曲軸加工工藝及力學分析
2023年2月27日起，到2023年3月7日，工程力學專業在老師的帶領下進行了兩周的實習。在兩周的時間裡，我們到了大連機車廠參觀實習。實習的時間雖然不長，但對我的影響卻很大。
我不僅第一次站在了一線的生產車間，增長了見識，而且對所學知識有了新的認識。
在大連機車車輛有限責任公司（簡稱大連機車廠），我們主要實習了曲軸加工車間、連桿加工車間、缸套加工車間、機體加工車間等，其中我感觸最深的是曲軸加工車間，下面我就曲軸加工車間實習的內容和所學的知識來談談我的感受。
曲軸是引擎的主要旋轉機件，是發動機上的乙個重要的機件，裝上連桿後，可將連桿的上下(往復)運動變成迴圈(旋轉)運動，其效能好壞直接影響到發動機的質量和壽命。曲軸在發動機中承擔最大負荷和全部功率，承受著強大的方向不斷變化的彎矩及扭矩，同時經受著長時間高速運轉的磨損，因此要求曲軸材質具有較高的剛性、疲勞強度和良好的耐磨效能。發動機曲軸將活塞的往復直線運動轉化為旋轉運動，從而實現了發動機由化學能轉變為機械能輸出。
事實上，曲軸和連桿構成的就是我們在機械設計基礎課上學的曲柄連桿機構。
曲軸由主軸頸、連桿軸頸、曲柄、平衡塊、前端和後端等組成。乙個主軸頸、乙個連桿軸頸和乙個曲柄組成了乙個曲拐。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。
主軸承的數目不僅與發動機氣缸數目有關，還取決於曲軸的支承方式。連桿軸頸是曲軸與連桿的連線部分，在連線處用圓弧過渡，以減少應力集中。曲柄是主軸頸和連桿軸頸的連線部分，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。曲軸前端裝有齒輪，驅動風扇和水幫浦的皮帶輪以及起動爪等。為了防止機油沿曲軸軸頸外漏，在曲軸前端裝有乙個甩油盤，在齒輪室蓋上裝有油封。
曲軸的後端用來安裝飛輪，在後軸頸與飛輪凸緣之間製成擋油凸緣與回油螺紋，以阻止機油向後竄漏。由於曲柄結構複雜，生產批量大，品種更換頻繁，精度要求高。所以對曲柄的加工也提出了很高的要求。
作為發動機上的乙個重要的旋轉機件——曲軸，其加工方法仍有一般軸的加工規律，如銑兩端面，鑽中心孔，車、磨及拋光，但是曲軸也是有它的特點，它由主軸頸，連桿軸頸與連桿軸頸之間的連線板組成，其結構細長、曲拐多、剛性差，因而安排曲軸加工工藝應採取相應的工藝措施。
在車間中，技術人員向我們介紹了曲軸加工的大致流程。曲軸的主要加工表面為主軸頸、連桿軸頸、各外圓；次要加工表面為兩端面、鍵槽。此外，還有檢驗、清洗、去毛刺等工序。
按先後順序，主要的工序包括鍛造、熱處理銑端麵、車兩端外圓、鑽中心孔、軸頸、粗車、精車、磨削、銑鍵槽、倒角、去毛刺、最後檢驗等工序。可見加工乙個曲軸時，車、鉗、銑、磨等工種均用到了，而這些曾經在金工實習時遇到過，但完整得運用到工業生產還是第一次見到。
機車曲軸的加工要求的精度高，所以加工時按照工序要粗車精車磨削等。為了減小人為帶來的誤差，車間盡量實現加工的自動化，所以雖然加工的曲軸體積大，生產的數量較多，但車間中工人並不多。
因為曲軸的加工精度直接影響了機車的效能，為了保證精度，在每一道重要的加工工序完全完成後，曲軸都要進行檢測，檢視加工誤差是否滿足要求。為了提高精度，車間還進行了很多比較嚴格的規範。例如，在橫向進給磨削中，磨輪對工件的壓力很大，為避免曲軸彎曲，採用可以調節的中心架，否則就不能去掉上道工序留下的彎曲度，最好待這個軸頸的擺差減小才開始使用中心架。
磨削主軸頸時應把兩頂尖孔倒角處抹乾淨，去砂粒及油泥，確保加工基準——中心孔的精度，磨削工序之前必須修研中心孔。
在整個加工完成後，車間還要對曲軸進行檢驗，防止有不合格產品進入市場。其中除了尺寸檢測外，還有粗糙度檢測和裂紋檢測。
以上這些知識在以前的金工實習時大多都提到，但記憶不深刻，且沒有很好的掌握，不知道其重要性。通過這次的實習，很多問題都具體明了了。
除了加工工藝的複雜，與本專業關係更緊密的曲軸的受力分析和破壞則是我們更關心的。從力學角度看，主要從以下幾個方面考慮。
首先，在曲軸設計時應該充分考慮到曲軸的強度問題，曲軸是將上下直線運動轉化為旋轉運動的乙個部件，受到上下壓力或拉力、端部的扭矩、旋轉產生的慣性力等，這些都應當考慮進去並校核曲軸的強度。曲軸是主要的受力部件，上下的壓力或拉力將起主要作用。
隨著技術的不斷發展，對曲軸的設計要求也越來越高，所以為了更加詳細的了解曲軸的受力及應力分布，目前，已有很多學者，包括大連機車廠，都在使用有限元來計算這些問題。
其次，由於曲軸本事是做旋轉運動，且受到豎直方向的壓力或拉力。如果曲軸剛度不夠，就會在運動中跑偏，加大磨損，增加慣性力，引起新的彎矩，甚至可能引發事故。所以還要保證擁有一定的剛度。
不管是上下的壓力和拉力，還是旋轉產生的慣性力，都不是常力，而是迴圈的力，因此研究曲軸的疲勞非常重要。在進行曲軸初始設計時，就應當考慮到曲軸的壽命。在生產過程中，要防止出現裂紋，加速曲軸的破壞。
因為疲勞破壞的第一階段就是產生裂紋，一旦有了裂紋，曲軸將很容易發生疲勞破壞。在車間的一段，我們發現了一些報廢的曲軸，就有因為生產環節出現問題而造成的有裂紋。
一般疲勞壽命的設計是無限壽命設計。在材料力學中，我們曾學到s-n曲線，該曲線的可以表述為應力越小，疲勞週期的次數就越大。曲線最終趨於一條直線，即當應力低於某乙個值時，我們認為可以載入無數次而材料不破壞。
由於曲軸很多地方都有較大尺度的變化，所以很容易產生應力集中。應力集中是指受力構件由於幾何形狀、外形尺寸發生突變而引起區域性範圍內應力顯著增大的現象。應力集中可使按照非應力集中處理的應力數值增大到原來的好幾倍，從而導致區域性強度不夠或者由於應力過大導致抵抗疲勞破壞的能力下降。
除此之外，裂紋也可能會引起應力集中。
在曲軸的設計是，為了避免有較大的應力集中，主軸頸、連桿軸頸、曲柄相連線的地方都採用了過渡圓角，這樣可以減少應力集中的程度。
由於曲軸受週期性的力，所以必然還要考慮振動問題。如果曲軸受力週期與曲軸固有頻率接近，則有可能發生共振現象，嚴重的還可能產生破壞性效果。所以設計時，還應該對曲軸進行模態分析。
除了以上幾點在設計時用到了我們學到的力學知識，在前面介紹曲軸的組成是也提到過一些其它用大力學原理的地方，例如在曲柄處鑄有(或緊固有)平衡重塊，它是用來平衡發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。這是理論力學慣性力的運用。
有以上可以看出，即使是機車上一根小小的曲軸，其設計和加工都包含了如此多的力學知識。在實習前，因為沒有太多的具體事例，學習的知識一直都是「死」的，即使有些事例用到了，也感觸不是很深。通過這次的實習，讓我感覺到了力學應用的廣泛性。
生產中也離不開力學的指導，生產技術的提高離不開力學手段的進步。
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