曲轴连杆颈加工工艺与夹具设计
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发布者：lunwenchina
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时间：2020年4月13日 16:31
高 宇 1 潘 洋 2
（沈阳机床成套设备有限责任公司 辽宁 沈阳 110142 ）摘 要：曲轴是影响柴油机质量的重要部件之一，因为曲轴是传递动力承受载荷的主要部件；曲轴的连杆颈在曲轴运转时承受了交变冲击载荷与循环力矩的作用，因此连杆颈极易产生表面破损。曲轴连杆颈主要利用飞刀盘机床进行加工，但是传统工艺加工效率低，我们需要对连杆颈的偏心结构进行工艺与夹具设计以提高生产效率与加工质量。
关键词：曲轴；连杆颈；夹具设计
1.工艺规程
（ 1 ）材料分析
铁轴一般采用 QT500 、 QT700 、 QT900 等材料进行铸造，钢轴一般采用 35CrMo 、 42CrMo 、 50CrMo 等材料进行锻造加工。锻钢曲轴含有较多的 Mn 、 Cr 、 Ni 、 V ，因此锻钢曲轴的耐磨性与耐腐蚀性高于铸铁曲轴。我们在对 240H 曲轴的改进设计过程中，采用 50Cr-Mo4+Ni+V 材质进行加工，经过强度计算分析可知，满足设计强度要求。
（ 2 ）结构分析
曲轴是轴类件，由主轴颈、连杆颈、曲柄臂、前端、后端等组成，如图 1.1 所示。
图 1.1 240H 型锻钢曲轴结构图
从上图曲轴结构图中可以看出，曲轴的加工难度较大，主要包含下列几个方面：
a 、曲轴的连杆颈、主轴颈与曲柄臂形成了“弓”字，主轴颈与连杆颈轴线的平行间距就是曲轴的偏心距，因此设计合理的连杆颈的偏心夹具满足不同相位角度时连杆颈轴线与机床轴线相重合。
b 、曲轴长度长，重量大，而且是偏心结构，所以在加工时会产生动不平衡的影响，因此设计合适的辅助支撑装置就很有必要了。
c 、结构整体刚性差。 240H 曲轴的长度是 3019mm ，重量大于 2吨，而且是偏心拐结构，所以刚性较差。其自身切削应力及残余内应力都会使曲轴产生弯曲变形。
（ 3 ）工艺流程设计
a 、两次热时效工序，保证有效的释放曲轴内应力，控制变形量，减少废品率。
b 、将连杆颈移到普通双头轴颈车床加工，分散工序，提高效率和质量。
c 、输出端的 14 个法兰孔精度要求特别高，所以将法兰盘孔加工转移到五面体加工中心。
d 、根据渗氮处理与中频感应淬火工艺的不同，对两种工艺的工序与加工余量进行调整，然后根据轴径强化方式进行对比来确定最终工艺路线与参数。
e 、根据曲轴的切削性能将工艺参数及刀具进行优化。
2.表面强化
（ 1 ）曲轴连杆机构的运动
图 2.1 曲轴连杆机构运动原理
曲轴连杆机构就是曲轴与连杆组成的机构，在柴油机工作时，将燃油的燃爆力转化成回转力并输出动力。 如图 2.1 所示，活塞在气体作用力下带动连杆推动曲轴转动，当 β 按照 0-180 ° 变化两个周期时，曲轴的瞬时转动角度按 0-360 ° 旋转一个周期。
（ 2 ）耐磨性试验
a 、试验原理，用专用的环形试验块与盘形试验块在试验机上模拟轴颈与轴瓦间的摩擦副，通过对润滑液中磨损粒子的光谱分析得出对比数据。
b 、试样设计，用 50CrMo4+Ni+V 材质做 12 个环形试块，进行渗氮处理；用 45 号钢上浇筑注一层镍钨合金制造 6 个盘形试块。
c 、设定试验机参数，设定试验机环形试块转速 240r/min ，载荷为 120N ，选用 CD60 润滑油，每次加载运行 15 分钟。
d 、实验数据分析计算：采集油样光谱分析得出图 2.2 。
图 2.2 耐磨性实验数据对比
通过计算得出：感应淬火试块 1～6 铬元素质量分数平均值是4.4 ；渗氮处理 7～12 试块是 5.2 ；感应淬火试块 1～6 钼是 3.5 ；渗氮处理 7～12 试块钼是 4.1 。因此，感应淬火试块的磨损粒子要少于渗氮处理，而且渗氮处理的硬化层厚度只有 0.4mm ，工件也极易磨损。
3.偏心夹具设计
（ 1 ）连杆偏心左夹具原理
a 、偏心结构调整，通过人工旋转丝杠螺母带动偏心盘实现导轨上下移动进而对偏心结构进行调整。
b 、相位角度调整，通过调整左夹具的回转盘来实现。
c 、曲轴装夹机构原理，上下瓦盖装夹的方式，左右两侧机构相同。为了避免加工时曲轴轴径的磨损，在装夹机构的上下瓦盖中镶嵌轴瓦内套，选用硬度较低的铜，磨损时可以及时更换。
（ 2 ）连杆偏心右夹具原理
右侧装夹装置与左侧相同，只是右侧装夹没有回转盘装置，不能调整曲轴连杆颈相位角。
结论
本论文通过对柴油机曲轴 240H 的技工工艺进行研究后，设计出了相对合理的加工工艺规程与连杆偏心夹具。随着中速柴油机的广泛应用，对曲轴连杆机构的研究也变得更加重要。目前我们设计研究的首要问题是提高柴油机部件的强度、表面耐磨性、耐疲劳性、抗冲击韧性等性能指标。通过对传统的球墨铸铁曲轴的改进，研制了锻钢曲轴，这对于曲轴的制造工艺有着重大的意义，由于专业知识与事件有限，期待曲轴的更深入研究。 ■
参考文献
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