以削減摩擦損失，提高機(jī)械效率，因而使燃料消耗下降；③發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)較為簡(jiǎn)潔，尤其在氣溫較低的時(shí)候；④采納滾動(dòng)軸承后，對(duì)主軸的潤(rùn)滑較易實(shí)現(xiàn)。1.2.2曲軸工藝分析1.2.2.1曲軸的機(jī)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(dòng)化程度相對(duì)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(jiǎn)潔產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，難以達(dá)到合理的加工余量。一般精加工采納曲軸磨床，通?？渴止げ僮鳎庸べ|(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(jià)格相對(duì)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(jià)格較高，刀具費(fèi)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(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)困難，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。（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(lái)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(dòng)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(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)限制技術(shù)，可以一次裝夾不變更曲軸回轉(zhuǎn)中心隨動(dòng)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(dòng)，具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特點(diǎn)；運(yùn)用SIEMENS840DCNC限制系統(tǒng)，設(shè)備操作說(shuō)明書在人機(jī)界面上，通過(guò)輸入零件的基本參數(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(yùn)用數(shù)控磨床，采納靜壓主軸、靜壓導(dǎo)軌、靜壓進(jìn)給絲杠(砂輪頭架)和線性光柵閉環(huán)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(yùn)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。如GF70M-T曲軸磨床是日本TOYADA公工機(jī)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(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)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(jìn)給絲杠(砂輪頭架)和線性光柵閉環(huán)限制，運(yùn)用TOYADA工機(jī)生產(chǎn)的GC50CNC限制系統(tǒng)，磨削軸頸圓度精度可達(dá)到0.002mm；采納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[5]。1.2.2.2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:（1）氮化處理。氮化能提高曲軸疲憊強(qiáng)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(qiáng)度20%~40%。（3）圓角和軸頸同時(shí)感應(yīng)淬火處理。該強(qiáng)化方式應(yīng)用于球鐵曲軸時(shí)，能提高疲憊強(qiáng)度20%，而應(yīng)用于鋼軸時(shí)，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(qiáng)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(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，球墨鑄鐵曲軸采納圓角該滾壓工藝和離子氮化工藝結(jié)合運(yùn)用，可使整個(gè)曲軸的抗疲憊強(qiáng)度提高130%以上[16]。參考文獻(xiàn)：[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(jì)民.汽車內(nèi)燃機(jī)原理.上海：同濟(jì)高校出版社，1996：120[3]李海國(guó)．國(guó)內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)曲軸制造技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)．制造技術(shù)和機(jī)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(guó)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(jī)曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法.農(nóng)機(jī)運(yùn)用修理，2008,（3）[7]王一治.國(guó)內(nèi)外曲軸制造工藝綜述.山東農(nóng)機(jī)，2001，（5）[8]徐兀.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì).人民交通出版社,1995：120～125[9]長(zhǎng)春汽車探討所.國(guó)外柴油機(jī)曲軸強(qiáng)度探討.北京：第一機(jī)械工業(yè)部科學(xué)技術(shù)情報(bào)探討所,1980[10]彭麗華.內(nèi)燃機(jī)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(jī)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(jì)探討.金屬加工，2006，（3）[16]，Y.T.Im.Developmentofacomputer-aided-designsystemofcoldforwardextrusionofaspurgear.JournalofMaterialsProcessingTechnology.2004:821~828設(shè)計(jì)開題報(bào)告２．本課題要探討或解決的問(wèn)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(wèn)題（1）分析396柴油機(jī)的工作條件，依據(jù)已知參數(shù)對(duì)396柴油機(jī)曲軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并校核其剛、強(qiáng)度；（2）分析曲軸加工的基本方法，完成所設(shè)計(jì)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(shí)曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)工作參數(shù)對(duì)曲軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)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(xiàng)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(jì)工作進(jìn)度安排查閱資料，編寫開題報(bào)告并完成開題報(bào)告答辯；依據(jù)396柴油機(jī)的工作條件，完成該曲軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核，并繪制396柴油機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙；對(duì)曲軸進(jìn)行工藝分析，編制396柴油機(jī)曲軸加工工藝卡片；畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書的撰寫及