连杆工艺设计及有限元分析毕业设计论文.docx

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连杆工艺设计及有限元分析毕业设计论文

本科毕业设计论文

题目

连杆工艺设计及有限元分析

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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指导教师签名：

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使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

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涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

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导师签名：

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注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

3）其它

摘要

连杆是主要传动件之一，本文主要论述了连杆的加工工艺及有限元分析。

连杆的尺寸精度、形状精度以及位置精度的要求都很高，而连杆的刚性比较差，容易产生变形，因此在安排工艺过程时，就需要把各主要表面的粗精加工工序分开。

逐步减少加工余量、切削力及内应力的作用，并修正加工后的变形，就能最后达到零件的技术要求。

本次设计通过AUTOCAD画出零件图，并且进行工艺编制。

连杆的尺寸精度、形状精度以及位置精度的要求都很高，且连杆的刚性比较差，容易产生变形。

并且用PRO/E对连杆做有限元分析，查看连杆的受力情况。

关键字：

CAD，工艺编制，有限元分析

ABSTRACT

Linkageisoneofthemaintransmissionparts,thisarticlediscussesthelinkprocessingtechnologyandfiniteelementanalysis.Linkdimensionalaccuracy,positionaccuracyandshapeaccuracyrequirementsarehigh,andtherelativelypoorrigidityoftheconnectingrod,easilydeformed,andthereforearrangedintheprocess,theroughfinishingprocessrequirestheseparationofthemajorsurfaces.Graduallyreducetheallowance,cuttingforcesandinternalstressanddistortioncorrectionafterprocessing,wecanfinallymeetthetechnicalrequirementsofthepart.

ThedesignofthepartsdiagramdrawnbyAUTOCAD,andperformprocessplanning.Linkdimensionalaccuracy,positionaccuracyandshapeaccuracyrequirementsarehigh,andtherelativelypoorrigidityofthelinkeasilydeformed.AndusingPRO/Eforthelinktodofiniteelementanalysis,seelinkstresssituation.

KEYWORDS:

CAD，Processplanning，FiniteElementAnalysis

第1章

绪论

1.1课题研究的意义

随着科学技术的发展，我们的生活越来越便捷。

例如普遍的汽车，汽车发动机有五大件：

缸体、曲轴、连杆、凸轮轴、缸盖。

在今天，随着汽车工业的高速发展，“小体积、大功率、低油耗”的高性能发动机对连杆提出更新、更高的要求。

作为高速运动件，重量要轻，减小惯性力，降低能耗和噪声，强度、刚度要高，并具有较高的韧性，连杆比要大，连杆要短。

连杆是发动机内部的重要零件，连杆的作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞组上的燃气压力传给曲轴。

所以，连杆除上下运动外，还左右摆动作复杂的平面运动。

连杆工作时，主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷， 要求它应有足够的疲劳强度和结构刚度。

同时，由于连杆既是传力零件，又是运动件，不能单靠加大连杆尺寸来提高其承载能力，须综合材料选用、结构设计、热处理及表面强化等因素来确保连杆的可靠性。

连杆在机器中应用之广以及它在机器中的作用和地位不言而喻。

因此，本课题所研究的连杆加工工艺是非常有意义的。

1.2国内外现状

汽车发动机连杆是一套曲柄连杆机构。

而曲柄连杆机构是往复式内燃机中的动力传递系统。

曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动部分。

在作功冲程中，它将燃料燃烧产生的热能活塞往复运动、由曲轴旋转运动转变为机械能，对外输出动力；在其它冲程中，则依靠曲柄和飞轮的转动惯性、通过连杆带动活塞上下运动，为下一次作功创造条件。

曲柄连杆机构由机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组三部分组成。

（1）机体组：

气缸体、气缸垫、气缸盖、曲轴箱、汽缸套及油底壳

（2）活塞连杆组：

活塞、活塞环、活塞销、连杆

（3）曲轴飞轮组：

曲轴、飞轮、扭转减振器、平衡轴

高强度，轻量化，低成本是汽车发动机连杆的用材料的发展趋势，我国发动机锻钢连杆制造技术与国外差距不大，但连杆轻量化方面还是相当落后。

为保证连杆的疲劳强度，要求连杆的材料要具有良好的综合力学性能及工艺性能，以往连杆材料几乎普遍采用碳素调制钢和冶金调制钢，20世纪70年代由于石油危机为节省资源，欧美和日本开始大量应用非调制钢，并取得很大进展。

随着汽车工业制造技术的发展，对于汽车发动机的动力性能越来越高，而连杆强度刚度对提高发动机的动力性及可靠性至关重要，因此国内外各大汽车公司对发动机连杆用材料和制造技术的研究都非常重视。

在满足性能指标的前提下，连杆的材料和制造技术关联很大，非调制钢的应用就是考虑节省调制工序。

近年来，采取裂解连杆体和连杆盖分界面的技术可以大幅减少机械加工工序，由此开发了高强度低韧性的高碳非调制钢和粉末冶金锻件以满足工艺要求。

目前连杆的主要用料有以下几种：

碳素钢合金钢，非调制钢，粉末冶金连杆，钛合金连杆。

我国各大汽车集团的主机厂发动机锻钢连杆制造技术与国外差距不大，不论从锻件的强度表面强化技术，还是尺寸精度及产品稳定性方面，都接近国外发达国家水平。

国内虽然近年来技术有所提升，但还存在一些问题，锻件成型及空冷技术的落后，产品性能不稳定。

在连杆轻量化方面，我国还相当落后，钛合金连杆，纤维强化铝合金连杆，粉末冶金锻造连杆的研究还没有展开，是今后要开展的课题。

1.3论文的章节安排

根据论文选题的要求，作者在近三个月的论文阶段，基于PRO/E，AutoCad软件平台，在导师的认真指导下完成了大量的工作，对计算机辅助数控加工进行

了深入的研究，在此基础上并对连接板凹模进行仿真模拟加工。

这些内容在论文中都得到了充分的反映，论文内容的章节安排如下：

●绪论

●连杆零件的分析

●连杆零件的工艺编制

●连杆受载荷情况下的有限元分析

●总结与展望

第2章

连杆零件的分析

2.1连杆的作用

连杆是汽车发动机中的主要传动部件之一，它在柴油机中，把作用于活塞顶面的膨胀的压力传递给曲轴，又受曲轴的驱动而带动活塞压缩气缸中的气体。

连杆在工作中承受着急剧变化的动载荷。

连杆的作用是把活塞和曲轴联接起来，使活塞的往复直线运动变为曲柄的回转运动，以输出动力，因此，连杆的加工精度将直接影响柴油机的性能，而工艺的选择又是直接影响精度的主要因素。

在连杆小头的顶端设有油孔（或油槽），发动机工作时，依靠曲轴的高速转动，把气缸体下部的润滑油飞溅到小头顶端的油孔内，以润滑连杆小头衬套与活塞销之间的摆动运动副。

2.2连杆的结构特点

连杆由连杆体及连杆盖两部分组成。

连杆体及连杆盖上的大头孔用螺栓和螺母与曲轴装在一起。

为了减少磨损和便于维修，连杆的大头孔内装有薄壁金属轴瓦。

轴瓦有钢质的底，底的内表面浇有一层耐磨巴氏合金轴瓦金属。

在连杆体大头和连杆盖之间有一组垫片，可以用来补偿轴瓦的磨损。

连杆小头用活塞销与活塞连接。

小头孔内压入青铜衬套，以减少小头孔与活塞销的磨损，同时便于在磨损后进行修理和更换。

2.3连杆的工艺分析

各类连杆主要技术要求基于类似，仅在数值上略有差别。

1.大小头孔的精度

为了使大头孔与轴瓦及曲轴、小头孔与活塞销能密切配合，减少冲击的不良影响和便于传热。

大头孔公差等级为IT6，表面粗糙度Ra应不大于0.4μm；大头孔的圆柱度公差为0.012mm，小头孔公差等级为IT6，表面粗糙度Ra应不大于3.2μm。

小头压衬套的底孔的圆柱度公差为0.0025mm，素线平行度公差为0.04/100mm。

2.大小头孔轴心线在两个互相垂直方向的平行度

两孔轴心线在连杆轴线方向的平行度误差会使活塞在汽缸中倾斜，从而造成汽缸壁磨损不均匀，同时使曲轴的连杆轴颈产生边缘磨损，所以两孔轴心线在连杆轴线方向的平行度公差较小；而两孔轴心线在垂直于连杆轴线方向的平行度误差对不均匀磨损影响较小，因而其公差值较大。

两孔轴心线在连杆的轴线方向的平行度在100mm长度上公差为0.04mm；在垂直与连杆轴心线方向的平行度在100mm长度上公差为0.06mm。

3.大小头孔的中心距

大小头孔的中心距影响到汽缸的压缩比，即影响到发动机的效率，所以规定了比较高的要求：

190±0.05mm。

4.大小头孔两端面的技术要求

连杆大、小头孔两端面间距离的基本尺寸相同，但从技术要求是不同的，大头两端面的尺寸公差等级为IT9，表面粗糙度Ra不大于0.8μm,小头两端面的尺寸公差等级为IT12，表面粗糙度Ra不大于6.3μm。

这是因为连杆大头两端面与曲轴连杆轴颈两轴肩端面间有配合要求，而连杆小头两端面与活塞销孔座内档之间没有配合要求。

连杆大头端面间距离尺寸的公差带正好落在连杆小头端面间距离尺寸的公差带中，这给连杆的加工带来许多方便。

5.螺栓孔的技术要求

在前面已经说过，连杆在工作过程中受到急剧的动载荷的作用。

这一动载荷又传递到连杆体和连杆盖的两个螺栓及螺母上。

因此除了对螺栓及螺母要提出高的技术要求外，对于安装这两个动力螺栓孔及端面也提出了一定的要求。

规定：

螺栓孔按IT8级公差等级和表面粗糙度Ra应不大于6.3μm加工；两螺栓孔在大头孔剖分面的对称度公差为0.25mm。

2.4连杆的材料和毛坯

连杆在工作中承受多向交变载荷的作用，要求具有很高的强度。

因此，连杆材料一般采用高强度碳钢和合金钢；如45钢、55钢、40Cr、40CrMnB等。

连杆毛坯制造方法的选择，主要根据生产类型、材料的工艺性（可塑性，可锻性）及零件对材料的组织性能要求，零件的形状及其外形尺寸，毛坯车间现有生产条件及采用先进的毛坯制造方法的可能性来确定毛坯的制造方法。

根据生产纲领为大量生产，连杆多用模锻制造毛坯。

连杆模锻形式有两种，一种是体和盖分开锻造，另一种是将体和盖锻成—体。

整体锻造的毛坯，需要在以后的机械加工过程中将其切开，为保证切开后粗镗孔余量的均匀，最好将整体连杆大头孔锻成椭圆形。

相对于分体锻造而言，整体锻造存在所需锻造设备动力大和金属纤维被切断等问题，但由于整体锻造的连杆毛坯具有材料损耗少、锻造工时少、模具少等优点，故用得越来越多，成为连杆毛坯的一种主要形式。

总之，毛坯的种类和制造方法的选择应使零件总的生产成本降低，性能提高。

第三章连杆零件的工艺编

3.1连杆机械加工工艺过程

本次设计的连杆的毛坯是锻造造而成，材料选择为45号钢，为整体锻件，因为连杆要承受冲击载荷摩擦，要有良好的机械性能，连杆为小件，且生产类型属大批生产，为提高生产效率和锻件精度，现采用模锻方法制造毛坯。

随后进行热处理正火，消除内应力，改善机械加工性。

细化晶粒，消除组织缺陷。

加工过程如下：

1铣铣连杆大、小头两平面,每面留磨量0.5mm。

2粗磨以一大平面定位，磨另一大平面，保证中心线对称，无标记面称基面。

（下同）

3钻与基面定位，钻、扩、铰小头孔。

4铣以基面及大、小头孔定位，装夹工件铣尺寸mm两侧面，保证对称（此平面为工艺用基准面）。

5扩以基面定位，以小头孔定位，扩大头孔为Φ60mm。

6铣以基面及大、小头孔定位，装夹工件，切开工件，编号杆身及上盖分别打标记。

7铣以基面和一侧面定位装夹工件，铣连杆体和盖结合面，保直径方向测量深度为27.5mm。

8磨以基面和一侧面定位装夹工件，磨体和盖的结合面。

9铣以基面及结合面定位装夹工件，铣连杆体和盖mm8mm斜槽。

10锪以基面、结合面和一侧面定位，装夹工件，锪两螺栓座面mm,R11mm,保证尺寸mm。

11钻钻2—10mm螺栓孔。

12扩先扩2—12mm螺栓孔，再扩2—13mm深19mm螺栓孔并倒角。

13铰铰2—12.2mm螺栓孔。

14钳用专用螺钉，将连杆体和连杆盖装成连杆组件，其扭力矩为100—120N.m。

15镗粗镗大头孔。

16倒角大头孔两端倒角。

17磨精磨大小头两端面，保证大端面厚度为38mm。

18镗以基面、一侧面定位，半精镗大头孔，精镗小头孔至图纸尺寸。

19镗精镗大头孔至尺寸。

20称重称量不平衡质量。

21钳按规定值去重量。

22钻钻连杆体小头油孔6.5mm,10mm。

23镗半精镗、精镗小头铜套孔。

24珩磨珩磨大头孔。

25检检查各部尺寸及精度。

26探伤无损探伤及检验硬度后。

27检入库。

3.2连杆工艺过程的安排

1.在连杆加工中有两个主要因素影响加工精度：

（1）连杆本身的刚度比较低，在外力（切削力、夹紧力）的作用下容易变形。

（2）连杆是模锻件，孔的加工余量大，切削时将产生较大的残余内应力，并引起内应力重新分布。

因此，在安排工艺进程时，就要把各主要表面的粗、精加工工序分开，即把粗加工安排在前，半精加工安排在中间，精加工安排在后面。

这是由于粗加工工序的切削余量大，因此切削力、夹紧力必然大，加工后容易产生变形。

粗、精加工分开后，粗加工产生的变形可以在半精加工中修正；半精加工中产生的变形可以在精加工中修正。

这样逐步减少加工余量，切削力及内应力的作用，逐步修正加工后的变形，就能最后达到零件的技术条件。

各主要表面的工序安排如下：

（1）大头端面：

粗铣、半精铣、精磨

（2）小头孔：

钻孔、扩孔、镗孔、拉，精镗、浮动镗

（3）大头孔：

粗镗、半精镗、精镗，浮动镗

一些次要表面的加工，则视需要和可能安排在工艺过程的中间或后面。

2.确定合理的夹紧方法

既然连杆是一个刚性比较差的工件，就应该十分注意夹紧力的大小，作用力的方向及着力点的选择，避免因受夹紧力的作用而产生变形，以影响加工精度。

在加工连杆的夹具中，可以看出设计人员注意了夹紧力的作用方向和着力点的选择。

在粗铣两端面的夹具中，夹紧力的方向与端面平行，在夹紧力的作用方向上，大头端部与小头端部的刚性高，变形小，既使有一些变形，亦产生在平行于端面的方向上，很少或不会影响端面的平面度。

夹紧力通过工件直接作用在定位元件上，可避免工件产生弯曲或扭转变形。

在加工大小头孔工序中，主要夹紧力垂直作用于大头端面上，并由定位元件承受，以保证所加工孔的圆度。

在精镗大小头孔时，只以大平面（基面）定位，并且只夹紧大头这一端。

小头一端以假销定位后，用螺钉在另一侧面夹紧。

小头一端不在端面上定位夹紧，避免可能产生的变形。

3.定位基准的选择

在连杆机械加工工艺过程中，大部分工序选用连杆的一个指定的端面和小头孔作为主要基面，并用大头处指定一侧的外表面作为另一基面。

这是由于：

端面的面积大，定位比较稳定，用小头孔定位可直接控制大、小头孔的中心距。

这样就使各工序中的定位基准统一起来，减少了定位误差。

具体的办法是，如图（1—5）所示：

在安装工件时，注意将成套编号标记的一面不

图3.1连杆的定位方向

与夹具的定位元件接触（在设计夹具时亦作相应的考虑）。

在精镗小头孔（及精镗小头衬套孔）时，也用小头孔（及衬套孔）作为基面，这时将定位销做成活动的称“假销”。

当连杆用小头孔（及衬套孔）定位夹紧后，再从小头孔中抽出假销进行加工。

为了不断改善基面的精度，基面的加工与主要表面的加工要适当配合：

即在粗加工大、小头孔前，粗磨端面，在精镗大、小头孔前，精磨端面。

由于用小头孔和大头孔外侧面作基面，所以这些表面的加工安排得比较早。

在小头孔作为定位基面前的加工工序是钻孔、扩孔和铰孔，这些工序对于铰后的孔与端面的垂直度不易保证，有时会影响到后续工序的加工精度。

在第一道工序中，工件的各个表面都是毛坯表面，定位和夹紧的条件都较差，而加工余量和切削力都较大，如果再遇上工件本身的刚性差，则对加

工精度会有很大影响。

因此，第一道工序的定位和夹紧方法的选择，对于整个工艺过程的加工精度常有深远的影响。

连杆的加工就是如此，在连杆加工工艺路线中，在精加工主要表面开始前，先粗铣两个端面，其中粗磨端面又是以毛坯端面定位。

因此，粗铣就是关键工序。

在粗铣中工件如何定位呢？

一个方法是以毛坯端面定位，在侧面和端部夹紧，粗铣一个端面后，翻身以铣好的面定位，铣另一个毛坯面。

但是由于毛坯面不平整，连杆的刚性差，定位夹紧时工件可能变形，粗铣后，端面似乎平整了，一放松，工件又恢复变形，影响后续工序的定位精度。

另一方面是以连杆的大头外形及连杆身的对称面定位。

这种定位方法使工件在夹紧时的变形较小，同时可以铣工件的端面，使一部分切削力互相抵消，易于得到平面度较好的平面。

同时，由于是以对称面定位，毛坯在加工后的外形偏差也比较小。

4.连杆大、小头孔的加工

连杆大、小头孔的加工是连杆机械加工的重要工序，它的加工精度对连杆质量有较大的影响。

小头孔是定位基面，在用作定位基面之前，它经过了钻、扩、铰三道工序。

钻时以小头孔外形定位，这样可以保证加工后的孔与外圆的同轴度误差较小。

小头孔在钻、扩、铰后，在金刚镗床上与大头孔同时精镗，达到IT6级公差等级，然后压入衬套，再以衬套内孔定位精镗大头孔。

由于衬套的内孔与外圆存在同轴度误差，这种定位方法有可能使精镗后的衬套孔与大头孔的中心距超差。

大头孔经过扩、粗镗、半精镗、精镗、金刚镗和珩磨达到IT6级公差等级。

表面粗糙度Ra为0.4μm，大头孔的加工方法是在铣开工序后，将连杆与连杆体组合在一起，然后进行精镗大头孔的工序。

这样，在铣开以后可能产生的变形，可以在最后精镗工序中得到修正，以保证孔的形状精度。

5.连杆螺栓孔的加工

连杆的螺栓孔经过钻、扩、铰工序。

加工时以大头端面、小头孔及大头一侧面定位。

为了使两螺栓孔在两个互相垂直方向平行度保持在公差范围内，在扩和铰两个工步中用上下双导向套导向。

从而达到所需要的技术要求。

粗铣螺栓孔端面采用工件翻身的方法，这样铣夹具没有活动部分，能保证承受较大的铣削力。

精铣时，为了保证螺栓孔的两个端面与连杆大头端面垂直，使用两工位夹具。

连杆在夹具的工位上铣完一个螺栓孔的两端面后，夹具上的定位板带着工件旋转1800，铣另一个螺栓孔的两端面。

这样，螺栓孔两端面与大头孔端面的垂直度就由夹具保证。

3.3连杆加工工艺应考虑的问题

1.工序安排

连杆加工工序安排应注意两个影响精度的因素：

（1）连杆的刚度比较低，在外力作用下容易变形；

（2）连杆是模锻件，孔的加工余量大，切削时会产生较大的残余内应力。

因此在连杆加工工艺中，各主要表面的粗精加工工序一定要分开。

2.定位基准

精基准：

以杆身对称面定位，便于保证对称度的要求，而且采用双面铣，可使部分切削力抵消。

统一精基准：

以大小头端面，小头孔、大头孔一侧面定位。

因为端面的面积大，定位稳定可靠；用小头孔定位可直接控制大小头孔的中心距。

3.夹具使用

应具备适应“一面一孔一凸台”的统一精基准。

而大小头定位销是一次装夹中镗出，故须考虑“自为基准”情况，这时小头定位销应做成活动的，当连杆定位装夹后，再抽出定位销进行加工。

保证螺栓孔与螺栓端面的垂直度。

为此，精铣端面时，夹具可考虑重复定位情况，如采用夹具限制7个自由度（其是长圆柱销限制4个，长菱形销限制2个）。

长销定位目的就在于保证垂直度。

但由于重复定位装御有困难，因此要求夹具制造精度较高，且采取一定措施，一方面长圆柱销削去一边，另一方面设计顶出工件的装置。

4.粗，精加工时切削用量的选择原则

图4.6

图4.7

图4.8

本次静力分析表示汽车发动机连杆小头承受了较大的载荷，并且会发生部分偏移。

ANSYS程序：

/BATCH

/COM,ANSYSRELEASE12.0.1UP2009041519:

47:

2505/30/2014

/input,menust,tmp,'',,,