發(fā)動機說明書(共25頁)

1、長春工業(yè)大學課程設計說明書 II目錄(ml)TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc4930 1.緒論(xln) 1.緒論(xln)CATIA即ComputerAidedThreeDimensionalInteractionApplicationSystem（計算機輔助三維二維交互式應用系統(tǒng)），是由法國達索系統(tǒng)公司（DassaultSystemes，DS）開發(fā)的集成(j chn)了CAD、CAM和CAE的大型軟件，憑借其突出的技術優(yōu)勢在制造業(yè)的各個領域得到了廣泛的應用，成為全球制造業(yè)的主流設計軟件2。利用CATIA中的機械設計中零部件設計模塊進行三維建模，所畫圖形一目了然(

2、y m lio rn)；用線框與線條模塊進行曲面設計；所做圖形清晰流暢。CATIA已經成了汽車工業(yè)CAD/CAM的事實標準，歐洲、北美和亞洲的頂尖汽車制造商紛紛采用其作為核心系統(tǒng)。在航空工業(yè)領域，空中客車公司、Pratt&Whimey、EADS、洛克西德馬丁、美國聯合航空公司、達索航空等都選用CATIA進行新產品設計。著名的豐田汽車公司、VOLVO卡車、TODA賽車等都從其他系統(tǒng)轉到CATIA進行新產品的設計。電子家電行業(yè)的索尼、三洋、松下、先鋒、伊萊克斯、香港亞倫，船舶行業(yè)的IHl、NKK、煙臺萊福士造船廠，機車行業(yè)的阿爾斯通、邦巴迪、西門子，消費品行業(yè)的可口可樂、Evian、Swatch，

3、輪胎行業(yè)的固特異、米其林以及機械各行業(yè)等，CATIA的客戶遍及世界各地。國內的哈爾濱、沈陽、西安、成都、景德鎮(zhèn)、上海、貴陽等航空飛機設計制造廠也都無一例外地都選用CATIA作為其核心設計和加工軟件。包括一汽大眾、東風集團、沈陽金杯、上海大眾、南汽集團、北京吉普、武漢神龍、西安長安、哈飛松花江等在內的許多汽車公司都選用CATIA開發(fā)其最新車型。隨著中國制造業(yè)的發(fā)展，特別是汽車工業(yè)的發(fā)展，越來越多的國際廠商把生產和開發(fā)工作引入中國，CATIA正在不斷普及和深入。 2.設計(shj)任務了解(lioji)汽車(qch)發(fā)動機的相關原理、組成并查找相關資料，設計相應的零部件結構或機構，實現發(fā)動機的基本

4、功能要求。在造型設計中，要求使用盡可能少的命令來達到最佳的設計效果。在裝配過程中，選擇最佳的裝配過程及步驟，以滿足發(fā)動機的基本功能要求，并進行對零件的干涉檢查等。本課程設計是在計算機輔助設計與制造基礎之上，運用CATIA三維造型對所設計的發(fā)動機進行三維建模、生成刀具軌跡和加工代碼。3.設計分析3.1 汽車發(fā)動機的工作原理目前幾乎所有汽車都使用四沖程燃燒循環(huán)來將汽油轉化為運動。四沖程方式又稱作“奧托循環(huán)”1，以此紀念1867年發(fā)明它的尼克勞斯奧托(Nikolaus Otto)。這四個沖程如圖1所示。它們分別是：進氣沖程壓縮沖程燃燒沖程排氣沖程循環(huán)過程1、活塞開始時位于頂部，排氣門打開，然后活塞向

5、下運動，在發(fā)動機的氣缸中充滿空氣和汽油的混合物。這便是吸氣沖程。此時，只需要在空氣中混合最少量的汽油即可。2、然后，活塞向上返回以壓縮燃油/空氣混合物。壓縮過程使得爆炸更具威力。3、當活塞到達其沖程的頂部時， HYPERLINK /content/11/0926/11/ignition-system.htm 火花塞發(fā)出一個火花，點燃汽油。氣缸中的汽油爆炸，推動活塞向下運動。4、在活塞到達其沖程的底部后，排氣門開啟，廢氣被排出氣缸并進入排氣尾管。注意：內燃發(fā)動機輸出的運動是旋轉運動。而土豆加農炮產生的運動是線性運動（直線）。在發(fā)動機中，活塞的線性運動轉化為曲軸的旋轉運動。而旋轉運動非常好，因為我

6、們正好打算通過它讓車輪轉起來。3.2 汽車發(fā)動機部件的加工工藝3.2.1 曲軸的加工工藝1、曲軸的結構特點曲軸的主軸頸是曲軸的支承部分，通過主軸承支承在曲軸箱的主軸承座中。主軸承的數目不僅(bjn)與發(fā)動機氣缸數目有關，還取決于曲軸的支承方式。曲軸的連桿軸頸是曲軸與連桿的連接部分，在連接處用圓弧過渡(gud)，以減少應力集中。曲軸的曲柄(qbng)是主軸頸和連桿軸頸的連接部分，斷面為橢圓形，為了平衡慣性力，曲柄處鑄有(或緊固有)平衡重塊。平衡重塊用來平衡發(fā)動機不平衡的離心力矩，有時還用來平衡一部分往復慣性力，從而使曲軸旋轉平穩(wěn)。曲軸前端裝有齒輪，驅動風扇和水泵的皮帶輪以及起動爪等。為了防止機油

7、沿曲軸軸頸外漏，在曲軸前端裝有一個甩油盤，在齒輪室蓋上裝有油封。曲軸的后端用來安裝飛輪，在后軸頸與飛輪凸緣之間制成擋油凸緣與回油螺紋，以阻止機油向后竄漏。另外，曲軸的曲拐數目等于氣缸數(直列式發(fā)動機)；V型發(fā)動機曲軸的曲拐數等于氣缸數的一半。2、曲軸的主要技術要求分析主軸頸、連桿軸頸本身的精度即尺寸公差等級為IT6，表面粗糙度Ra值在1.60.8um之間。軸頸長度公差等級在IT9IT10之間。軸頸的形狀公差如圓度、圓柱度控制在尺寸公差之半。位置精度包括主軸頸與連桿軸頸的平衡度。一般為100um之內不大于200um；曲軸各主軸頸的同軸度：小型高速曲軸為0.025mm，中大型低速曲軸為0.030.

8、08mm。各連桿軸頸的位置度不大于20。3、曲軸的材料和毛坯的確定曲軸工作時要承受很大的轉矩及交變的彎曲應力，容易產生扭振、折斷及軸頸磨損。因此要求用材應較高的強度、沖擊韌度、疲勞強度和耐磨性。常用材料有35、40、45鋼或球墨鑄鐵QT60033；對于高速、重載曲軸，可采用40Cr、42Mn2V等材料。本設計采用球墨鑄鐵QT6003。曲軸的毛坯根據批量大小、尺寸、結構及材料品種來決定。批量較大的小型曲軸采用模鍛；單件小批的中大型曲軸采用自用鍛造；而對于球墨鑄鐵材料則采用鑄造毛坯。4、曲軸的機械加工工藝過程曲軸的尺寸精度、加工表面形狀精度以及位置精度的要求都很高，但剛性比較差，容易產生變形，這就

9、給曲軸的機械加工帶來了很多困難，必須予以充分的重視。曲軸需要加工的表面有：主軸頸、連桿軸頸、鍵槽、20、22的外圓。由于使用了工藝搭子，銑鍵槽安排在切除工藝搭子后，磨削外圓安排在保留工藝搭子前。根據曲軸的結構特點及機械加工的要求，加工順序大致可歸納為：銑兩端面；車工藝搭子和鉆中心孔；粗、精車三連桿軸頸；粗、精車各處外圓；精磨連桿軸頸、主軸頸和20、22外圓；切除工藝搭子、車端面、銑鍵槽等。曲軸(qzhu)的機械加工工藝路線表3.1 曲柄(qbng)加工工藝流程序號工序名稱序號工序名稱1鑄造12精車各處外圓2熱處理13磨削連桿軸頸外圓3銑兩端面14磨削兩主軸頸4車兩端工藝搭子外圓15磨削220-

10、0.12mm外圓5鉆主軸頸中心孔16磨削200-0.021mm外圓6鉆連桿軸頸中心孔17車掉兩端工藝搭子7檢驗18車兩端面8粗車三個連桿軸頸19銑鍵槽9精車三個連桿軸頸20倒角10車工藝搭子兩端面21去毛刺11粗車各處外圓22檢驗3.2.2 連桿的加工(ji gng)工藝1、連桿的結構及特點連桿是汽車發(fā)動機中的主要傳動部件之一，它由連桿體及連桿蓋兩部分組成。如圖1所示：連桿體及連桿蓋上的大頭孔用螺栓和螺母與曲軸裝在一起。為了(wi le)減少磨損圖2.1 連桿(lin n)組和便于(biny)維修，連桿的大頭孔內裝有薄壁金屬軸瓦。軸瓦有鋼質的底，底的內表面澆有一層耐磨巴氏合金軸瓦金屬4。在連桿

11、體大頭和連桿蓋之間有一組墊片，可以用來補償軸瓦的磨損。連桿小頭用活塞銷與活塞連接。小頭孔內壓入青銅襯套，以減少小頭孔與活塞銷的磨損，同時便于在磨損后進行修理和更換。連桿桿身一般都采用從大頭到小頭逐步變小的工字型截面形狀。連桿大、小頭兩端對稱分布在連桿中截面的兩側。考慮到裝夾、安放、搬運等要求，連桿大、小頭的厚度相等(基本尺寸相同)。在連桿小頭的頂端設有油孔(或油槽)，發(fā)動機工作時，依靠曲軸的高速轉動，把氣缸體下部的潤滑油飛濺到小頭頂端的油孔內，以潤滑連桿小頭襯套與活塞銷之間的擺動運動副。連桿的作用是把活塞和曲軸聯接起來，使活塞的往復直線運動變?yōu)榍幕剞D運動，以輸出動力。因此，連桿的加工精度將

12、直接影響發(fā)動機的性能，而工藝的選擇又是直接影響精度的主要因素5。反映連桿精度的參數主要有5個：（1）連桿大頭端中心面和小頭端中心面相對連桿桿身中心面的對稱度；（2）連桿大、小頭孔中心距尺寸精度；（3）連桿大、小頭孔平行度；（4）連桿大、小頭孔尺寸精度、形狀精度；（5）連桿大頭螺栓孔與接合面的垂直度。2、連桿加工工藝流程連桿加工的工藝流程是：拉大小頭兩端面粗磨大小頭兩端面拉連桿大小頭側定位面拉連桿蓋兩端面及桿兩端面倒角拉小頭兩斜面粗拉螺栓座面，拉配對打字面、去重凸臺面及蓋定位側面粗鏜桿身下半圓、倒角及小頭孔粗鏜桿身上半圓、小頭孔及大小頭孔倒角清洗零件零件探傷、退磁精銑螺栓座面及R5圓弧銑斷桿、蓋

13、小頭孔兩斜端面上倒角精磨連桿桿身兩端面加工螺栓孔拉桿、蓋結合面及倒角去配對桿蓋毛刺清洗配對桿蓋檢測配對桿蓋結合面精度人工裝配扭緊螺栓打印桿蓋配對標記號粗鏜大頭孔及兩側倒角半精鏜大頭孔及精鏜小頭襯套底孔檢查大頭孔及精鏜小頭襯套底孔精度壓入小頭孔襯套稱重去重精鏜大頭孔、小頭襯套孔清洗最終檢查成品防銹。3.2.3 活塞(husi)的加工工藝流程1、活塞(husi)的結構組成分析活塞是在高溫高壓高腐蝕條件下進行連續(xù)變負荷運動，必須有相應的結構來滿足(mnz)這一特定工作條件。它主要是由頭部（環(huán)槽、環(huán)岸、隔熱槽）裙部和頂部三部分組成。（1）頂部CA6102汽車活塞采用平頂式活塞，這與其它形式的活塞相比，

14、具有工作可靠、制造簡單、重量最輕和受熱面積最小等優(yōu)點。（2）頭部活塞環(huán)的主要功用是保證燃燒室和氣缸工作腔的密封性。CA6102用三個氣環(huán)，在氣環(huán)槽中放置密封環(huán)，用以密封活塞頂部上邊的燃燒室，防止漏氣，并將活塞上部熱量傳給氣缸壁。下邊有一個刮油環(huán)，內放刮油環(huán)，使氣缸壁的潤滑油分布均勻，并把飛濺到氣缸壁上的多余潤滑油刮掉，使其經回油槽流回曲軸箱。（3）活塞裙活塞做直線往復運動時，靠裙部起導向作用。由于上部熱膨脹大于下部，CA6102發(fā)動機采用變橢圓活塞，即裙部橢圓由上而下遞減。活塞裙部內有一止口，是專為加工定位設置的輔助精基準面，在活塞工作中無作用。銷座：其作用為把作用于活塞上的力可靠地傳給活塞銷

15、孔。在銷座上有一油孔，用作潤滑活塞與活塞銷孔，減少它們的磨損。銷座外端設鎖環(huán)槽，用以安裝鎖環(huán)，限制活塞銷的軸向串動，以免刮傷氣缸壁。為避免活塞工作過程中發(fā)生“拍擊”，設計將CA6102活塞銷軸線向受載一面偏出1。為了避免活塞裙部和曲軸平衡塊相碰，有時需要在裙部下端面上與活塞銷平行方向減少部分金屬（鑄件成型），這樣還可減少活塞重量是裙部有較大彈性。2、確定毛坯的制造形式零件材料采用硅鋁合金，有導熱性好重量輕易加工等優(yōu)點。為了克服鑄造缺陷，獲得優(yōu)秀毛坯，采用壓鑄法制造，在機加工以前先切去澆冒口，然后進行熱處理?；钊募庸すに嚤?.2 活塞的加工工藝流程序號工序名稱序號工序名稱1鍛造10精車環(huán)槽2銑

16、澆冒口11精車外圓3時效處理12精鏜銷孔4粗車止口13切鎖環(huán)槽5粗鏜銷孔14精磨外圓6粗車外圓頂面，環(huán)槽15精車頂面及倒角7銑直橫槽16打字8鉆油孔17成品檢驗9精車止口，打中心孔18分組包裝3.2.4 凸輪軸的加工(ji gng)工藝1、凸輪軸的工藝性分析(fnx)凸輪軸是發(fā)動機中配氣機構中的重要部件，在發(fā)動機工作循環(huán)中，它合理地控制進排氣門的開啟、關閉時間和開合量，使經過壓縮的燃油混合氣充分燃燒，推動活塞運動做功，然后將廢氣排出燃燒室，因此它影響著發(fā)動機的動力性、經濟性和排放。凸輪軸屬于細長軸類零件，剛性差、易變形，要準確控制發(fā)動機的進排氣門定時開啟和關閉，凸輪應具有很高的輪廓精度、相位角

17、度要求和良好的耐磨性能及整體剛性。因此，其軸頸和凸輪的加工(ji gng)成為整個凸輪軸加工工藝的重點，其加工多以車削、銑削和磨削工藝及表面強化（淬火、噴丸、氮化）等輔助工藝相結合6。2、凸輪軸的加工流程凸輪軸頸傳統(tǒng)加工流程：仿形多刀車粗磨淬火半精磨、精磨靠模砂帶拋光，目前的加工流程：CNC無靠模外銑機床銑削凸輪淬火CNC無靠模磨床CBN砂輪磨削凸輪柔性拋光凸輪。談到凸輪軸必須提到的一個具有革命性的新技術就是裝配式凸輪軸。它與傳統(tǒng)整體式凸輪軸相比,具有質量輕、加工成本低、材料利用合理等優(yōu)點。 裝配式凸輪軸是將凸輪、空心軸體和支撐軸頸等分別進行材料優(yōu)化匹配，分體精密加工，再以某種連接方式裝配而成

18、，凸輪一般采用碳鋼或粉末燒結材料，軸體則采用中空無縫鋼管，碳鋼凸輪經冷、溫精密鍛造成形，并進行高頻淬火或滲碳處理，凸輪也可由粉末燒結材料通過精密燒結成形技術燒結成形3，也有采用鋁合金做軸體的。裝配式凸輪軸主要工藝流程包括壓裝凸輪校直加工兩端面中心孔車軸頸磨軸頸磨凸輪凸輪淬火去毛刺校直軸頸凸輪軸頸及凸輪拋光清洗綜合檢測。4.三維設計(shj)4.1 零件(ln jin)三維造型4.1.1 連桿(lin n)三維設計首先建立連桿的拉伸草圖，如圖4.1所示。再進行實體的拉伸，然后草圖進行旋轉，如圖4.2所示。 圖4.1 連桿蓋拉伸草圖 圖4.2 連桿柄旋轉體草圖在連桿的中間凹槽，如圖4.3所示。然后

19、在連桿的兩側端部畫圓，做出相應的凹槽，如圖4.4所示。 圖4.3 連桿柄中間凹槽草圖 圖4.4 連桿柄兩端孔利用凹槽制作的草圖3、在做完連桿的主體之后，進行相應的調整和修飾，利用圓角修飾，如圖4.5所示。圖4.5 連桿(lin n)柄中間凹槽倒圓角4、最后，做出連桿(lin n)兩端的打孔操作，利用打孔命令分別在連桿(lin n)的兩端進行打孔操作，選擇打孔命令之后，進行定位草圖，利用相應的約束定位孔的中心，在連桿柄上的打孔，如圖4.6所示，在連桿另一側的打孔，如圖4.7所示。 圖4.6 在連桿柄上開孔 圖4.7 在與連桿蓋上對應的柄端開孔5、經過上述的三維建模操作，接下來在進行倒圓角的操作，

20、如圖4.8所示。圖4.8 倒圓角的操作(cozu)最終得到連桿(lin n)的三維模型，如圖4.9所示。 圖4.9 連桿的三維實體(sht)造型4.1.2 曲軸三維設計首先進入二維草圖建模，如圖4.10所示。拉伸后選擇主軸的凸臺的一個表面作為基準面建立凸輪的二維草圖，如圖4.12所示。 圖4.10 曲軸(qzhu)主軸頸凸臺草圖 圖4.11 曲軸(qzhu)主軸頸的三維實體2、在以曲軸(qzhu)主軸頸的一個面為基準，建立第一個凸輪的草圖，如圖4.12所示。再進行拉伸操作，如圖4.13所示。 圖4.12 曲軸第一個凸輪的草圖圖 4.13 曲軸主軸頸和第一個凸輪的三維實體3、在第一個凸輪的基礎上

21、選凸輪的面作為基準作出曲軸連桿頸的草圖，如圖4.14所示。 圖4.14 曲軸連桿頸的草圖4、在草圖的基礎上，進行拉伸操作，就得到連桿頸的實體模型，如圖4.15所示。 圖4.15 曲軸(qzhu)連桿頸的實體模型5、重復上述步驟，就可得到(d do)曲軸的三維實體模型，如圖4.16所示。 圖4.16 曲軸(qzhu)的三維實體模型6、得到曲軸的三維實體之后，進行相應的修飾，選擇修飾圓角，最終完成曲軸的三維建模。圖4.17 曲軸倒圓角的操作4.1.3 活塞三維設計1、首先進入二維草圖的工作環(huán)境，建立二維草圖，如圖4.18所示。進行旋轉得到活塞的三維實體，如圖4.19所示。 圖4.18 活塞實體的旋

22、轉草圖 圖4.19 旋轉后的實體2、在活塞的頂部進行凹槽操作，如圖4.20所示。在進行圓形整列，如圖4.21所示。 圖4.20 活塞(husi)上部的凹槽 圖4.21 利用(lyng)圓形陣列完成活塞帽設計3、利用(lyng)旋轉體完成活塞內部凸臺的設計，如圖4.22所示，再利用鏡像完成活塞的三維設計，如圖4.23所示。圖4.22 活塞內凸臺旋轉體草圖圖4.23 利用鏡像完成對稱內凸臺的操作4、最后，進行修飾操作，利用倒圓角，對活塞進行修飾，如圖4.24所示。圖4.24 倒圓角完成(wn chng)活塞的三維造型4.1.4 缸蓋氣門(qmn)三維設計1、首先在二維草圖環(huán)境(hunjng)建立二

23、維草圖，如圖4.25所示。進行拉伸實體操作，如圖4.26所示。完成氣門擋板的建模操作。 圖4.25 氣門擋板凸臺草圖 圖4.26 氣門擋板凸臺實體2、利用旋轉體，對氣門進行實體旋轉，如圖4.27所示。生成的氣門三維實體模型如圖4.28所示。圖4.27 氣門旋轉體草圖 圖4.28 氣門實體(sht)三維模型3、利用(lyng)曲面操作做出螺旋線，如圖4.29所示。再利用肋，生成彈簧的三維模型(mxng)，如圖4.30所示。最終生成帶彈簧的氣門實體模型，如圖4.31所示。 圖4.29 螺旋線草圖圖 4.30 利用肋生成彈簧圖4.31 缸蓋氣門（帶彈簧）實體5.發(fā)動機連桿(lin n)的數控加工5.

24、1 連桿(lin n)的數控加工過程1、首先，連桿有鍛造工序加工，得到一個鍛造的毛坯件，通過數控加工，對連桿連桿兩端的孔進行數控加工，將上端打斷最終(zu zhn)得到加工后的連桿，再進行后續(xù)的檢查和清洗等后續(xù)工序。首先進行小孔的數控加工，如圖5.1所示，再進行大孔的數控加工，如圖5.2所示。 圖5.1 鏜小孔 圖5.2 鏜大孔2、在連桿的端部進行打孔的操作，鉆上面的孔，如圖5.3所示。加工參數，如圖5.4所示。 圖5.3 鉆上面的兩個孔 圖5.4 鉆下面的兩個孔3、最后，鉆上面的孔，如圖5.5所示。圖5.5 鉆上面(shng min)的孔5.2數控加工的刀具(doj)選擇選擇(xunz)：鏜

25、刀 直徑10mm 鉆頭(zun tu) 直徑 6mm和3mmCATIA數控加工刀具參數：Tool Change.1 1 8Profile Contouring.1 9 25Profile Contouring.2 26 49Tool Change.2 50 53Drilling.2 54 54Drilling.3 -1 -1Tool Change.3 55 58Drilling.5 59 59Drilling.6 60 66Tool Change.1 15 25Profile Contouring.1 26 51Profile Contouring.2 52 80Tool Change.2 8

26、1 91Drilling.2 92 102Drilling.3 103 112Tool Change.3 113 123Drilling.5 124 133Drilling.6 134 1435.3數控加工程序代碼%(PART TO BE MACHINED)G40M08N0005()N0010N0015G00 X80.0 T100 S0 N0020T101N0025G01G97G94X20.0Z-165.0F1000.S70M03N0030Z-162.777N0035Z-160.822N0040Z-159.371N0045Z-158.599N0050Z-159.371N0055Z-160.82

27、2N0060Z-162.777N0065Z-165.0N0070Z-167.223N0075Z-169.178N0080Z-170.629N0085Z-171.401N0090Z-170.629N0095Z-169.178N0100Z-167.223N0105Z-165.0N0110Z-10.0N0115Z-9.609N0120Z-8.468N0125Z-6.665N0130Z-4.341N0135Z-1.678N0140Z1.116N0145Z3.822N0150Z6.231N0155Z8.152N0160Z9.437N0165Z9.984N0170Z9.781N0175Z8.887N018

28、0Z7.366N0185Z5.325N0190Z2.907N0195Z0.284N0200Z-2.359N0205Z-4.835N0210Z-6.97N0215Z-8.612N0220Z-9.647N0225Z-10.0N0230()N0235G00 X80.0 T200 S70 M03N0240T202N0245G00X0.0Z-178.081N0250()N0255G00 X80.0 T400 S70 M03N0260T404N0265G00X0.0Z27.0N0270G00Z25.0N0275M05N0280M33N0285M05N0290M07N0295T100N0300M02N0301M035.4發(fā)動機相關(xinggun)視圖圖5.6 發(fā)動機三維實體(sht)造型圖5.7 發(fā)動機工程圖圖5.8 發(fā)動機爆炸(bozh)圖6.總結(zngji)本學期應教學要求，我們在開學時開展了計算機輔助設計與制造的課程設計，本環(huán)節(jié)主要內容是CATIA三維建模軟件的應用，為后續(xù)的專業(yè)課程學習打下良好的基礎。在本次基礎強化訓練中我們接觸了一個功能(gngnng)非常強大的軟件CATIA，對于這么一個從來沒有接觸過的新軟件，我們都覺得甚是新奇，對它抱有強烈的好奇感。 起初，我們了解到CAT