毕业设计柴油机连杆加工工艺.docx
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毕业设计柴油机连杆加工工艺
毕业设计
柴油机连杆加工工艺
摘要
本文主要论述了柴油机连杆的加工工艺及其夹具设计。
在X5032立式铣床上采用200端铣刀同时铣削连杆的两端面，所加工的连杆为模锻毛坯，且大小端等高，要求同时铣削二件连杆，保证铣一端面其厚度尺寸为30.5，铣另一端面保证厚度尺寸为27.5，铣削时需采用双件双工位铣夹具，并以连杆的端面、大头外圆、小头外圆为定位基准，且在两个不同的工位上采用不同的定位元件，以保证定位可靠。
并且由于两件同时加工，所以在装夹工件时应同时装夹，便于操作，夹紧可靠，利于加工。
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。
关键字：
柴油机;连杆;加工工艺
目 录
绪论....................................................................................................................3
第二章连杆加工工艺的总体分析.........................................................................
2.2连杆的检验..............................................................................................13
2.2.1观察外表缺陷及目测表面粗糙度..................................................13
2.2.2连杆大头孔圆柱度的检验..............................................................13
2.2.3连杆体、连杆上盖对大头孔中心线的对称度的检验..................13
2.2.4连杆大小头孔平行度的检验..........................................................13
2.2.5连杆螺钉孔与结合面垂直度的检验..............................................14
3.4夹具的结构方案的确定于评比................................................................19
3.6结构优缺点分析........................................................................................24
3.7零件工作图的说明....................................................................................24
3.8切削力及夹紧力的计算.............................................................................24
绪论
近百年来，柴油机因其功率范围大、效率高、能耗低，在各型民用船舶和中小型舰艇推进装置中确立了其主导地位。
新材料、新工艺、新技术的不断开发使用，为柴油机注入了新的活力，使其在动力机械，尤其在船舶动力方面依然发挥着无法替代的作用。
据统计，在2000吨以上的船舶中，柴油机作为动力的超过95％，预计这一情况仍将持续下去。
受油价的影响，以及一些柴油机的缺点（比如烟度和噪声）被一一克服，现在在乘用车市场，柴油动力开始渐渐显示其独特魅力。
但是，由于受各种因素的影响，我国的柴油机研究还是落后于世界先进水平。
经历多年的市场实践，国内柴油发动机生产企业已不再满足于凭借引进产品获得市场上的暂时领先，而认识到核心技术是最关键的，只有通过引进、消化、吸收的途径，自己掌握了核心技术，企业才会有发展后劲并获得可持续发展的条件。
随着我国造船事业的进一步发展，作为船舶配套中最重要的一个环节，柴油机技术的发展瓶颈已日益凸显。
因此，必须研发具有我国自主知识产权的柴油机，以提高我国船舶制造的国产率。
发动机是船舶的心脏，而发动机连杆则是承受强烈冲击力和动态应力最高的动力学负荷部件，其在工作中承受着急剧变化的动载荷，再加上连杆的高频摆动产生的惯性力,会使连杆杆身发生形变，轻则会影响曲柄连杆机构的正常工作,使机械效率下降。
重则会破坏活塞的密封性能，使排放恶化，甚至造成活塞拉缸、拉瓦，使发动机无法正常工作。
因此对其刚度和强度提出了很高的要求。
以往，连杆的的制造以铸造法和锻造法为主；20世纪80年代以来，由于采用粉末锻造法大批量生产的粉锻连杆具有力学性能优、尺寸精度高、质量较轻及质量偏差很小等特点，因而相继在发达国家快速发展，逐渐取代铸造和锻造连杆。
而高密度烧结法制造连杆也快速发展，并具有良好的力学性能。
本文主要介绍了柴油机连杆加工的加工工序、夹具及定位方式、工步划分和加工方法。
第一章连杆的基本设计
1.1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。
近年来也有采用球墨铸铁的，粉末冶金零件的尺寸精度高，材料损耗少，成本低。
随着粉末冶金锻造工艺的出现和应用，使粉末冶金件的密度和强度大为提高。
因此，采用粉末冶金的办法制造连杆是一个很有发展前途的制造方法。
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。
目前我国有些生产连杆的工厂，采用了连杆辊锻工艺。
毛坯加热后，通过上锻辊模具和下锻辊模具的型槽，毛坏产生塑性变形，从而得到所需要的形状。
用辊锻法生产的连杆锻件，在表面质量、内部金属组织、金属纤维方向以及机械强度等方面都可达到模锻水平，并且设备简单，劳动条件好，生产率较高，便于实现机械化、自动化，适于在大批大量生产中应用。
辊锻需经多次逐渐成形。
连杆的锻造工艺过程，将棒料在炉中加热至1140～1200C0，先在辊锻机上通过四个型槽进行辊锻制坯见图（1-3），然后在锻压机上进行预锻和终锻，再在压床上冲连杆大头孔并切除飞边见图（1-4）。
锻好后的连杆毛坯需经调质处理，使之得到细致均匀的回火索氏体组织，以改善性能，减少毛坯内应力。
为了提高毛坯精度，连杆的毛坯尚需进行热校正。
连杆必须经过外观缺陷、内部探伤、毛坯尺寸及质量等的全面检查，方能进入机械加工生产线。
1.2连杆的结构特点
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。
在发动机工作过程中，连杆受膨胀气体交变压力的作用和惯性力的作用，连杆除应具有足够的强度和刚度外，还应尽量减小连杆自身的质量，以减小惯性力的作用。
连杆杆身一般都采用从大头到小头逐步变小的工字型截面形状。
为了保证发动机运转均衡，同一发动机中各连杆的质量不能相差太大，因此，在连杆部件的大、小头两端设置了去不平衡质量的凸块，以便在称量后切除不平衡质量。
连杆大、小头两端对称分布在连杆中截面的两侧。
考虑到装夹、安放、搬运等要求，连杆大、小头的厚度相等（基本尺寸相同）。
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。
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。
反映连杆精度的参数主要有5个：
（1）连杆大端中心面和小端中心面相对连杆杆身中心面的对称度；
（2）连杆大、小头孔中心距尺寸精度；（3）连杆大、小头孔平行度；（4）连杆大、小头孔尺寸精度、形状精度；（5）连杆大头螺栓孔与接合面的垂直度。
1.3连杆的主要技术要求
连杆上需进行机械加工的主要表面为：
大、小头孔及其两端面，连杆体与连杆盖的结合面及连杆螺栓定位孔等。
连杆总成的主要技术要求（图1-1）如下。
连杆图（1—1）
1.3.1大、小头孔的尺寸精度、形状精度
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IT8，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。
1.3.2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。
1.3.3大、小头孔中心距
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：
210±0.05mm。
1.3.4连杆大头孔两端面对大头孔中心线的垂直度
连杆大头孔两端面对大头孔中心线的垂直度，影响到轴瓦的安装和磨损，甚至引起烧伤；所以对它也提出了一定的要求：
规定其垂直度公差等级应不低于IT9（大头孔两端面对大头孔的轴心线的垂直度在100mm长度上公差为0.08mm）。
1.3.5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。
1.3.6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。
1.3.7有关结合面的技术要求
在连杆受动载荷时，接合面的歪斜使连杆盖及连杆体沿着剖分面产生相对错位，影响到曲轴的连杆轴颈和轴瓦结合不良，从而产生不均匀磨损。
结合面的平行度将影响到连杆体、连杆盖和垫片贴合的紧密程度，因而也影响到螺栓的受力情况和曲轴、轴瓦的磨损。
对于本连杆，要求结合面的平面度的公差为0.025mm。
第二章连杆的加工工艺总体分析
2.4连杆的机械加工工艺过程分析
2.4.1确定毛坯的制造形式
毛坯为铸造件，工件材料为45钢，毛坯的尺寸精度要求为IT11~12级。
清理后，退火处理，以消除铸件的内应力并改善机械加工性能，在毛坯车间调整，铣去浇冒口，达到毛坯的技术要求，然后送到机械加工车间来加工。
1.毛坯尺寸的确定，画出毛坯图。
所以毛坯选用金属型铸造。
毛坯铸出后应进行退火处理，以消除铸件在铸造过程中产生的内应力。
由文献［1］表1-17可知该铸件的的尺寸公差等级为3级精度其余量可在3.5~4.5之间。
由文献［1］表1-19可确定各表面的总余量，但由于用查表所确定的总余量与生产实际情况有些差距，故还应根据工厂具体情况进行适当的调整。
由此，即可绘制出零件的毛坯图。
2.4.2工艺路线的拟定
（1）工艺路线的拟定为保证达到零件的几何形状、尺寸精度、位置精度及各项技术要求，必须制定合理的工艺路线。
工艺路线方案
铸造，退火
工序：
1.粗铣上端面
2.粗铣下端面
3.精铣上端面
4.精铣下端面
5.检验
另外，选择方案时还应考虑工厂的具体条件等因素，如设备，能否借用工、夹、量具等。
本次设计选择工艺路线方案一。
根据工序方案一制定出详细的工序划分如下所示：
工序：
（1）铸造、时效、油漆。
（2）粗铣上端面，留加工余量0.3mm。
（3）粗铣下端面，留加工余量0.3mm，保证尺寸要求。
（4）精铣两端面至要求尺寸。
保证尺寸27.5和16.
（5）检验。
根据以上工序安排，编出机械加工工艺过程卡及工序卡片。
1.4.3基准的选择
根据零件图纸及零件的使用情况分析，知零件上的上下表面均应通过正确的定位才能保证，故对基准的选择应予以分析。
（1）粗基准的选择按照粗基准的选择原则，为保证不加工表面和加工表面的位置要求，应选择不加工表面为粗基准。
（2）精基准的选择在精基准的选择时应满足基准重合的原则和互为基准的原则。
在加工时如可能会出现基准不重合，这时需要进行尺寸链的换算。
1.4.4各工序的定位夹紧方案的选择
1.定位基准方案的确定
在机械加工中，必须使工件、夹具、刀具和机床之间保持正确的相互位置，才能加工出合格的零件。
这种正确的相互位置关系，是通过工件在夹具中的定位，夹具在机床上的安装，刀具相对于夹具的调整来实现的。
在研究和分析工件定位问题时，定位基准的选择是一个关键问题。
一般地说，工件的定位基准一旦被选定，则工件的定位方案也基本上被确定。
定位方案是否合理，直接关系到工件的加工精度能否保证。
2.夹紧方案的确定
加工前，工件在夹具的定位元件上获得正确位置后，还必须在夹具上设置夹紧机构将工件夹紧，以保证工件在加工过程中不致因受到切削力、惯性力、离心力或重力等外力作用而产生位置偏移和振动，并保持已由定位元件所确定的加工位置。
在设计夹具时，选择工件的夹紧方法一般与选择定位方法同时考虑，有时工件的定位也是在夹紧过程中实现的。
或在夹具设计中，如因定位基准的选择使夹具设计有困难，也可适当的改选定位基准，使夹具结构更加简单和经济。
图（2—1）连杆装夹正视图
图（2—2）连杆装夹俯视图
1.5连杆的检验
连杆在机械加工中要进行中间检验，加工完毕后要进行最终检验，检验项目按图纸上的技术要求进行。
1.5.1观察外表缺陷及目测表面粗糙度
1.5.2连杆大头孔圆柱度的检验
用量缸表，在大头孔内分三个断面测量其内径，每个断面测量两个方向，三个断面测量的最大值与最小值之差的一半即圆柱度。
1.5.3连杆体、连杆上盖对大头孔中心线的对称度的检验
采用专用检具（用一平尺安装上百分表）。
用结合面为定位基准分别测量连杆体、连杆上盖两个半圆的半径值，其差为对称度误差。
1.5.4连杆大小头孔平行度的检验
如图（1—7）所示,将连杆大小头孔穿入专用心轴，在平台上用等高V形铁支撑连杆大头孔心轴，测量小头孔心轴在最高位置时两端面的差值，其差值的一半即为平行度。
1.5.5连杆螺钉孔与结合面垂直度的检验
制做专用垂直度检验心轴，其检测心轴直径公差，分三个尺寸段制做，配以不同公差的螺钉，检查其接触面积，一般在90%以上为合格，或配用塞尺检测，塞尺厚度的一半为垂直度公差值。
第三章夹具的设计
3.1工艺分析对夹具提出的要求
由设计任务书以及上述分析，在同时铣削二连杆的二端面时，所采用的工艺是：
（1）首先在工位I上以毛坯粗基面定位，铣削一端面保证其厚度为30.5。
（2）在工位II上以加工后的基面为定位基面定位，另一端面保证其厚度为27.5。
并在工位I上安装另一毛坯件，同时进行二件加工。
根据上述工艺分析，对夹具提出如下要求：
（1）首先要保证可靠的定位，由于在工位I加工端面时是以毛坯面作为定位基面，而在工位II是以加工后的端面作为精基面定位，因此这就要求夹具在工位I和工位II上加工工件应以不同的定位元件定位。
此外考虑到连杆件是二端为圆形的长杆形零件，这就要求定位件应具有良好的对中性。
（2）要求保证夹紧可靠、方便。
因为要求二件同时加工，且需铣削一定的厚度（3mm），这就需要新设计的夹具应有足够的夹紧力，以保证夹紧可靠，装夹方便，工件安装稳定，利于操作，减少装夹工件的时间，且具有较好的装夹精度，尽可能地减少夹紧误差。
（3）要求新设计的夹具结构简单，便于制造
3.2工件的的定位基面的确定，夹具的夹紧，定位方案的分析、对比与确定：
1、由上述工艺分析，根据定位基准的选择原则
（1）尽量使工件的定位基准与工序基准重合，以避免产生基准不符合误差Δjb，由于新的加工的加工的工件的工序基准是连杆的二端面，因此尽量选择连杆二端面作为定位基准，从而避免产生基准不符合误差。
（2）应尽量用精基准作为定位基准，以保持有足够的定位精度。
依据这些要求，考虑在工位I是以毛坯面作为定位基面，工位II以加工后的精基面作为定位基面，用此初步采用二种定位方案：
方案一：
工位I以大小头端面为定位基面，采用可调支撑钉作为粗基准定位元件，这样可避免由于各批毛坯尺寸不稳定所引起的后工序的加工余量的变化而影响工件的加工质量。
这样定位后，连杆的六个自由度被限制三个，即z、x、y自由度，剩下的三个自由度x、y、z，在连杆大头用固定的v形块以大头外圆为定位基准定位，小头用活动v形块以小头外圆作为定位基准，从而限制了x、y、z自由度，满足工件加工时自由度限制的要求。
（六个自由度全部限制）
工位II：
以加工后的连杆大、小端面作为定位基面，采用固定支撑钉作为定位元件，限制了x、y、z，以固定v形块和活动v形块并以大、小头外圆作为定位基准，限制了x、y、z，使工件的六个自由度全部限制，满足工件定位要求。
方案二：
工位I：
以大、小头端面作为定位基准，以可调支撑钉作为粗基准定位元件，在大头，以大头外圆作为定位基准，采用固定v形块作为定位元件，小头以外圆作为定位基准，以固定支撑钉作为定位元件，这样可使工件的x、y、z、x、y、z，六个自由度全部限制。
工位II：
以加工过的端面作为精基准，采用固定支撑钉作为定位元件，大、小头分别以外圆为定位基准，大头以固定v形块定位，小头以固定支撑钉作为定位元件，从而使工件的六个自由度x、y、z、x、y、z，全部限制。
3.3二种方案比较：
方案一：
可使工件安装平稳，并满足基准重合原则，将粗、精基准分开，保证了工件的定位精度，小头都采用活动v形块可避免在装夹过程中发生干涉。
此外，采用微型块，使工件的对称中性好。
但夹具的结构复杂定位可靠性欠佳。
方案二：
满足基准重合原则，粗精基准分开，保证了工件的加工精度，定位可靠，结构简单。
2.经过上述定位方案的分析和确定，连杆的六个自由度就全部限制了，连杆在夹具中的位置只可能有一个，而且不会出现过定位和欠定位，定位的问题被解决了。
下面就考虑夹紧问题。
本设计的夹具所设计的夹紧装置主要有二部分组成。
①产生力源部分：
这部分我们采用手动螺旋夹紧机构，即通过手柄操作，是动力传递到夹紧元件上。
②夹紧部分：
主要由手柄、螺母、螺杆、活动压块组成，力通过手柄、螺母、螺杆传递到活动支撑板直接作用于连杆工件，一方面活动支撑板起到支撑作用（限制X、Y），用以补偿因毛坯尺寸变化而产生对定位精度的影响，同时又起加紧作用，避免另外设计夹紧机构，减少了夹紧机构的复杂性。
夹紧力作用于连杆并通过连杆垂直作用于固定V形块工作面，使之位于工件与V形块接触线长度中央，均能将工件夹紧在定位装置上而且支撑反力在姐能面上的分布比较均匀，从而保证定位要求，使工件定位稳定可靠。
此外夹紧力施于工件刚性较好的部位。
由此可见，这种夹紧方式合理的。
考虑二件应同时夹紧和拆卸，为了避免工件同时装夹时产生的干涉以及才做方便，我们将压块与螺杆组成一个活动压紧装置，这样就起到夹紧作用，又避免装夹过程中的干涉，还可方便地进行工件的装夹和拆卸，在铣削过程中，由固定V形块侧面支撑钉及压块共同承受铣削时的铣削力钜，同时，二端面由定位置支撑定位，承受轴向铣削力，达到夹紧作用。
3.4夹具的结构方案的确定与评比
铣削加工时，连杆的切削用量为3mm，所需的切削力较大，且切削力的大小和方向是变化的，加工时易振动，为了防止因产生振动而影响工件定位稳定和夹紧的可靠性。
为此，所设计的夹具采用整体结构形式，具有刚性好。
夹具与机床工作台通过四个T形螺栓联接安装，使之在工作台上稳定。
夹紧机构中与螺栓配合使用的螺纹衬套压入夹具体内并通过螺钉锁紧，以防止铣削轴向力过大而破坏夹紧。
3.5计算及精度分析，主要尺寸、公差及技术条件确定的说明
1、定位误差的分析及计算：
由上述定位方案可知，加工连杆端面，以平面定位，
基准不符合误差△jb=0
基准位移误差△jw=0
总的定位误差△dw=0
2、精度分析，主要尺寸，公差及技术条件确定的说明，由公式得：
∑△=△D+△A+△T+△G≤K
其中△D=0Dt=0
考虑到机床精度的影响，取△G=0.08mm
ΔA由定位元件的公差及夹具垂直方向尺寸的公差构成，为满足
ΣΔ=ΔD+ΔA+Δr+ΔG≤δk
则：
ΔA=δK-（Δd+ΔR+ΔG）
=0.21-0.08=0.13
为此，取定位支撑钉公差为ΔN=0.04mm
夹具体垂直方向尺寸公差为Δ=0.08mm
则ΣΔ=0+（0.08+0.04）+0.8=0.02＜0.21满足要求
3、夹紧力的分析与计算：
由设计任务书：
连杆的材料为20GMnMo、HB=197-225，选择200mm端铣刀，要求工件表面粗糙度为Ra=12.5um，采用粗铣，铣削厚度为3mm，每齿进给量由表查得，取0.2mm／齿
由刀具表查得，200mm端铣刀齿数10，宽度70mm
取切削进度v=2m／分
连杆σb=1200MPa。
单位铣削力伟3900~4511MPm㎡
由公式：
P切=PF总=PBtsz∕πD
其中B=110（连杆大端直径为55mm）
t=3mmS齿=0.2mm／齿Z=10
D=200mm
∴P切=4200x110x3x0.2x10／πx200=4411.76N
计算得
P纵／P切=0.3P纵=0.3P切=0.3x4411.76=1323.53N
P横／P切=0.9P横=0.9P切=0.9x4411.76=
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