发动机连杆加工工艺分析与设计doc.docx
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发动机连杆加工工艺分析与设计
因为连杆是活塞式发动机和压缩机的主要零件之一，其大头孔与曲轴连接，小头孔通过活塞销与活塞连接，其作用是将活塞的气体压力传送给曲轴，又收曲轴驱动而带动活塞压缩汽缸中的气体。
连杆承受的是冲击动载荷，因此要求连杆质量小，强度高。
所以在安排工艺过程时，按照先基准后一般”的加工原则。
连杆的主要加工表面为大小头孔和两端面，较重要的加工表面为连杆体和盖的结合面及螺栓孔定位面。
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。
在对其设计中我们先对连杆工艺过程分析，联系实际通过对其具体设计的了解进行连杆机械加工工艺过程分析及其一些机械加工余量、工序尺寸的确定。
关键词：
发动机，连杆，定位基面，工艺设计
第一章发动机的概述
1.1发动机的定义1.2发动机的发展历史1.3发动机的分类1.4发动机的总体结构
第二章连杆的分析
2.1连杆的作用
2.2连杆的结构特点
2.3连杆的工艺分析
第三章连杆工艺规程设计
3.1确定连杆的材料和毛坯
3.2连杆的机械加工工艺过程
3.4连杆的机械加工工艺过程的夹紧方法
第四章连杆机械加工工艺过程分析
4.1.工艺过程的安排.
4.2连杆主要加工表面的工序安排
10
12
4.3连杆机械加工工艺路线
第五章机械加工余量、工序尺寸的确定
5.1大头孔两端面的加工余量及工序尺寸
12
5.2小头孔端面加工余量及工序尺寸
12
5.3小头孔的加工余量及工序尺寸
12
5.4大头孔的加工余量及工序尺寸
13
5.5螺栓孔加工余量及工序尺寸
13
5.6小头油孔加工余量及工序尺寸
13
5.7连杆盖定位销孔加工余量及工序尺寸
14
14
14
5.8小头油孔加工余量及工序尺寸
5.9确定切削用量及工时
15
5.10工艺卡片的制订
29
参考资料
30
附录
31
第一章发动机的概述
1.1发动机的定义
发动机，又称为引擎，是一种能够把一种形式的能转化为另一种更有用的能
的机器，通常是把化学能转化为机械能。
（把电能转化为机器能的称谓电动机）有时它既适用于动力发生装置，也可指包括动力装置的整个机器，比如汽油发动机,航空发动机。
1.2发动机的发展历史
发动机最早诞生在英国，所以，发动机的概念也源于英语，它的本义是指那
种“产生动力的机械装置”。
随着科技的进步，人们不断地研制出不同用途多种类型的发动机，但是，不管哪种发动机，它的基本前提都是要以某种燃料燃烧来产生动力。
所谓外燃机，就是说它的燃料在发动机的外部燃烧，发动机将这种燃烧产生的热能转化成动能，瓦特发明的蒸汽机就是一种典型的外燃机，当大量的煤燃烧产生热能把水加热成大量的水蒸汽时，高压便产生了，然后这种高压又推动机械做功，从而完成了热能向动能的转变。
此外还有燃气轮机，这种发动机的工作特点是燃烧产生高压燃气，利用燃气的高压推动燃气轮机的叶片旋转，从而输出动力。
燃气轮机使用范围很广，但由于很难精细地调节输出的功率，所以汽车和摩托车很少使用燃气轮机，只有部分赛车装用过燃气轮机。
人类的智慧是无穷无尽的，各种新型的发动机不断地被研制出来，但是，出
于安全操控的需要，到目前为止，我们可爱的摩托车还只有一种选择一一往复式发动机。
1.3发动机的分类
（1）
按使用燃料分:
汽油机、柴油机等。
按工作循环分:
四冲程发动机、二冲程发动机。
（3）
按气门位置分:
顶置气门式发动机、侧置气门式发动机。
按气缸排列分:
直列式发动机、V型发动机。
（5）
按气缸数分：
单缸发动机、多缸发动机。
1.4发动机的总体结构
发动机的两大机构：
曲柄连杆机构、配气机构。
发动机的五大系统：
冷却系、润滑系、燃料供给系、点火系、起动系
第二章连杆的分析
2.1连杆的作用
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。
2.2连杆的结构特点
图2-1连杆的结构图
连杆由连杆及连杆盖两部分组成。
连杆体与连杆盖上的大头孔用螺母和螺栓
与曲轴装配在一起。
如图2-1175U型柴油机连杆的大头孔内装有薄壁金属轴瓦。
轴瓦以刚质为母体，其内表面浇有一层耐磨合金。
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。
连杆小头有活塞销于活塞连接。
小头孔内
压入青铜衬套，一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。
连杆是柴油机的主要零件之一。
它把作用于活塞顶面的膨胀气体的压力传给曲轴，又受曲轴的驱动而带动活塞压缩汽缸中的气体，工作中承受着急剧变化的动载荷。
2.3连杆的工艺分析
各类连杆主要技术条件基于类似，仅在数值上有差别。
下面具体介绍175U型柴油机连杆的主要技术条件。
（1）大小头孔的精度
为了使大头孔与轴瓦及曲轴、小头与活塞销能密切配合，减少冲击的不良影
响和便于传热，大头孔于小头的衬套孔尺寸公差均为IT6。
大头孔表面粗糙度Ra
<0.8卩m,衬套孔表面粗糙度Rav0.4卩m。
大头孔的圆度公差为0.005mm,圆柱
度公差为0.01mm，小头压衬套的底孔的圆度公差为0.007mm,圆柱度公差为0.015mm。
小头衬套孔的圆度公差为0.004mm，圆柱度公差为0.008mm。
（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气缸中倾斜，从而造成气缸壁磨损不均匀，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要求较高；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。
此处规定为：
两孔轴心线在连杆轴线方向的平行度在100mm长度公差为0.03mm；在垂直于连杆轴线方向的平行
度在100mm长度上公差为0.06mm。
⑶大小头孔的中心距
大小头孔的中心距影响到气缸的压缩比，即影响到柴油机的效率，所以规定了比较高的要求：
180±0.05mm。
（4）大头孔两端面对大头孔轴心线的垂直度
大头孔两端面对大头孔轴心线的垂直度影响到轴瓦的安装和磨损；同时，这个垂直度在加工过程中将影响到加工小头孔两端面时的定位精度，所以对它也提
出了一定的要求：
大头孔两端面对大头孔轴心线的垂直度在100mm长度上公差为0.1mm。
（5）有关螺栓孔的技术要求
连杆在工作过程中承受着急剧变化的动载荷，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：
螺栓孔按公差等级IT8和
表面粗糙度Rav3.2卩m；两螺栓孔在互相垂直的两个方向的平行度在100mm长
度上公差为0.15mm；螺栓孔两端面对螺栓孔轴心线的圆跳动在100mm长度上公
差为0.2mm。
（6）有关结合面的技术要求
在连杆受动载荷时，结合面的歪斜使连杆盖及连杆体沿着结合面产生相对错位，使曲轴的连杆劲和轴瓦结合不良，从而产生不均匀磨损。
结合面的平面度将影响到连杆体、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。
此处规定：
结合面对大头孔端面的垂直度在100mm长度上公
差为0.2mm,结合面的平面度公差为0.01mm。
连杆的结构形式，直接影响机械加工工艺的可靠性和经济性。
影响连杆结构工艺性的因素，主要有以下几方面。
（1）连杆盖和连杆体的连接方式
连杆盖和连杆体的定位方式，主要有连杆螺栓、套筒、齿形和凸肩四种方式。
用连杆螺栓和螺栓孔的尺寸公差都较小，螺栓孔尺寸公差一般为H7,表面粗糙度
Ra为1.6卩m；用齿形或凸肩定位，定位精度高，接合稳定性好，制造工艺也较简单，连杆螺栓孔为自由尺寸，接合面上的齿形或凸肩可采用拉削方法加工，适用于大批大量生产；成批生产时，可用铣削方法加工。
（2）连杆大、小头厚度
考虑到加工时的定位、加工中的输送等要求，连杆大、小一般采用相等厚度。
对于不等厚度的连杆，为了加工定位和夹紧的方便，也常在工艺过程中先按等厚度加工，最后再将连杆小大头加工至所需尺寸。
（3）连杆杆身油孔的大小和深度
活塞削与连杆小头衬套孔之间需进行润滑，很多发动机连杆采用压力润滑。
为此，在连杆杆身钻有油孔，润滑油从连杆大头沿油孔向小头衬套，油孔一般为
①4mm~O8mm的深孔。
由于深孔加工困难，有些连杆以阶梯孔代替小直径通孔,从而改善了工艺性。
也可以改变润滑方式，以避免深孔加工。
第三章连杆工艺规程设计
3.1确定连杆的材料和毛坯
汽车发动机连杆的材料一般采用45钢（精选含碳的质量分数为
0.42%~0.47%）或40Cr、35CrMo，并经调质处理，以提高其强度及抗冲击能力。
我国有些工厂也有用球墨铸铁制造连杆的。
钢制连杆一般采用锻造。
在单件小批生产时，采用自由锻造或简单的胎模进行锻造；由于我们这次要进行的是在大批大量生产，所以我们采用模锻。
模锻一般分两个工序进行，即初锻和终锻，通常在切边后进行热较正。
中、小型的连杆,其大、小头的端面常进行精压，以提高毛坯精度。
45
模锻生产率高，但需要较大的锻造设备。
在本课题中连杆设计我们采用钢，钢制连杆采用锻造来完成。
3.2连杆的机械加工工艺过程
连杆的尺寸精度、加工表面形状精度以及位置精度的要求都很高，但刚性比较差，容易产生变形，这就给连杆的机械加工带来了很多困难，必须予以充分的重视。
孔作为主要基面，并用大头处指定一侧的外圆面作为另一基面。
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，并可达到基准统一，减少定位误差。
在安装工件时，注意将成套编号标记的一面不与夹具的定位元件接触。
在精镗小头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。
当连杆用小头孔及衬套孔定位并夹紧后，从小头孔中抽出假销，进行加工。
3.4连杆的机械加工工艺过程的夹紧方法
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而影响加工精度。
例如：
在粗铣而端面的夹具中，夹紧力的方向与端面平行，在夹紧力作用的方向上，大头端部与小头端部的刚性高，变形小，即使有一些变形，亦产生在平行于端面的
方向上，很少或不会影响端面的平行度。
夹紧力通过工作直接作用在定位元件上,可避免工作产生弯曲或扭转变形。
又例如：
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，只以大头端面定位,并且只大头这一端。
小头一端以假销定位后，用辅助支承在一侧面托信，用螺钉在另一侧面夹紧。
小对一端不在端面上定位夹紧，避免可能产生的变形。
第四章连杆机械加工工艺过程分析
4.1.工艺过程的安排
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，切削时会产生较大的残余内应力，并引
起内应力的重新分布;
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工。
这样,粗加工生产的变形就可以在半精加工中得到修正；半精加工中生产的变形可以在精加工中得到修正，最后达到零件的技术要求。
（1）
两端面:
粗铣、粗磨、半精磨、
（2）
小头孔:
钻孔、扩孔、拉孔、精
（3）
大头孔:
粗镗、半精镗、精镗;
（4）
螺栓孔:
钻孔、扩孔、铰孔。
各主要表面的工序安排如下:
，压入衬套后再精镗;
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。
4.2连杆主要加工表面的工序安排
连杆的主要加工表面为大、小头孔、端面、连杆盖与连杆体的接合面和连杆螺栓孔；次要加工表面为油孔、锁口槽等。
此外，还有检验、清洗、去毛刺等工序。
大头孔的加工顺序一般为：
大头孔的加工顺序一般为：
粗镗一半精镗一金刚镗一珩磨。
为了保证主要表面的加工精度和表面粗糙的要求，连杆在机械机械加工时,粗加工、精加工和光整加工工序分阶段进行。
由于连杆刚度较差，在确定夹紧力的作用点时，应使连杆在夹紧力与切削力的作用下产生的变形最小。
有时，为了减小变形和消除内应力对加工精度的影响,增加了一些辅助工序，如在金刚镗大头孔之前，将连接连杆盖与连杆体的螺栓松开，使大头孔在粗加工后产生的变形，而在精镗工序中消除。
在连续式拉床组成的连杆拉削自动线上，也采取松开连杆的方法，使其变形后再在下一工序中得到修正。
根据连杆的结构特点及机械加工的要求，各表面的加工顺序大致可归纳为:
加工大、小头端面；加工基准孔（小头孔）和工艺凸台；粗、半精加工主要表面
（包括大头孔、接合面及螺栓孔等）；把连杆盖和连杆体装配在一起；精加工连杆总成；校正连杆总重量；对大、小头孔进行精加工和光整加工。
4.3连杆机械加工工艺路线
在进行大量的工艺分析之后，制定出大批大量生产连杆的加工工艺路线:
（1）
锻造
⑵
铣两平面
（3）
粗磨两平面
（4）
退磁
（5）
钻扩小头孔
（6）
锪小头孔口倒角
（7）
拉小头孔
（8）
粗镗大头孔
（9）
车大头外圆
（10）
打成套编号
（11）
粗铣螺栓孔平面
（12）
精铣螺栓孔平面
（13）
钻扩铰两螺栓孔
（14）
中间检验
（15）
半精磨两平面
（16）
退磁
（17）
半精镗大头孔
（18）
精镗小头孔
（19）
中间检测
（20）
钻小头油孔
（21）
去毛刺
（22）
压入衬套
（23）
铣开
（24）
去全部毛刺
（25）
螺栓孔口的倒角
（26）
钻连杆盖定位销孔
（27）
钻连杆体定位销孔
（28）
装配连杆体和连杆盖
（29）
精磨两平面
（30）
精镗衬套孔及大头孔
（31）
精细镗大头孔
（32）
中间检验
（33）
车小头两端面及孔口倒角
（34）
去全部毛刺
（35）
清洗
（36）
最后检验
第五章机械加工余量、工序尺寸的确定
5.1大头孔两端面的加工余量及工序尺寸:
175n型柴油机的材料采用45钢，生产类型为大批大量生产，采用模锻方式。
5-10
根据上述原始资料及加工工艺，分别确定的各加工表面的机械加工余量、工
序尺寸。
确定大头孔两端面的加工余量及工序尺寸如下表
表5-1:
大头孔两端面的加工余量及工序尺寸
工序名称
工序余量
经济精度
工序尺寸及公差
粗铳
2mm
IT13
34±0.2
粗磨
0.5mm
IT10
33.5±0.05
半精磨
0.3mm
IT8
33.2±0.02
精磨
0.2mm
IT7
33-0.025
33-0.050
5.2小头孔端面加工余量及工序尺寸:
确定小头孔端面加工余量及工序尺寸如下表
5-20
表5-2:
小头孔端面加工余量及工序尺寸
工序名称
工序余量
经济精度
工序尺寸及公差
粗铳
2mm
IT13
34±0.2
粗磨
0.5mm
IT11
33.5±0.05
半精磨
0.3mm
IT8
33.2±0.02
精磨
0.2mm
IT7
33-0.025
33-0.050
铳落差
4mm
IT7
2900.29
5.3小头孔的加工余量及工序尺寸:
确定小头孔的加工余量及工序尺寸如下表5-30
表5-3:
小头孔的加工余量及工序尺寸
工序名称
工序余量
经济精度
工序尺寸及公差
钻孔
30mm
IT11
①3o+r
扩孔
2mm
IT20
①320：
拉孔
0.5mm
IT7
①32.50.03
精镗
0.5mm
IT7
①330.027
5.4大头孔的加工余量及工序尺寸:
确定大头孔的加工余量及工序尺寸如下表5-4。
表5-4:
大头孔的加工余量及工序尺寸
工序名称
工序余量
经济精度
工序尺寸及公差
粗镗
5mm
IT10
不"0.10
①450
半精镗
2mm
IT9
①520.05
精镗
1mm
IT8
不0.019
①530
5.5螺栓孔加工余量及工序尺寸:
确定螺栓孔加工余量及工序尺寸如下表5-5。
表5-5:
螺栓孔加工余量及工序尺寸
工序名称
工序余量
经济精度
工序尺寸及公差
钻孔
5mm
IT11
①11.2+00.110
扩孔
0.6mm
IT9
①11.8常43
铰孔
0.2mm
IT8
①12：
.027
5.6小头油孔加工余量及工序尺寸:
确定小头油孔加工余量及工序尺寸如下表5-6。
表5-6:
小头油孔加工余量及工序尺寸
工序名称
工序余量
经济精度
工序尺寸及公差
钻孔
4mm
IT11
①4+0.110
5.7连杆盖定位销孔加工余量及工序尺寸:
确定连杆盖定位销孔加工余量及工序尺寸如下表
5-7。
表5-7:
连杆盖定位销孔加工余量及工序尺寸
工序名称
工序余量
经济精度
工序尺寸及公差
钻孔
3mm
IT11
①3+00.110
5.8小头油孔加工余量及工序尺寸:
确定小头油孔加工余量及工序尺寸如下表5-8。
表&小头油孔加工余量及工序尺寸
工序名称
工序余量
经济精度
工序尺寸及公差
钻孔
3.5mm
IT11
①3.5+00.110
5.9确定切削用量及工时
5.9.1扩钻孔①32；0'10
利用①32+0.10的钻头对①30mm的孔进行扩钻。
根据有关手册的规定，扩钻的
切削用量可以根据钻孔的切削用量选取
f=（1.2~1.8）f钻=（1.2~1.8）X0.65X0.75=0.585~0.87（mm/r）
根据机床说明书，选取f=0.65mm/r
V=（1/2~1/3）V钻=（1/2~1/3）X12=6~4（mm/min）
则主轴转速为n=51.6~34r/min并按孔机床说明书取nw=68r/min,
实际切削速度为
V=ndwnw/1000=nX37X68/1000=7.9（m/min）
切削工时：
l=33.5mml=6mml=3mm
T1=（33.5+6+3）/nwf=42.5/68X0.65=1.01（min）
5.9.2扩孔①32.50'030
采用刀具：
①32.5专用扩孔钻。
进给量：
f=（0.9~1.2）X0.7（《切削手册》表2.10）
=0.63~0.84（mm/r）
查机床说明书，取f=0.65mm/r
机床主轴转速：
取n=68r/min,则其切削速度v=8.26m/min
机动工时l=33.5mml=3mml=3mm
T1=（33.5+3+3）/nf=39.5/68X0.65=0.93（min）
5.10工艺卡片的制订
175n连杆零件工艺过程卡片如下表5-9。
表5-9:
175n型柴油机连杆机械加工工艺过程卡
机械加工工艺过程综合卡片
产品名称
零件名称
材
料
某柴
油机厂
75n型柴油机
连杆
45钢
序
号
工序
名称
技术条件及检查
要求
工序
简图
设
备
夹
具
1
锻造
按连杆锻造工艺
进行
双面铳专
铳
夹
具
粗铳
两平
铳到尺寸34±
0.2
粗磨
两平
磨完一面后，翻
身，磨另一面，保
证尺寸33.5±
0.05
退磁
钻、
扩小
头孔
钻至①30,
扩至①32：
.10
用
机
床
M74
75
型
转
盘
磨
床
Z53
钻？
30扩?
32+0
5
滑
型
柱
立
式
式
钻
钻
模
床
锪小
头孔
口倒
一面锪好后，锪另
一面
拉小
头孔
拉后孔径为①
32.50.030
粗镗
大头
粗镗至①450/0
大小头孔中心距
保证180±0.05
Z53
5
型
立
式
钻
床
L55
型
立
式
拉
床
镗
孔
专
用
->■
}
/---——
I
■r
180±0.05
/-■i.1
45+°.10
/32.5+?
'030
车大
头外
打成
车大头外圆直径
至①74.5爲6
10
套编
工作I
C61
8K
11
先在工位I铳一
27.48
29.48
6
1
1
1
6
9
Z=.•-
一
1
1
J
1,
.1
1
1
56.96±0.34
X62
粗铳
螺栓
孔平
个螺栓孔的两端
面，再翻身在工位
n铳另一个螺栓
孔的两端面
工作n
4
27.48
29.48
1
1
r
1■_
1,
L■■
1
5696±0.34
具,
12
13
14
精铳
螺栓
孔平
钻、
扩、
铰两
螺栓
中间
检验
先在工位I铳一
个螺栓孔的两端
面，再翻身在工位
n铳另一个螺栓
孔的两端面
钻①11.2，扩①
11.8
120.027
'20
1）两螺栓孔距
离59±0.1
2）螺栓孔轴心
线与大头孔端面距
离16.75±0.10
3）两孔的平行
度在100mm长度上
公差为0.15
4）端面G对螺
栓孔的圆跳动在
100mm长度上公差
0.20
1）尺寸检验:
①59±0.1
工作I
G
G
X62
1.
3
•
I-.
『一
1
■'J-'V
—L…桎
u
•_■y
工作n
26.98
28.98
T
Z
1
56.96±0.1
Z53
29.5±0.1
③
⑤
180±0.05
⑧
⑩
两K孔在两个
2）
互相垂直方向的
平行度在100mm
长度上公差为
0.15
3）G面对K孔的
圆跳动在100mm
长度上公差为
0.20
④
⑦
②
⑥
⑨
不0.027
①120
74.50.08
八八+0.2
6.60
10.5：
.2
半精
15
磨两
平面
28.98±0.14
55.96±0.1
26.98±0.2
16.75±0.10
M74
75
磨完
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