大型曲轴在普通车床上加工制造的工装设计

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[摘 要]通过对三拐曲轴的结构、工艺特点进行分析，通过设计制作工装顶盘、可调性配重，实现了三拐曲轴的曲拐偏心轴颈在普通车床上的车削加工。根据动态平衡原理计算出三拐曲轴加工过程中所需配重，结合实际加工情况设计成能随时调整的配重来消除三拐曲轴自身偏重机加工中偏重变化情况对加工质量的影响，从而保证三拐曲轴的加工精度、满足图纸的设计要求。

[关键词]顶盘 配重 中心孔 偏心

中图分类号：TG524 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0358-01

1 曲轴的工作原理

曲轴是隔膜泵动力系统的关键件，曲轴与曲柄（或连杆）、十字头、活塞等零部件组成动力系统。将曲轴的圆周运动通过曲柄、十字头转变成转变成活塞的直线运动工作过程。在运转过程中，曲轴受周期性的弯曲力矩要求曲轴有高的强度、刚度、耐磨性、耐疲劳性及冲击韧度。因此，曲轴不仅要求具有较高的形位精度和较小的表面粗糙度值，而且要求具有较好的机械性能，它的加工精度及机械性能直接决定机械设备的使用及寿命。本文主要研析三拐曲轴加工过程及其注意事项。

2 三拐曲轴的设计分析及采取措施

2.1 设计结构特点分析

⑴隔膜泵三拐曲轴结构采用三拐四支撑，由主轴颈、三个曲拐轴颈及曲臂组成，三个曲拐轴颈均与主轴颈平行且互成120°。主轴颈的轴线与曲拐轴颈的轴线平行，两轴线之间的距离称为偏心距，加工过程中要求曲拐轴颈轴线与车床主轴旋转轴线重合。三拐曲轴的结构使惯性力及惯性力矩得到较好的平衡，四支撑使曲轴受力得到改善，曲轴可承受更大的活塞力，在重载、高强度的机械设备中得到广泛运用。

⑵ 曲轴加工技术要求：各轴颈公差在-0.04- 0mm表面粗糙度Ra1.6μm，曲拐轴颈轴线与主轴颈轴线的平行度允差0.02mm，偏心距误差不大于0.10mm，各曲拐轴颈间相互位置度误差不大于±20′。此曲轴形位精度及各轴颈相互位置精度要求高，形状结构复杂，系单件生产。主要加工表面为主轴颈、曲拐轴颈及两端面，次要加工表面为其余表面。

2.3 工装设计

根据曲轴结构特点，加工过程中需进行了以下工装设计：

⑴ 顶盘的设计：根据曲轴结构特点二端正心轴径小、加工偏心轴时不易装卡，且偏心轴径中心在工件正心轴颈之外，在普通车床上加工需在曲轴二端留出加长配做工装顶盘或设计专用工装卡具，我公司采用一种人为增加曲轴周轴颈的方式，即在曲轴两端装配顶盘，使偏心顶尖孔包含在顶盘内，该顶盘设计包含定位止口，把合螺栓及定位销；

⑵ 配重的计算：加工偏心轴颈时，曲轴自身偏重对加工影响严重，加工过程中必须配置配重以消除偏重的影响，否则无法加工，严重时破坏加工机床。曲轴加工要求曲轴动态平衡。所谓动态平衡就是系统旋转时的旋转惯性力合力及合力矩均为0状态下的平衡。首先要求曲轴质量系统旋转时离心力合力等于零，即系统的质心（重心）位于旋转轴线上。曲轴偏心产生的离心力F=mω2r，所需配重m=mqω2r1/ω2r2，配重与工件把合在一起ω相同，根据车床加工范围及在保证配重最大外圆与车床导轨有一定间隙前提下配重r2按750mm设计，锻件毛坯重约15000Kg，曲轴r1为250mm，计算出m=15000×250/750=5000Kg。配重重量约为5000Kg。

⑶ 配重的设计：配重的装卡方式为曲轴本体装卡及卡盘辅助装卡。在曲轴本体装卡的配重采用可调整的V型卡块（配重包含可调整的垫块、上盖、下盖及把合件），用于粗调整（见图二）。在卡盘装配的配重采用铅块，可在卡盘沟槽中滑行，用于微调配重（包含滑块、铅块及把合件）通过调节力矩使曲轴在旋转时离心力合力等于零，即系统的质心与偏心顶尖孔重合（见图三）。

综合以上所述，确定三拐曲轴加工基本工艺路线如下：

锻正火粗加工探伤调质处理半精加工精加工。

三、注意事项

（1）整个工艺流程中工装顶盘的配做、定位及中心孔是曲轴加工的关键，中心孔为加工及测量的工艺基准，加工中心孔是非常重要的过程，在加工中心孔的过程中要仔细检查，每一步都要精、准；

（2）为保证加工精度，配重在加工过程中要根据加工余量的变化随时调整，保证工件保持动态平衡，每一步都要严格执行，否则将会影响整个零件的精度。

四、结束语

生产实践证明，设计制作简易的工装卡具在普通的车床上加工能达到三拐曲轴的精度要求，满足设计及使用要求，这种加工方法比较实用、易于操作，经过公司多方面专家综合检测认定此加工三拐曲轴方法值得肯定，可以推广。

参考文献：

[1]王先逵 《机械加工工艺手册》机械工业出版社 北京2009年.