柴油机连杆的基本工艺设计.doc

第1章柴油机连杆分析

1.1柴油机连杆零件作用
柴油机连杆由柴油机连杆大头、杆身和柴油机连杆小头三某些构成，柴油机连杆大 头是分开，一半与杆身为一体，一半为柴油机连杆盖，柴油机连杆盖用螺栓和螺母与 曲轴主轴颈装配在一起。
柴油机连杆是较细长变截面非圆形杆件，其杆身截面从大头到小头逐渐变小，以 适应在工作中承受急剧变化动载荷。
其形状也比较复杂，诸多表面并不容易加工，不论是在其工作过程之中还是在加工 过程中也很容易产生变形。
基本规定如：柴油机连杆杆身不垂直度<0.5,小头、大头两端面对称面与杆身相应 对称面之间偏移<0.6，杆身横向对称面对大小头孔中心偏移<1.
一方面必要保证大头中心孔中心线和小头孔中心线之间平行度，这样才干保证柴油 机连杆在工作过程中平稳不刮曲轴和轴瓦；第二个就是保证两个端面平行度，以及两 端面中心线与两孔中心线之间垂直度，用于保证工作中不会刮伤曲轴平衡块，可以减 少噪声，保持平稳；第三个要保证是柴油机连杆体和盖分和面之间配合和吻合， 以保证大头孔圆柱度，以免刮伤轴瓦；第四要保证大小头孔中心线之间距离，如果 其得不到保证，将保证不了发动机在工作时气体压缩比等。
1.2零件工艺分析
由零件图可知：
可将其分为三组加工表面。它们互相间有一定位置规定。现分析如下：
一方面柴油机连杆加工表面如下：
（1） 以端面互为基准加工两端面。
（2） 以小头孔为中心加工有：钻两个Φ4油孔，加工侧面工艺凸台。
（3） 以大头孔为中心加工表面有：加工M12螺栓孔。
柴油机连杆精度参数重要有五个：1.柴油机连杆大端中心面和小端中心面相对于柴油机连杆身中心面对称；2.柴油机连杆大小头空中心距尺寸精度；3.柴油机连杆大小头孔平行度；4.柴油机连杆大小头孔尺寸精度、形状精度；5.柴油机连杆大头螺栓孔与接合面垂直度。
别的技术参数如下表：
表1
技术规定项目
详细规定或数值
满足重要性能
大、小头孔椭圆度，锥度
椭圆度0.012
锥度0.014
保证与衬套、轴瓦良好配合
两孔中心距
0.030.05
气缸气体压缩比
两孔轴线在同一种平面内
在柴油机连杆轴线平面内：0.03，在垂直柴油机连杆轴线平面内：0.06
减少气缸壁和曲轴颈磨损
大孔两端面对轴线垂直度
0.015
减少曲轴颈边沿磨损
两螺孔中心线（定位孔）位置精度
在两个在45方向上平行度：0.020.04，对结合面垂直度：0.015
保证正常承载和轴颈与轴瓦良好配合

第2章机械加工工艺规程设计

2.1生产大纲拟定
生产大纲大小对生产组织和零件加工工艺过程起着重要作用，它决定了各工序 所需专业化和自动化限度，以及所选用工艺办法和工艺装备。
零件生产大纲计算:N=Qn(1+α%)(1+β%) 式子中：
N……零件年生产大纲（件/年）；
Q……产品年生产量（台/年）；
n……每台产品中，该零件数量（件/台）；
α%……备品率；
β%……废品率。
依照教材中生产大纲与生产类型及产品大小和复杂限度关系，拟定其生产类型。 图3.1为某产品上一种柴油机连杆零件。该柴油机连杆用于6105柴油机，年产量为 10000台。设其备品率为10%，机械加工废品率选取为0.5%，每台产品中该零件数量为 1件。
N=Qn(1+α%)(1+β%)10000件/年
柴油机连杆零件年产量为10000件，现已知该产品属于中型机械，依照生产类型与生 产大纲关系查阅参照文献，拟定其生产类型为大量生产。
大量生产工艺特性：
（1）零件互换性：具备广泛互换性，少数装配精度较高处，采用分组装配法和 调节法。
（2）毛坯制造办法和加工余：广泛采用金属模机器造型，普通采用模锻。毛坯精 度高，加工余量小。
（3）机床设备及其布置形式：广泛采用专用机床及自动机床，按流水线和自动排列 设备。
（4）工艺装备：广泛采用高效夹具，复合刀具，专用量具或自动检查装置，靠调节 法达到精度规定。
（5）对工人技术规定：对调节工技术规定高，对操作工技术水平规定较低。
（6）工艺文献：有工艺过程卡或工序卡，核心工序要调节卡和检查卡。
（7）成本：较低。
（8）生产率：高。
（9）工人劳动条件：较好。
2.2柴油机连杆材料选取与毛坯制造办法
2.2.1柴油机连杆材料选取
考虑到在该工艺方案中采用铣结合面工艺，那么选取材料也是很重要。在过去其发动机柴油机连杆多采用中碳钢或者中碳合金钢，通过淬火和高温回火解决，解决后普通硬度在HBS288〜HBS269之间•日后为了减低成本研发了非调质钢并用与生产，在锻造后空冷，通过析出强化得到与淬火高温回火同样力学性能，省去了淬火和高温回火， 从而减少了成本。日后为了减少机加工，更进一步减少成本，于是开发了用粉末冶金办法来制造柴油机连杆，大大减少了机加工。并且粉末冶金柴油机连杆质量公差小， 更合用于发动机柴油机连杆是制造。美国就广泛运用粉末冶金办法来生产柴油机连杆。事实上它是一种含0.7%左右尚碳钢。
柴油机连杆重要材料为粉末烧结材料、高碳微合金非调质钢、球墨铸铁以及可锻铸铁，其中45钢和粉末烧结材料应用最广。
与粉末冶金柴油机连杆相比，45钢在成本和使用性能上都具备一定优越性，一方面锻造后空冷不需要热解决；装配后柴油机连杆体与柴油机连杆盖裂解面能紧密地接触并互相锁定，使其不产生错位和移动，提高了与曲轴零件配合，同步也提高了曲轴刚度，大大地改进了发动机性能。
减轻柴油机连杆重量始终都是柴油机连杆制造上讨论一种主题，如果采用粉末冶金技术，在不变化柴油机连杆形状构造前提之下会导致柴油机连杆重量增长15%〜30%，这样使得柴油机连杆得重量有了很大增长，那么发动机重量也会在一定限度增长，会影响其使用性能。如果用粉末冶金制造柴油机连杆，就必要重新设计柴油机连杆形状构造，以减轻柴油机连杆重量。
综上所述，考虑了各种因素，并通过组内成员共同讨论，最后决定采用45钢作为本次设计中柴油机连杆材料。
2.2.2 45钢成分和力学性能
45钢中重要各化学成分质量比例分别为：C为0.72%，Mn为0.5%，S为0.06%，P为0.009%，V为0.04%;其金相组织为珠光体加断续铁素体，抗拉强度 为：900MPa〜1050 MPa，屈服极限为520MPa，最大延伸率为10%。其中Mn作为强化项而存在，用以提高材料强度。
铣结合面工艺规定柴油机连杆切断后塑性变形最小，又要保证材料有良好可切 削加工性能。45为高碳钢，含C量提高后，便增长了钢材淬透性能，如果保持含Mn量不变，柴油机连杆锻造空冷后硬度会提高，并且金相组织中也许会浮现贝氏体，恶化可切削加工性能，须通过恰当途径减少含Mn量。
为了改进可切削加工性，提高了含S量，钢中Mn和S亲和力不不大于Fe和S亲和力，优先形成MnS，从而减少钢塑性，防止金相组织中也许会浮现贝氏体；此外FeS会引 起钢“热脆”，增进了铣削时断裂。Mn和S结合时含Mn量又不能过低，至少要高于S 三倍含量。
45钢力学性能：
表2
极限抗拉强度
/MPa
屈服强度
/MPa
伸长率
（%）
压缩屈服强度
/MPa
剪切强度
/MPa
990
580
14
610
655

2.2.3毛坯制造办法
由于柴油机连杆在发动机工作中要承受交变载荷以及冲击性载荷，一次应选用锻造， 以使金属纤维尽量不被切断，保证柴油机连杆可靠地工作。并且该零件年产量是10000，已经达到了大量生产水平，规定其生产率比较高，零件尺寸不是很大，再者为了保证 它尺寸精度、加工精度，故选取模锻。
模锻工艺规定柴油机连杆锻件在胀断过程之中不能有过大塑性变形，因而模锻柴油机连杆性能合格就是保证柴油机连杆达到抱负脆性断裂因素。
用于模锻工艺45系列高碳非调质钢，它成分特点是低硅，低锰及添加了微量合 金元素钒和易切削S元素，范畴窄，纯度高。
2.3机械加工余量及毛坯尺寸公差拟定
（1）锻件公差级别
由于功用和技术规定，公差级别为普通精度。
（2）材质系数
碳质量分数不大于0.65%碳素钢。故该锻件材质系数属M1级。
（3）锻件分模线形状
零件高度方向对称平面为分模面，属平直分模线。
拟定锻件尺寸公差和机械加工余量：
表3
加工表面
零件尺寸
机械加工余量
毛坯尺寸
小头孔上下端面

4
37
大头孔上下端面

2
37
小头孔

14
39

依照模锻基本规定，在零件基本尺寸上加上加工余量2〜4mm，因此在加工多数表面 在基本尺寸基本上单面加2mm，某些特殊表面如螺钉座面上加2mm，侧面工艺凸台加工精度不是很高，在其表面加1mm。
2.4指定工序定位基准选取
定位基准有粗基准和精基准之分。在加工起始工序中，只能用毛坯尚未曾加工过 表面作为定位基准，则该表面称为粗基准；运用已加工表面作为定位基准，则称为精基 准。其基准选取也是工艺规程设计之中重要问题之一，定位基准选取合理与否， 将直接影响所制定零件加工工艺规程质量。基准选取不当，往往会增长工序，或使 工艺路线不合理，或使夹具设计困难，甚至达不到零件加工精度（特别是位置精度） 规定，导致零件报废等状况。
选取粗基准时重要考虑两个问题：一是保证加工表面与非加工表面之间互相位置 精度规定；二是合理分派各加工面加工余量。
粗、精基准详细选取时参照下列原则：
（1）对于同步具备加工表面和不加工表面零件，为了保证不加工表面与加工表 面之间位置精度，应选取非加工表面作为粗基准。
（2）对于具备较多加工表面工件，选取粗基准时，应考虑合理分派各加工表面 加工余量。
（3）粗基准应避免重复使用。在同一尺寸方向上，粗基准普通只能使用一次，以 免产生较大定位误差。
精基准选取应从保证零件加工精度出发，同步考虑装夹以便、夹具构造简朴。选 择精基准普通应考虑如下原则：
(1) “基准重叠〃原则为了较容易地获得加工表面对其设计基准相对位置精度要 求，应选取加工表面设计基准为其定位基准。这一原则称为基准重叠原则。
如果加工表面设计基准与定位基准不重叠，则会增大定位误差。
(2 ) “基准统一〃原则当工件以某一组精基准定位可以比较以便地加工其他表面 时，应尽量在多数工序中采用此组精基准定位，这就是"基准统一〃原则。
采用"基准统一〃原则可减少工装设计制造费用，提高生产率，并可避免因基准转 换所导致误差。
（3）“自为基准〃原则当工件精加工或光整加工工序规定余量尽量小而均匀时， 应选取加工表面自身作为定位基准，这就是"自为基准〃原则。例如磨削床身导轨面时， 就以床身导轨面作为定位基准。
2.5柴油机连杆加工工艺过程拟定
方案如下：
铣两平面（粗铣、精铣）→粗磨二孔端面→退磁→钻、扩小头孔→倒角→粗镗小头孔→粗镗大头孔→车大头外圆→打成套编码→粗铣螺栓孔平面→精铣→钻、铰两螺栓孔→中间检查→精镗大小头孔→珩磨大头孔→中间检查→钻小头油孔→去毛刺→压入衬套→精镗衬套控→中间检查→车小头二端面及孔口倒角→铣开→锪螺栓孔口倒角→钻连杆盖定位销孔→钻连杆体定位销孔→去所有毛刺→清洗→最后检查
一共29道工序，从柴油机连杆使用性能基本规定来看，该工艺方案能基本达到规定。
2.6连杆加工工艺设计应考虑问题
2.6.1 工序安排
连杆加工工序安排应注意两个影响精度因素：（1)连杆刚度比较低，在外力作用下容易变形；（2)连杆是模锻件，孔加工余量大，切削时会产生较大残存内应力。因而在连杆加工工艺中，各重要表面粗精加工工序一定要分开。
2.6.2定位基准
精基准：以杆身对称面定位，便于保证对称度规定，并且采用双面铣，可使某些切削力抵消。
统一精基准：以大小头端面，小头孔、大头孔一侧面定位。由于端面面积大，定位稳定可靠；用小头孔定位可直接控制大小头孔中心距。
2.6.3 夹具使用
应具备适应“一面一孔一凸台”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”状况，这时小头定位销应做成活动，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垂直度。为此，精铣端面时，夹具可考虑重复定位状况， 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）。长销定位目就在于保证垂直度。但由于重复定位装御有困难，因而规定夹具制造精度较高，且采用一定办法，一方面长圆柱销削去一边，另一方面设计顶出工件装置。
2.7切削用量选取原则
对的地选取切削用量，对提高切削效率，保证必要刀具耐用度和经济性，保证加 工质量，具备重要作用。
2.8拟定加工余量
用查表法拟定机械加工余量：
（1） 平面加工工序余量（mm）
表4
单面加工办法
单面余量
经济精度
工序尺寸
表面粗糙度
毛坯

37
12.5
粗铣
1.0
IT12）
35）
12.5
精铣
0.5
IT10）
34）
3.2
磨
0.5
IT8
33
1.6

（2） 大头孔各工序尺寸及其公差
表5
工序名称
工序基本余量
工序经济精度
工序尺寸
最小极限尺寸
表面粗糙度
珩磨
0.4
H6
Φ53
Φ53
0.4
精镗
1.5
H8
Φ52.2
Φ52.2
0.8
半精镗
1.5
H11
Φ49.2
Φ49.2
1.6
二次粗镗
1.8
H12
Φ46.2
Φ46.2
6.3
一次粗镗
1.8
H12
Φ42.6
Φ42.6
12.5

（3） 小头孔各工序尺寸及其公差
表6
工序名称
工序基本余量
工序经济精度
工序尺寸
最小极限尺寸
表面粗糙度
精镗
1.5
H8
Φ33
Φ33
1.6
粗镗
2
H9
Φ30
Φ30
6.3
扩
2
H10
Φ26
Φ26
12.5
钻
钻至Φ20
H
Φ22
Φ
12.5

2.9切削用量及工时计算
工序1 铣（粗铣、精铣）
铣两平面，保证尺寸：

工步1 粗铣上平面，精铣上平面
（1） 背吃刀量：粗铣 =1.0mm 精铣 =0.5mm
（2） 进给量：X51型立式铣床功率4.5KW，查表5.8：
高速钢套式面铣刀粗铣平面进给量
取0.08mm/z
（3） 切削速度，由工序采用铣刀 =80mm z=10 =44.9mm/z
=178.65r/min
查表3.7 取160r/min
实际切削速度40.2mm/min
160r/min，工作台每分钟进给量
mm/min128mm/min
查表3.7得机床进给量125mm/min
由面铣刀对称铣平面，主偏角90 查表5.41
铣小孔端面：
铣大孔：

工步2
工序2 粗磨二孔端面，保证尺寸
（1） 选取砂轮，见《工艺手册》磨料选取表 成果为
WA46KV6P35040127
（2） 切削用量选取
砂轮转速r/min
轴向进给量
工件速度
径向进给量
（3） 切削工时，当加工小孔端面一种表面时

当加工大孔端时
则加工大小孔端面两面时
工序3 退磁
工序4 钻、扩小头孔
钻至Φ22 扩至Φ26
（1） 钻孔Φ22mm
拟定进给量f:依照《切削手册》表2.7 当钢
Φ22mm时 f0.390.47mm/r
本零件在加工孔时为低刚度零件，进给量应乘0.75
则
依照Z535机床阐明书取f0.32mm/r
切削速度查表得18m/min
则
取
实际切削速度
切削工时：

（2） 扩孔Φ26
扩孔切削用量f
取 f

取主轴转速
实际切削速度
切削工时
工序5
倒角2双面，采用90锪钻，为缩短辅助时间，取倒角时主轴转速与扩孔时相似。因此n68r/min 手动进给
工序6
粗镗小头孔，镗后直径Φ30，选用机床T740金刚镗床
粗镗孔至Φ30，单边余量Z=4mm
一次镗去所有余量
进给量f=0.1mm/r
镗床切削速度=100m/min

由于无级调速 取

工序7
粗镗大头孔至Φ46.2mm
选用镗床与工序6相似
粗镗两次，单边余量 3.6mm

工序8 车大头外圆
切削深度：单边余量Z=1.5mm 可一次切除
进给量：f=0.5mm/r
计算切削速度：
切削工时：t
工序9 打成套编号
工序10 粗铣螺栓孔平面

切削速度
采用高速钢镶齿三面刃铣刀
则
采用X51立式铣床 取
实际切削速度：
当 每分钟进给量
z
查表，取
切削工时：

工序11 精铣 同工序10

工序12 钻，铰两螺栓孔
依照Z535机床阐明书取f=0.2mm/r,

取

铰工步：

Z535 钻床 取转速
实际切削速度

工序13 中间检查
工序14 半精、精镗大头孔 至Φ49.2mm
半精镗
精镗
工序15 珩磨大头孔
工序16 中间检查
工序17 钻小头油孔 钻Φ4mm 锪Φ8mm 深至3mm

取
锪孔：

工序18 去毛刺
工序19 压入轴套
工序20 精镗衬套孔
单边余量

工序21 中间检查
工序22 车小头二端面及孔口倒角

切削速度
机床主轴转速 取
则实际切削速度

工序23 铣开
工序24 锪螺栓孔口倒角
工序25 钻连杆盖定位销孔
工序26 钻连杆体定位销孔
工序27 去所有毛刺
工序28 清洗
工序29 最后检查
第三章专用钻扩孔夹具设计
3.1夹具设计任务
为了提高劳动生产率，保证加工质量减少劳动强度，需设计专用夹具为工序4钻扩小头孔设计钻床夹具，所用机床为Z535型立式铣床，大批生产类型。
3.1.1工序尺寸和技术规定
钻孔Φ22，扩孔Φ26，表面粗糙度 12.5μm。
3.1.2 生产类型
生产类型为大批生产。
3.2拟定钻床夹具构造方案与绘制夹具草图
3.2.1拟定工件定位方案，设计定位装置
分析工序简图可知孔O为0.004，中心线间距离为，从基准重叠原则和定位稳定、可靠出发，选取端面为重要定位基准面。大头孔为另一定位基准面。
（1） 定位元件采用定位销定位
定位销与定位孔配合，限制四个自由度，又端面用螺母通过开口垫圈压紧，实现工件完全定位。
定位孔与定位销配合尺寸取
定位销尺寸设计

（2） 辅助支撑钉
衬套与夹详细配合性质普通选H7/r6
支撑钉与衬套配合性质选E7/r6

（3） 活动V形块 A55 JB/T8018.4-1999

相配件 d为M20

3.2.2设计夹紧装置
（1）螺钉AM2080 JB/T8006.4-1999

（2）带肩六角螺母 M161.5 JB/T 8004.1-1999

垫圈 A2050 JB/T 8008.5-1999

3.2.3拟定导向方案，设计导向装置
（1）可换钻套 22F730K625 JB/T 8045.2-1999
26F742K625 JB/T 8045.2-1999
（2） 衬套 A3042 JB/T 8045.4-1999
（3）排屑空间 （0.71.5）d h20mm
3.2.4夹详细设计
锻造，材料HT200 工艺性好，吸振性好，壁厚25mm
活动V形块
导板：

配合公差级别见夹具图。

参照文献
[1]  于大国主编.机械制造技术基本与工艺学课程设计设计教程. 国防工业出版社，
[2]  白海清主编.典型零件工艺设计.北京大学出版社，1995
[3]  刘志峰主编. 制造制造工艺及专用夹具设计指引书. 高等教诲出版社，1994
[4]  李益民主编.机械制造工艺设计简要手册. 机械工业出版，
[5]  艾兴主编.切削用量简要手册.高等教诲出版社，1966
[6]  濮良贵. 机械设计. 高等教诲出版社，1996
[7]  王栋. 机械制造工艺学课程设计指引书. 机械工业出版社，

总结
加工工艺编制和专用夹具设计，使对零件加工过程和夹具设计有进一步提高。在这次设计中也遇到了不少问题，如在编写加工工艺时，对所需加工面先后顺序编排，对零件加工精度和劳动生产率均有相称大影响。在对某几种工序进行专用夹具设计时，对零件定位面选取，采用什么方式定位，夹紧方式及夹紧力方向拟定等等都存在问题。这些问题都直接影响到零件加工精度和劳动生产率，为达到零件能在保证精度前提下进行加工，并且以便迅速，以提高劳动生产率，减少成本目。通过不懈努力和指引教师精心指引下，针对这些问题查阅了大量有关资料。最后，将这些问题一一解决。
完毕了本次设计，通过做这次设计，使对专业知识和技能有了进一步提高，为后来从事本专业技术工作打下了坚实基本。