汽車發(fā)動機曲軸終鍛模的設(shè)計及仿真_畢業(yè)設(shè)計論文

西安廣播電視大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文題目汽車發(fā)動機曲軸終鍛模的設(shè)計及仿真專業(yè)11春機械制造及其自動化時間2013年05月摘要在科技突飛猛進的21世紀(jì)，越來越多的先進制造方法應(yīng)用于傳統(tǒng)加工工藝中，為機械領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的方向。本文主要闡述了鍛造模具的數(shù)控加工及其發(fā)展趨勢，并簡單介紹了鍛造的生產(chǎn)過程以及發(fā)展方向。本文重點介紹了汽車發(fā)動機曲軸終鍛模具的設(shè)計制造方法，以及各種軟件在曲軸終鍛模具設(shè)計和加工中的應(yīng)用。首先利用CATIA軟件對曲軸零件、鍛件、鍛造模塊等進行實體建模，然后利用UG軟件對模具型腔進行數(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。而對曲軸模腔的實體建模過程以及模腔的數(shù)控加工仿真過程做出的重點敘述，說明了CAD/CAM在現(xiàn)代制造業(yè)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞發(fā)動機曲軸終鍛模數(shù)控加工仿真ABSTRACTINTHE21STCENTURYOFTHETECHNOLOGICALADVANCES,MOREANDMOREADVANCEDMANUFACTURINGMETHODSUSEDINTRADITIONALPROCESSINGTECHNOLOGYFORTHEDEVELOPMENTOFMACHINERYPROVIDESANEWDIRECTIONTHISARTICLEFOCUSESONTHEFORGINGDIEMACHININGANDTRENDS,ANDBRIEFLYDESCRIBESTHEFORGINGOFTHEPRODUCTIONPROCESSANDDEVELOPMENTTHISARTICLEFOCUSESONTHEAUTOMOBILEENGINECRANKSHAFTFORGINGDIEDESIGNANDMANUFACTUREOFTHEFINALAPPROACH,ANDAVARIETYOFSOFTWAREENDOFTHECRANKSHAFTFORGINGDIEDESIGNANDPROCESSINGOFTHEAPPLICATIONFIRSTLY,FORGINGANDCATIASOFTWAREMODELINGMODULE,ANDTHENTHEMOLDCAVITYUSINGUGSOFTWAREFORNCMACHININGSIMULATION,THELASTINTHEAUTOCADSOFTWARETOGENERATETWODIMENSIONALPARTSANDASSEMBLYDRAWINGSANDSOONWHILETHECRANKSHAFTBORECAVITYMOLDANDMOLDTHEPHYSICALMODELINGSIMULATIONPROCESSCHAMBERPROCESSINGTIMEANDSPACETOMAKETHEFOCUSOFNARRATION,DESCRIPTIONOFTHECAD/CAMAPPLICATIONINMODERNMANUFACTURINGKEYWORDSENGINECRANKSHAFTFINISHFORGINGDIENCMACHININGSIMULATION目錄摘要IABSTRACTII目錄I第1章緒論111概述112國內(nèi)外曲軸加工技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展1121國內(nèi)外曲軸加工技術(shù)的現(xiàn)狀1122國內(nèi)外曲軸加工技術(shù)展望313本課題研究的目的意義4第2章曲軸設(shè)計521曲軸的工作條件和材料的選擇5211曲軸的工作條件和設(shè)計要求5212曲軸的材料6213曲軸強化的方法622曲軸主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計6221主要尺寸的確定7122曲軸兩端設(shè)計8第3章曲軸終鍛模設(shè)計1031制定鍛件圖1032計算鍛件的主要參數(shù)11321設(shè)備選定11322終鍛模膛設(shè)計1233曲軸的實體建模13331曲軸的鍛件實體建模13332曲軸模塊實體建模1534模具裝配所需的其它零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和實體建模15341上模架15342下模架17343墊板18344前壓板19345后擋板20346導(dǎo)向裝置20347頂桿2335實體建模裝配24第4章曲軸模膛數(shù)控加工仿真2541終鍛模模膛數(shù)控加工2542生成G代碼及刀具路徑后處理28結(jié)論32參考文獻33致謝34第1章緒論11概述曲軸，引擎的主要旋轉(zhuǎn)機件，裝上連桿后，可承接連桿的上下往復(fù)運動變成循環(huán)旋轉(zhuǎn)運動。它是發(fā)動機上的一個重要的機件，其材料是由碳素結(jié)構(gòu)鋼或球墨鑄鐵制成的，有兩個重要部位主軸頸，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，是一個典型的曲柄滑塊機構(gòu)。曲軸的潤滑主要是指與搖臂間軸瓦的潤滑和兩頭固定點的潤滑。曲軸的旋轉(zhuǎn)是發(fā)動機的動力源，也是整個機械系統(tǒng)的源動力。12國內(nèi)外曲軸加工技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展摘要曲軸是內(nèi)燃機發(fā)動機中的關(guān)鍵零件之一，其是內(nèi)燃機中最難加工的工件之一。介紹了國內(nèi)外的曲軸在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)中的強化工藝和機械加工技術(shù)現(xiàn)狀，先進的生產(chǎn)設(shè)備，并對未來制造技術(shù)的發(fā)展提出了展望。關(guān)鍵詞曲軸、加工技術(shù)、強化工藝、機械加工。引言曲軸是內(nèi)燃發(fā)動機中的關(guān)鍵零件之一，也是內(nèi)燃機中最難加工的工件之一。曲軸在發(fā)動機中是將活塞連桿的往復(fù)運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動，其在工作過程中會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。所以對曲軸的抗拉強度、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，因此對曲軸在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)強化工藝技術(shù)和機械加工技術(shù)同樣都有著更高的要求。121國內(nèi)外曲軸加工技術(shù)的現(xiàn)狀目前車用發(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)曲軸一樣可以進行各種熱處理和表面強化處理來提高曲軸的抗疲勞強度、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)計數(shù)據(jù)顯示，車用發(fā)動機曲軸采用球墨鑄鐵材質(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)大批量采用。國內(nèi)采用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以上采用球墨鑄鐵，而功率在160KW以上的發(fā)動機曲軸多采用鍛鋼曲軸。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氮化處理。氮化能提高曲軸疲勞強度的2060。噴丸處理。曲軸經(jīng)噴丸處理后能提高疲勞強度2040。圓角與軸頸同時感應(yīng)淬火處理。該強化方式應(yīng)用于球墨鑄鐵曲軸時，能提高疲勞強度20，而應(yīng)用于碳素結(jié)構(gòu)鋼曲軸時，則能提高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120300，碳素結(jié)構(gòu)鋼曲軸經(jīng)圓角液壓后壽命可提高70150。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。在滾壓過程中，由伺服傳動系統(tǒng)控制曲軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)角度，同時由液壓伺服控制系統(tǒng)控制液壓過程的壓力負載，使每個主軸頸和連桿頸依次完成整個滾壓過程。對彎曲曲軸的校直處理首先要檢測曲軸的彎曲變形數(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各主軸頸處的擺差，繼而由專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對擺差數(shù)據(jù)進行分析處理并給出校直方案，即給出在某幾個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。國外應(yīng)用的圓角滾壓技術(shù)已相當(dāng)先進，可一次完成對所有圓角的滾壓，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)濟地達到最佳的滾壓效果，最大限度地提高曲軸的抗疲勞強度。經(jīng)德國赫根塞特（HEGENSCHEID）公司定，球膜鑄鐵曲軸經(jīng)滾壓后壽命可增至100280。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，球墨鑄鐵曲軸采用圓角該滾壓工藝與離子氮化工藝結(jié)合使用，可使整個曲軸的抗疲勞強度提高130以上。曲軸的機械加工技術(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)效率和自動化程度相對較低。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，難以達到合理的加工余量。一般精加工采用曲軸磨床，通常靠手工操作，加工質(zhì)量不穩(wěn)定，尺寸的一致性差。老式生產(chǎn)線的主要特點是普通設(shè)備多，導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)周期長、場地占用面積大，且完全是靠多臺設(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)備價格相對便宜，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)備價格較高，刀具費用也很高，但適合大批量生產(chǎn)。數(shù)控車?yán)?、?shù)控車車?yán)に嚒Ｆ渫怀鰞?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)復(fù)雜，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。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發(fā)展方向。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VDF315OM4型，該設(shè)備應(yīng)用工件回轉(zhuǎn)和銑刀進給伺服連動控制技術(shù)，可以一次裝夾不改變曲軸回轉(zhuǎn)中心隨動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，具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特點；使用SIEMENS840DCNC控制系統(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450700MM、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002MM。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GF70MT曲軸磨床是日本TOYADA工機開發(fā)生產(chǎn)的專用曲軸磨床，是為了滿足多品種、低成本、高精度、大批量生產(chǎn)需要而設(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，包括隨動跟蹤磨削連桿軸頸；采用靜壓主軸、靜壓導(dǎo)軌、靜壓進給絲杠（砂輪頭架）和線性光柵死循環(huán)控制，使用TOYADA工機生產(chǎn)的GC50CNC控制系統(tǒng)，磨削軸頸圓度精度可達到0002MM；采用CBN砂輪，磨削線速度高達120M/S，配雙砂輪頭架，磨削效率極高。122國內(nèi)外曲軸加工技術(shù)展望美國、德國、日本等汽車工業(yè)發(fā)達國家都致力于開發(fā)綠色環(huán)保、高性能發(fā)動機，目前各個廠家采用發(fā)動機增壓、擴缸及提高轉(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，發(fā)動機正向著增壓、增壓中冷、大功率、高可靠性、低排放方向發(fā)展。曲軸作為發(fā)動機的心臟，正面臨著安全性和可靠性的嚴(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，市場對曲軸材質(zhì)以及毛坯加工技術(shù)、精度、表面粗糙度、熱處理和表面強化、動平衡等要求都十分嚴(yán)格。如果其中任何一個環(huán)節(jié)質(zhì)量沒有得到保證，則可嚴(yán)重影響曲軸的使用壽命和整機的可靠性。世界汽車工業(yè)發(fā)達國家對曲軸的加工十分重視，并不斷改進曲軸加工工藝。隨著WTO的加入，國內(nèi)曲軸生產(chǎn)廠家已經(jīng)意識到形勢的緊迫性，引進了為數(shù)不少的先進設(shè)備和技術(shù)，以期提高產(chǎn)品的整體競爭力，使得曲軸的制造技術(shù)水準(zhǔn)有了大幅提高，特別是近5年來發(fā)展更為迅猛。目前國內(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，F(xiàn)TL未來發(fā)展是敏捷柔性生產(chǎn)線AFTL（AGILEFLEXIBLETRANSFERLINE）。其主要目的是滿足市場變化的需求。不但滿足當(dāng)前產(chǎn)品的要求，還應(yīng)考慮未來市場需求。滿足生產(chǎn)方式的需求。能滿足現(xiàn)代發(fā)動機“多品種、大中批量、高效率、低成本”的生產(chǎn)需求。符合“精益生產(chǎn)”的原則。杜絕浪費，用最少投資、最大回報謀取利潤。由于發(fā)動機曲軸自身結(jié)構(gòu)的特殊性，曲軸AFTL應(yīng)具備以下特點由高速加工中心和高效專用機床（含少量組合機床）組成。按工藝流程排列機床并由自動輸送裝置連接，采用柔性夾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，亦能滿足大批量生產(chǎn)的需要。13本課題研究的目的意義發(fā)動機曲軸的加工質(zhì)量對發(fā)動機的功效尤為重要，曲軸是發(fā)動機中承受沖擊載荷、傳遞動力的重要零件，是發(fā)動機的心臟，它需要承受活塞通過連桿傳來的力，將活塞的往復(fù)運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動，并將這一旋轉(zhuǎn)運動傳遞給其它部分，其工作是的受力情況非常復(fù)雜，在發(fā)動機各個部件中最難以保證加工質(zhì)量。由于曲軸工作條件惡劣，因此對曲軸材質(zhì)以及毛坯加工技術(shù)、精度、表面粗糙度、熱處理和表面強化、動平衡等要求都十分嚴(yán)格。如果其中任何一個環(huán)節(jié)質(zhì)量沒有得到保證，則可嚴(yán)重影響曲軸的使用壽命和整機的可靠性。鍛造作為金屬加工的主要方法和手段之一。在國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的地位，是裝備制造業(yè)，特別是機械、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)的大發(fā)展，為我國的鍛造業(yè)營造了非常好的機會，近幾年在設(shè)備制造技術(shù)和加工技術(shù)上都有了很大的進展，行業(yè)的競爭力得到提升，某些方面的技術(shù)水準(zhǔn)已進入世界先進行列。鍛造的目的是使坯料成形及控制其內(nèi)部組織性能達到所需幾何形狀、尺寸以及質(zhì)量的鍛件。曲軸經(jīng)過鍛造，質(zhì)量大大提高，使用壽命和整機的可靠性也大大提升。作為發(fā)動機的心臟曲軸，可以使發(fā)動機的功效盡可能發(fā)揮到最好。第2章曲軸設(shè)計曲軸是發(fā)動機中最重要的機件之一。它的尺寸參數(shù)在很大程度上不僅影響著發(fā)動機的整體尺寸和重量，而且也在很大程度上影響著發(fā)動機的可靠性與壽命。曲軸的破壞事故可能引起發(fā)動機其它零件的嚴(yán)重損壞，在發(fā)動機的結(jié)構(gòu)改進中，曲軸的改進也占有重要地位。隨著內(nèi)燃機的發(fā)展與強化，曲軸的工作條件越來越惡劣了。因此，曲軸的強度和剛度問題就變得更加嚴(yán)重了。在設(shè)計曲軸時，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)濟最合理的效果。21曲軸的工作條件和材料的選擇211曲軸的工作條件和設(shè)計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)運動質(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)；對內(nèi)不平衡的發(fā)動機曲軸還承受內(nèi)彎矩和剪力；未采取扭轉(zhuǎn)振動減振措施使曲軸還可能作用著幅值較大的扭轉(zhuǎn)振動彈性力矩。這些載荷都是交變性的，可能引起曲軸疲勞失效。實踐表明，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)強度的研究重點是彎曲疲勞強度，曲軸設(shè)計上要致力于提高曲軸的疲勞強度。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11表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表面的圓角處發(fā)展到曲柄上，基本上成450折斷曲柄；扭轉(zhuǎn)疲勞破壞通常是從機械加工不良的油孔邊緣開始，約成450剪斷曲柄銷。所以，在設(shè)計曲軸時，要特別注意設(shè)法緩和應(yīng)力集中現(xiàn)象，強化應(yīng)力集中部位。曲軸各軸頸在很高的比壓下，以很大的相對速度在軸承中發(fā)生滑動摩擦。這些軸承在實際變工況運轉(zhuǎn)條件下并不總能保證為液體摩擦，尤其當(dāng)潤滑油不潔凈時，軸頸表面遭到強烈的磨料磨損，使得曲軸的實際使用壽命大大降低。所以，設(shè)計時，要使其各摩擦表面耐磨，并匹配好適當(dāng)材料的軸瓦。曲軸是曲柄連桿機構(gòu)中的中心環(huán)節(jié)，其剛度亦很重要。如果曲軸彎曲剛度不足，則可能發(fā)生較劇烈的彎曲振動，使活塞連桿和軸承的工作條件大為惡化，圖21曲軸的疲勞破壞A）彎曲疲勞破壞B）扭轉(zhuǎn)疲勞破壞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，則可能在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生強烈的扭轉(zhuǎn)振動。輕則引起噪音，加速曲柄上齒輪等傳動件的磨損；重則使曲軸斷裂。所以，設(shè)計時，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，幾何斷面形狀比較特殊，在設(shè)計時，至今還沒有一個能反映客觀實際的理論公式可供通用。因此，目前曲軸的設(shè)計主要是依靠經(jīng)驗來設(shè)計。212曲軸的材料在結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工工藝正確合理的條件下，主要是材料強度決定著曲軸的體積、重量和壽命。因此，必須根據(jù)發(fā)動機的用途及強化強度，正確的選用曲軸材料，在保證曲軸有足夠強度的前提下，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。同時也要使曲軸的加工容易和造價低廉。本設(shè)計選用的材料45鋼；材料密度7850KG/M；3彈性模量16E11N/M；2強度應(yīng)力極限600MPA；B屈服應(yīng)力極限355MPA；S疲勞應(yīng)力強度355MPA；1強化處理熱處理、滲碳處理。213曲軸強化的方法提高曲軸的疲勞強度是設(shè)計人員必須努力解決的問題。為了提高曲軸的疲勞強度，可以采用一系列結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計措施。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，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，從而提高彎曲強度。3）軸頸上設(shè)計卸載槽使應(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)卸載孔相對其幾何軸線遠離曲柄半徑中心呈偏心布置使圓角處的彎曲應(yīng)力降低，提高疲勞強度。5）增大曲柄臂的厚度和寬度。除了設(shè)計措施外，工藝方面利用特殊的機械加工方法、熱處理或化學(xué)處理方法強化表面，以提高曲軸的疲勞強度。常用的表面強化工藝有以下幾種1）圓角高頻感應(yīng)淬火；2）圓角滾壓；3）氮化。22曲軸主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計221主要尺寸的確定主軸頸的直徑D160MM，寬度L126MM；主軸頸軸端的直徑D372MM，寬度L36MM；曲柄銷的直徑D245MM，寬度L226MM；曲柄銷軸端的直徑D457MM，寬度L46MM；形狀如圖22單節(jié)曲軸尺寸所示。圖22單節(jié)曲軸尺寸曲柄臂的寬度L15MM，其形狀如圖23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5，內(nèi)模7；各處的倒角均為R2。圖23單節(jié)曲軸曲柄臂截面尺寸122曲軸兩端設(shè)計曲軸上帶動輔助系統(tǒng)的驅(qū)動鏈輪（正時鏈輪）一般裝在曲軸的前端，對多缸發(fā)動機而言往往把傳動齒輪裝在曲軸后端。消除扭轉(zhuǎn)振動的減振器無疑應(yīng)裝在曲軸前端，因為這里的振幅最大。驅(qū)動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稱的或只有一個。具體尺寸和形狀如圖14曲軸前端、15曲軸后端所示（未畫出定位銷），未標(biāo)注的圓角均為R2。圖24曲軸前端圖25曲軸后端最終得到的曲軸總長為L532MM，如圖26曲軸零件實體圖所示。具體的標(biāo)注見曲軸零件圖。圖26曲軸零件實體圖第3章曲軸終鍛模設(shè)計熱模鍛壓力機是自動化高效率生產(chǎn)模鍛件的模鍛設(shè)備，也是被廣泛應(yīng)用的模鍛設(shè)備。熱模鍛壓機是靠靜壓力使金屬變形，因此，熱模鍛壓機上的鍛模成型規(guī)律是金屬沿水平方向流動劇烈，向高度方向流動緩慢。預(yù)鍛模膛設(shè)計的主要內(nèi)容是繪制熱鍛件圖和確定飛邊槽尺寸，以下是整個設(shè)計過程。31制定鍛件圖1分模位置根據(jù)曲軸形狀，很易確定上下對稱的直線分模。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級復(fù)雜系數(shù)S3。由鍛造模具簡明設(shè)計手冊表55查得鍛件形狀復(fù)雜系數(shù),250813MVMS其中M為鍛件品質(zhì)157KG；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016，故形狀復(fù)雜程度為S3。3205由鍛造模具簡明設(shè)計手冊表518查得長度極限偏差值為50MM，寬度371極限偏差值為36MM，高度極限偏差值為32MM。4211由鍛造模具簡明設(shè)計手冊表527，曲軸零件的表面粗糙度RA16UM,查得模鍛件內(nèi)外表面加工余量為厚度方向為2532MM，取3MM；水平方向為2735MM，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圓角半徑鍛件各部分的圓角半徑取為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由鍛造模具簡明設(shè)計手冊表518查得允許的錯差公差為14MM；4由鍛造模具簡明設(shè)計手冊表518查得允許的殘留飛邊公差為14MM；5允許的表面缺陷深度05MM；6鍛件熱處理調(diào)質(zhì)；7鍛件表面清理為了便于檢查淬火裂紋，系用酸洗。6具體尺寸如圖31單節(jié)曲軸鍛件尺寸圖所示圖31單節(jié)曲軸鍛件尺寸圖最終的鍛件圖如圖32曲軸鍛件實體圖所示圖32曲軸鍛件實體圖32計算鍛件的主要參數(shù)321設(shè)備選定工藝力計算PKFKN式中K鍛件單位面積變形力（或稱金屬變形抗力系數(shù)）,KN/CM2F鍛件投影面積，CM2曲軸鍛件的投影面積F1364CM，K120KN/CM2所以，P1201364KN16368KN選擇模鍛設(shè)備根據(jù)計算結(jié)果，取熱模鍛壓力機的規(guī)格為20000KN，即20MN。322終鍛模膛設(shè)計熱鍛件圖設(shè)計按照鍛件尺寸增加15的收縮率繪制熱鍛件圖，如圖33曲軸熱鍛件圖所示圖33曲軸熱鍛件圖飛邊槽設(shè)計對形狀比較復(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，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明設(shè)計手冊表86設(shè)備200000KN級選用，即H3MMB10MMB10MML40MMR115MMR22MM。模塊結(jié)構(gòu)曲軸模膛深度較深，最深處為525MM。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。長度和寬度的確定模塊長度和寬度尺寸主要根據(jù)下列因素確定鍛件的最大長度、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可按下列確定S（115）H40MM式中H為模膛最深處的深度。高度尺寸的確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T06065S2S03504H。最終取模塊長度為800MM，寬度500MM，高度200MM。模塊所承受的壓應(yīng)力應(yīng)滿足PF/A300MPA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）2曲軸模塊底面的有效承壓面積A800500MM400000MM，F(xiàn)2000022KN，所以，模塊所承受的壓力為F20000KN/400000MM50MPA300MPA,滿足條件。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。33曲軸的實體建模331曲軸的鍛件實體建模草圖的繪制從“開始”菜單進入零件設(shè)計環(huán)境。選擇繪圖平面進行草圖繪制。對圖形進行尺寸約束，如圖34A、34B、34C圖34A曲軸主軸頸尺寸圖34B曲軸曲柄臂尺寸圖34C曲軸連桿軸頸尺寸建成立體模型從草圖設(shè)計環(huán)境返回零件設(shè)計環(huán)境。點擊“拉伸”按鈕進行拉伸。生成立體圖，如圖36單節(jié)曲軸鍛件實體圖圖35單節(jié)曲軸鍛件實體圖經(jīng)過鏡像，陣列，圓角等方法得到曲軸的鍛件圖，如圖32所示。332曲軸模塊實體建模進行草圖繪制，利用拉伸命令建立模塊外形，如圖36A所示。圖36A未加工模腔的模塊實體圖進行布爾運算，得到模塊的立體圖，如36B所示。圖36B模塊實體圖34模具裝配所需的其它零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和實體建模341上模架模架的作用與特點模架用于固定模塊，承受并傳遞鍛造過程中的全部負荷，傳遞熱模鍛壓力機的頂料運動，是熱模鍛壓力機鍛模的最主要的部件。熱模鍛壓力機鍛模的模架質(zhì)量大（一般整副模架重達112T，120000KN熱模鍛壓力機重達50多噸），制造困難，因此必須重視模架的設(shè)計、制造和使用。對模架設(shè)計的基本要求模架的結(jié)構(gòu)形式力求具有較大的通用性、萬能性，適用多品種生產(chǎn)。模架應(yīng)具有足夠的強度、剛度，使設(shè)備在鍛造過程中所引起的彈性變形，不致影響鍛件高度的尺寸，為此，模架內(nèi)各種承受鍛造負荷的部件，包括上下模板在內(nèi)，均應(yīng)采用合金鋼制造并進行適當(dāng)?shù)臒崽幚?。模架上所有的零件形狀?yīng)盡可能地簡單，以便于加工制造。模架內(nèi)設(shè)置的頂料裝置應(yīng)可靠、耐用，以便于修理和更換。模架的結(jié)構(gòu)應(yīng)保證在安裝、調(diào)整和更換模具時，不需要把模架從熱模鍛壓力機上卸下來，以節(jié)省時間，減少工作量。模架上所有的緊固件位置，都要布排得當(dāng)，使緊固時操作方便。模架上應(yīng)設(shè)有起重孔或起重棒，使吊裝時安全可靠。模架的結(jié)構(gòu)形式模架的結(jié)構(gòu)按照它和模塊緊固的方式劃分，一般有兩種形式窩座式和十字鍵式。本設(shè)計選用窩座式模架。窩座式模架的特點優(yōu)點）定位準(zhǔn)確，緊固牢靠，是熱模鍛壓力機模架使用最廣泛的典型結(jié)構(gòu)。）模具的翻新次數(shù)較多。）適用于鍛件產(chǎn)量大，要求精度高，品種不太多的生產(chǎn)場合。缺點）要有較強的模具制造能力和較高的制造精度。）通用性、萬能性較小。不適用于生產(chǎn)多品種、小批量以及需要經(jīng)常進行迂回生產(chǎn)的場合。）模具的安裝和調(diào)整比較困難，鍛件的精度很大程度上取決于模具的制造精度。經(jīng)過草圖設(shè)計，拉伸，鉆孔（通孔、螺紋孔等），得到上模架，如圖37A、37B所示。圖37上模架正面圖37B上模架反面342下模架經(jīng)過草圖設(shè)計，拉伸，鉆孔（通孔、螺紋孔等），得到上模架實體圖，如圖38A、38B所示。圖38A下模架正面圖38B下模架反面343墊板經(jīng)過草圖設(shè)計，拉伸，鉆孔（包括螺紋孔），得到墊板實體圖，如圖39A、39B所示。具體尺寸80050080MM。圖39A墊板正面圖39B墊板反面344前壓板經(jīng)過草圖設(shè)計，鉆螺紋孔，倒圓角得到前壓板的三維實體圖，如圖310所示。長度L600MM。作用裝配時定位模塊。圖310前壓板345后擋板經(jīng)過草圖設(shè)計，鉆螺紋孔，倒圓角得到后擋板的三維立體圖，如圖311所示。長度L400MM。作用裝配時定位模塊。圖311后擋板346導(dǎo)向裝置作用熱模鍛壓力機模鍛采用導(dǎo)向裝置主要是為了較少模具錯移，提高鍛件精度，便于模具調(diào)整。導(dǎo)柱要有足夠的強度和剛度以承受模鍛過程中產(chǎn)生的錯移力，導(dǎo)柱和導(dǎo)套之間應(yīng)留有必要的間隙以補償制造中的偏差、設(shè)備滑塊和工作臺面的不平行度、鍛造過程中的自身受熱膨脹等因素的影響。結(jié)構(gòu)設(shè)計導(dǎo)向裝置包括導(dǎo)柱、導(dǎo)套、蓋板等零件。導(dǎo)柱和導(dǎo)套分別和上、下模座用過硬配合緊固。導(dǎo)柱和導(dǎo)套之間留有02505MM的間隙。確定導(dǎo)柱和導(dǎo)套長度尺寸的原則是當(dāng)熱模鍛壓力機的滑塊在上止點時導(dǎo)柱扔在導(dǎo)套內(nèi)的長度不小于導(dǎo)柱直徑的115倍。材料導(dǎo)柱應(yīng)該有較好的韌性和耐磨性，采用碳合金鋼滲碳淬火，20CR。導(dǎo)套、油封等和導(dǎo)柱做相對滑動，為使運動性能好，不容易被咬合，導(dǎo)套采用20鋼，其它的材料見裝配圖。導(dǎo)柱具體尺寸直徑D140MM，長度L720MM。經(jīng)過草圖設(shè)計，拉伸，27倒角得到導(dǎo)柱立體圖，如圖312所示。圖312導(dǎo)柱實體圖導(dǎo)套具體尺寸外徑D1160MM，內(nèi)徑D21403MM，長度854L230MM。經(jīng)過草圖設(shè)計，拉伸，倒角得到導(dǎo)套立體圖，如圖313所示。圖313導(dǎo)套實體圖蓋板具體尺寸直徑D163MM寬度L4MM。由草圖設(shè)計，拉伸得到蓋板的立體圖，如314圖所示。圖314蓋板實體圖油封具體尺寸外徑D1155MM，內(nèi)徑D2140MM。由草圖設(shè)計，拉伸得到油封的立體圖，如圖315所示。圖315油封油封端蓋具體尺寸D140MM，D1170MM，D2200MM，D3130MM，高度H28MM，H14MM，有草圖設(shè)計，拉伸，倒角，鉆螺紋孔，得到油封端蓋的三維實體圖，如圖316所示。圖316油封端蓋347頂桿本設(shè)計的頂桿位置在飛邊上。設(shè)計這類頂桿應(yīng)注意以下的問題鍛件外側(cè)的頂桿應(yīng)布置在模鍛時形成較大飛邊的部位。如果飛邊過小，頂桿將失去作用。鍛件外側(cè)的頂桿首先考慮定出的平穩(wěn)。鍛件外側(cè)的頂桿必須能及時回到原始位置，不允許頂桿在模鍛成形過程中露出飛邊橋部。成形開始時如果頂桿不退回，金屬迅速外流，將沿橫向沖擊頂桿使其彎曲變形，并使頂桿和頂桿孔的間隙偏向一側(cè)，金屬流入該間隙中，卡住頂桿使其失效。為此，頂出裝置，特別是上模中的頂出裝置中應(yīng)設(shè)有復(fù)位彈簧，使頂桿頂件后退回原位。設(shè)置在孔內(nèi)連皮上的頂桿模鍛時受力較大，很容易產(chǎn)生彎曲變形而失效。因此，使用中應(yīng)經(jīng)常注意修復(fù)和更換。經(jīng)過草圖設(shè)計，拉伸，倒角得到頂桿的三維實體圖，如下圖所示。圖317頂桿35實體建模裝配點擊“開始”菜單中的機械設(shè)計，然后選擇裝配件設(shè)計。點擊（即現(xiàn)有組件）將所生成的各個零件導(dǎo)入裝配圖中，通過點擊（即相合約束）和（即接觸約束）還有（即偏移約束）來固定個零件間的相互位置。最終生成裝配圖如圖318所示以及爆炸圖如圖319所示。圖318曲軸終鍛模設(shè)計裝配圖圖319爆炸圖第4章曲軸模膛數(shù)控加工仿真利用UG進行輔助編程是一個綜合的過程。它涉及刀具運動軌跡、加工刀具類型、切削用量選擇、加工參數(shù)選擇和下刀方式等的選擇，所有這些內(nèi)容都反映在由加工刀具路徑轉(zhuǎn)化而成的數(shù)控加工代碼中。曲面加工刀具路徑生成過程分為刀具參數(shù)設(shè)置、加工方式選用、粗精加工參數(shù)設(shè)置和后處理等步驟，這些參數(shù)設(shè)置的正確與否是保證零件尺寸精度、提高工效和降低成本的關(guān)鍵所在。41終鍛模模膛數(shù)控加工UG中有粗加工和精加工兩種方式，要根據(jù)具體情況和實際加工經(jīng)驗，合理選用加工方式，然后確定刀具形式、直徑和加工材料等。粗加工刀路設(shè)計根據(jù)鍛模的特點，經(jīng)反復(fù)比較，選用型腔粗加工。此加工方法能快速除去大量的毛坯材料。選擇刀具為立銑刀，加工方式為等距環(huán)切，為精加工預(yù)留025MM的加工余量。用立銑刀及等距環(huán)切方式加工，都是為了能在粗加工中，更多去除材料，提高加工效率。（1）模塊飛邊槽粗加工的刀具路徑如圖41、42所示圖41飛邊槽粗加工的路勁圖42飛邊槽數(shù)控加工的效果圖（2）模塊模膛的粗加工刀具路徑如圖43、44所示圖43模膛的粗加工路徑圖44模膛數(shù)控加工的效果圖3飛邊槽橋部精加工刀具路徑如圖45、46所示圖45飛邊槽橋部精加工路徑圖46飛邊槽橋部精加工的效果圖4模膛精加工刀具路徑如圖47、48所示圖47模膛精加工刀具路徑圖48模膛精加工效果圖42生成G代碼及刀具路徑后處理對于刀具路徑，機床是不能直接識別的。所以，加工方式選擇好后，必須要進行后處理，也就是將刀具路徑“翻譯”成機床能夠識別的數(shù)控代碼。不同的機床能識別的數(shù)控代碼不盡相同，所以不同的機床必須采用不同的后處理方式。將自動生成的數(shù)控代碼，進行必要的校核處理后，就能輸送給數(shù)控機床進行加工了，部分軌跡G代碼如下。圖41飛邊槽平面區(qū)域粗加工數(shù)控代碼N0010G40G17G90G70N0020G91G28Z00N0030T00M06N0040G0G90X82742Y00S0M03N0050G43Z7874H00N0060Z4724N0070G1Z3543F98M08N0080X78805N0090Y156034N0100G2Y156036I0059J00N8120Y104313N8130X34449N8140G2X301Y108661I00J4348N8150G1Y122423N8160X301N8170Y116579N8180X26163N8190Z0984N8200G0Z7874N8210M02圖43模塊模膛粗加工數(shù)控代碼N0010G40G17G90G70N0020G91G28Z00N0030T00M06N0040G0G90X4353Y98096S0M03N0050G43Z7874H00N0060Z4728N0070G1Z3547F98M08N0080X2385N0090X2385N0100X2384Y96145N5380G2X13911Y61242Z20276I1678J0431K0464N5390G1Y62974N5400X7449N5410Y6122N5420X13911N5430Y59467N5440X7449N5450Z19094N5460G0Z7874N5470M02圖45飛邊槽橋部精加工數(shù)控代碼N0010G40G17G90G70N0020G91G28Z00N0030T00M06N0040G0G90X1402Y30925S0M03N0050G43Z7874H00N0060Z4741N0070G1Z356F98M08N0080X0928Y30923N0090X0777Y28961N0100X0594Y28975N3250G2X29303Y30316I00J1407N3260G1Y3489N3270G2X30709Y36445I1481J0074N3280G1X31468N3290Y49775N3300X18702N3310G2X17295Y51274I0046J1453N3320G1Y52914N3330X15326N3340Z0591N3350G0Z7874N3360M02圖47模膛精加工數(shù)控代碼N0010G40G17G90G70N0020G91G28Z00N0030T00M06N0040G0G90X4744Y98485S0M03N0050G43Z7874H00N0060Z4728N0070G1Z3547F98M08N0080X2776N0090X2776N0100Y96527N25