连杆工艺设计及有限元分析说明书

1摘要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。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。连杆在工作中，除承受燃烧室燃气产生的压力外，还要承受纵向和横向的惯性力。因此，连杆在一个复杂的应力状态下工作。它既受交变的拉压应力、又受弯曲应力。本次毕业设计针对汽车发动机连杆进行工艺设计编制及有限元分析。涉及连杆的选材、确定毛坯、拟定工艺路线、选择工艺设备。本论文通过CAD，PROE，ANSYS 等对连杆进行了绘制与分析，并且对连杆的加工工艺进行了编制。得到了工艺过程和连杆的有限元分析。关键字：连杆，工艺编制，有限元分析2ABSTRACTInternal parts of the engine is an important link, the link is to effect reciprocation of the piston into rotary motion of the crankshaft, and the piston acting on the gas pressure to the crank set. Role of the piston rod and the crankshaft are coupled together, the reciprocating linear motion of the piston into rotary motion of the crank to the output power, therefore, the connecting rod will directly affect the precision of the performance of the diesel engine, and the process selection is direct The main factors that affect the accuracy. Link at work, in addition to withstand the pressure generated by combustion of gas, but also to withstand the longitudinal and transverse inertia force. Thus, the link to work in a complex stress state. Both by alternating tension and compression stresses, but also by bending stresses.The graduation project preparation process design and finite element analysis for automotive engine connecting rod. Selection involves connecting rod to determine the rough, develop process route, select process equipment. In this thesis, CAD, PROE, ANSYS, etc. on the link were drawn and analyzed, and the process for connecting rod were prepared. And by a process of finite element analysis of the connecting rod.KEY WORDS: connecting rod，process planning ，finite element analysis3目 录第一章 绪 论 .- 5 -1.1 课题研究的意义 .- 5 -1.2 国内外现状 .- 5 -1.3 论文的章节安排 .- 6 -第二章 连杆的工艺编制 .- 8 -2.1 连杆的结构分析 .- 8 -2.1.1 连杆的作用 .- 8 -2.1.3 连杆的工艺分析 .- 8 -2.1.4 连杆的材料和毛坯选择 .- 10 -2.2 连杆机械加工工艺过程 .- 11 -2.3 连杆工艺过程的安排 .- 12 -2.3.1 两个影响加工精度的主要因素 .- 12 -2.3.2 确定合理的夹紧方法 .- 13 -2.3.3 定位基准的选择 .- 13 -2.3.4 连杆大小头孔的加工 .- 15 -2.3.5 连杆螺栓孔的加工 .- 15 -2.4 连杆加工工艺应考虑的问题 .- 16 -2.4.1 工序安排 .- 16 -2.4.2 定位基准 .- 16 -2.4.3 夹具使用 .- 16 -2.4.4 粗精加工时切削用量的选择原则 .- 17 -2.5 连杆机械加工工艺路线 .- 18 -2.6 各工序的加工余量 .- 27 -第三章 连接受载荷情况下的有限元分析 .- 29 -3.1 连杆的有限元分析过程和结果 .- 29 -4第四章 全文总结 .- 45 -致 谢 .- 46 -参考文献 .- 47 -毕业设计小结 .- 48 -5第一章 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，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6（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7文中都得到了充分的反映，论文内容的章节安排如下：第一章 绪论 课题研究的意义和国内外的现状第二章 连杆的工艺编制 连杆的结构 分析工艺过程第三章 连杆受载荷情况下的有限元分析 有限元分析过程和结果第四章 总结与展望8第二章 连杆的工艺编制2.1 连杆的结构分析2.1.1 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。2.1.2 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。2.1.3 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。91.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 0.4m；大头孔的圆柱度公差为 0.012 mm，小头孔公差等级为 IT8，表面粗糙度 Ra 应不大于 3.2m。小头压衬套的底孔的圆柱度公差为 0.0025 mm，素线平行度公差为 0.04/100 mm。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 100 mm 长度上公差为 0.04 mm；在垂直与连杆轴心线方向的平行度在 100 mm 长度上公差为 0.06 mm。 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：1900.05 mm。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 0.8m, 小头两端面的尺寸公差等级为 IT12，表面粗糙度 Ra 不大于 6.3m。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 6.3m 加工；两螺栓孔在大头孔剖分面的对称度公差为 0.25 mm。102.1.4 连杆的材料和毛坯选择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。选择毛坯应综合考虑一下几方面的因素：1)零件材料及对零件力学性能的要求。零件材料为 45 号钢料，且零件力学性能要求较高，所以不管形状简单与复杂，连杆毛坯都应该选择锻件。如果零件材料是铸铁或青铜，毛坯就只能够采用铸造，而不是锻造。2)生产类型。连杆生产属于大批量生产，应选毛坯精度和生产率都较高的先进毛坯制造方法，使毛坯的形状、尺寸精良接近零件的形状、尺寸，以节约材料减少机械加工工作量，因此所节约的费用远远超出毛坯制造所增加的费用，获得好的经济效益。3)生产条件。选择连杆毛坯时应尽可能考虑现有的生产条件，如现有的毛坯制造水平和设备情况、外协的可能性等。充分考虑利用新工艺、新技术和新材料。本次设计连杆采用的是 45 号钢。由于该连杆在工作过程中要承受冲击载荷和摩擦，为增强连杆的耐摩强度和抗冲击韧度，获得更好的纤维组织，毛坯选用锻11件。又因为该连杆属于轻型零件，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。2.2 连杆机械加工工艺过程本次设计的连杆的毛坯是锻造而成，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 60mm。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 210mm 螺栓孔。12 扩 先扩 212mm 螺栓孔，再扩 213mm 深 19mm 螺栓孔并倒角。13 铰 铰 212.2mm 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 100120N.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。1219 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。2.3 连杆工艺过程的安排2.3.1 两个影响加工精度的主要因素（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。132.3.2 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。2.3.3 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（21）所示：在安装工件时，注意将成套编号标记的一面不14图 2-1 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15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。2.3.4 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 0.4m，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。2.3.5 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16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。2.4 连杆加工工艺应考虑的问题 2.4.1 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。2.4.2 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。2.4.3 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17设计顶出工件的装置。2.4.4 粗精加工时切削用量的选择原则粗加工时加工精度与表面粗糙度要求不高,毛坯余量较大。因此，选择粗加工的切削用量时，要尽可能保证较高的单位时间金属切削量（金属切除率）和必要的刀具耐用度，以提高生产效率和降低加工成本。金属切除率可以用下式计算：Zw V.f.a p.1000式中：Z w 单位时间内的金属切除量（mm 3/s）V 切削速度（m/s）f 进给量（ mm/r）ap 切削深度（ mm）提高切削速度、增大进给量和切削深度，都能提高金属切除率。但是，在这三个因素中，影响刀具耐用度最大的是切削速度，其次是进给量，影响最小的是切削深度。所以粗加工切削用量的选择原则是：首先考虑选择一个尽可能大的吃刀深度 ap,其次选择一个较大的进给量度 f，最后确定一个合适的切削速度 V.选用较大的 ap 和 f 以后，刀具耐用度 t 显然也会下降，但要比 V 对 t 的影响小得多，只要稍微降低一下 V 便可以使 t 回升到规定的合理数值，因此，能使 V、f 、a p 的乘积较大，从而保证较高的金属切除率。此外，增大 ap 可使走刀次数减少，增大 f 又有利于断屑。因此，根据以上原则选择粗加工切削用量对提高生产效率，减少刀具消耗，降低加工成本是比较有利的。1）切削深度的选择：粗加工时切削深度应根据工件的加工余量和由机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统的刚性来确定。在保留半精加工、精加工必要余量的前提下，应当尽量将粗加工余量一次切除。只有当总加工余量太大，一次切不完时，才考虑分几次走刀。2）进给量的选择：18粗加工时限制进给量提高的因素主要是切削力。因此，进给量应根据工艺系统的刚性和强度来确定。选择进给量时应考虑到机床进给机构的强度、刀杆尺寸、刀片厚度、工件的直径和长度等。在工艺系统的刚性和强度好的情况下，可选用大一些的进给量；在刚性和强度较差的情况下，应适当减小进给量。3）切削速度的选择：粗加工时，切削速度主要受刀具耐用度和机床功率的限制。切削深度、进给量和切削速度三者决定了切削功率，在确定切削速度时必须考虑到机床的许用功率。如超过了机床的许用功率，则应适当降低切削速度。精加工时加工精度和表面质量要求较高，加工余量要小且均匀。因此，选择精加工的切削用量时应先考虑如何保证加工质量，并在此基础上尽量提高生产效率。1）切削深度的选择：精加工时的切削深度应根据粗加工留下的余量确定。通常希望精加工余量不要留得太大，否则，当吃刀深度较大时，切削力增加较显著，影响加工质量。2）进给量的选择：精加工时限制进给量提高的主要因素是表面粗糙度。进给量增大时，虽有利于断屑，但残留面积高度增大，切削力上升，表面质量下降。3）切削速度的选择：切削速度提高时，切削变形减小，切削力有所下降，而且不会产生积屑瘤和鳞刺。一般选用切削性能高的刀具材料和合理的几何参数，尽可能提高切削速度。只有当切削速度受到工艺条件限制而不能提高时，才选用低速，以避开积屑瘤产生的范围。由此可见，精加工时选用较小的吃刀深度 ap 和进给量 f，并在保证合理刀具耐用度的前提下，选取尽可能高的切削速度 V，以保证加工精度和表面质量，同时满足生产率的要求。192.5 连杆机械加工工艺路线1.锻造2.热处理：正火将钢材或钢件加热到或（钢的上临界点温度）以上，3050保持适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理的工艺。正火的目的：主要是提高材料的力学性能，改善切削加工性，细化晶粒，消除组织缺陷，为后道热处理作好组织准备等。 3.铣：铣两端面，铣连杆大小透亮平面每面留磨量 0.5mm。4.磨：以一大平面定位，磨另一大平面，保证中心线对称，无标记面称为基面。图 3-2 连杆的铣和粗磨5.钻、扩、铰：一基面定位，先钻小头孔 27.8 mm，再扩小头孔 29.09mm，最后铰小头孔 29.49mm。20图 3-3 连杆钻孔6.铣：铣大头两侧，铣两侧面，保证对称（此平面为工艺用基准面）保证990.01MM图 3-4 铣连杆大头7.扩孔：以基面定位，以小头孔定位扩大头孔为 60。21图 3-5 扩孔8.铣：以基面定位和小头孔定位，切开工件，编号连杆体及上盖。图 3-6 铣开连杆9.铣：铣结合面，以基面和一侧面（指 99 0.01mm）定位装夹工件，铣连杆体结合面，保直径方向测量深度 27.5mm10.磨：以基面和一侧面定位装夹工件，磨连杆体和上盖结合面。22图 3-7 铣，磨结合面11.铣：铣斜槽，以基面及结合面定位装夹工件，铣连杆体、盖 5X8mm 斜槽。图 3-8 铣斜槽2312.铣：以基面，结合面和一侧面定位，铣连杆体和上盖的两螺栓座面。图 3-9 铣螺栓座面13.钻 扩：以基面和小头孔定位钻 210mm 螺栓孔。以基面和小头孔定位，先扩 212.2mm，再扩 213mm 深 10mm 螺栓孔。图 3-10 钻扩孔2414.镗：以基面和小头孔定位粗镗大头孔。图 3-11 镗大头孔15.磨：以基面定位精磨两端面，精磨大小头两端面，保证尺寸精度 38mm。图 3-122516.镗：互为基准半精镗大头孔及精镗小头孔，精镗大头孔。图 3-13 精镗大小头孔17.钻：钻连杆小头油孔6.5图 3-14 钻油孔18.挤压：及基面和两侧面定位，压小头铜套孔。19.镗：半精镗、精镗小头衬套孔小头套孔26图 3-15 镗小头套孔20.珩磨：以基面和小头和两侧面定位，精磨大头孔和小头铜套孔，保证尺寸。图 3-16 珩磨27表 3-1 机床设备及工艺装备工序号 工序名 加工设备 刀具 量辅具1 锻造 空气锤 游标卡尺2 热处理 特种淬火机3 铣 立式铣床 合金端铣刀 游标卡尺4 磨 M7350 砂轮 千分尺5 钻扩铰 Z3080 钻头，组刀 游标卡尺6 铣 X62W 立铣刀 游标卡尺7 扩 Z3080 滑柱钻模 游标卡尺8 铣 X62W 锯片铣刀 游标卡尺9 铣 X62W 合金端铣刀 游标卡尺10 磨 M7350 砂轮 千分尺11 铣 X62W 专用铣刀 游标卡尺12 铣 X62W 专用铣刀 游标卡尺13 钻扩 Z3025 麻花钻 游标卡尺14 镗 T68 专用镗杆 游标卡尺15 磨 M7130 砂轮 千分尺16 镗 T2115 YT15 游标卡尺17 钻 Z3025 麻花钻 游标卡尺 塞规18 挤压19 镗 T2115 专用镗杆 游标卡尺、塞 规20 珩磨 珩磨机床 内径千分尺2.6 各工序的加工余量确定大小头两平面加工尺寸 用查表法确定机械加工余量：（根据机械加工工艺手册第一卷 表 3.225 表 3.226 表 3.227）平面加工的工序余量（mm） 表 3-2单面加工方法 单面余量 经济精度 工序尺寸 表面粗糙度精磨 0.1 IT7( )03.38( )170.230.8粗磨 0.5 IT8( )6.038.2( )6.03.2铣 2 IT10( )12.39.2( )12. 6.328确定大头孔加工尺寸（根据机械制造技术基础课程设计指导教程 表 229 表 234）查得大头孔各工序尺寸及其公差小头孔各工序尺寸及其公差（根据机械制造技术基础课程设计指导教程 表 229 表 230）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 0.08 )(6019.H65.565.5 )(6019.H0.4精镗 0.4 84.065.4 65.4 84.00.8半精镗 1 )(19.65 65 )(19.1.6粗镗 4 230.H64 6430.H6.3工序名称工序基本余量工序经济精度 最小极限尺寸表面粗糙度铰 0.2 03.8H03.4923.2扩 5 )(14.08.06.3钻 钻至 23. 3.212.529第三章 连接受载荷情况下的有限元分析3.1 连杆的有限元分析过程和结果首先用 PROE 画出连杆的大体，然后倒入 ANSYS 进行分析。进入 PROE 点击草绘绘制如下图形：图 4-1 草绘然后进行拉伸命令使草图变为实体。图 4-2 拉伸30然后在实体面上进行草绘和拉伸做出双向的凹槽。图 4-3 实体随后点击保存副本，文件类型选择 x-t 类型。打开 ANSYS 打开文件。图 4-4 导入 ANSYS31输入/FACET,NORM /DIST 变为实体，并且划分网格图 4-5 划分网格1.选取材料为 45 刚 SOLID45 MPTEMP MPTEMP,1,0 MPDATA,EX,1,弹性模量2.1E11 MPDATA,PRXY,1,泊松比 0.3 。建立静态时间分析步，选取非线性 on。2.实际工程中，汽车连杆的大头孔是与轴承配合的，而小头孔的内侧受面压力作用。在 ANSYS 中选取大孔内表面级 Y=0 的所有面施加对称约束，在小头孔的内侧节点范围内施加 P=l000psi 面压力。实际工程中，汽车连杆的大头孔是与轴承配合的，在 ANSYS 中选取大孔内表面级 Y=0 的所有面施加对称约束，在小头孔的内侧节点范围内施加 P=l000psi 面压力。32图 4.6 施加载荷图 4.7 应力图33图 4.8 位移结果显示，最大合位移出现在小孔内外表面；最大等效应力出现在小头孔表面上，其值为 0.197MPa。从图中的应力和位移等直线可以看出 :(1)整个连杆结构的最大应力出现在小头孔的承载区范围内，其他部位受力情况较均匀。这与实际情况是相吻合的。(2)最大变形出现在小轴孔表面，而大孔的变形非常小。在实际情况中，由于小孔是承载区，它的变形相对较大，大孔远离承载区，受影响较弱。综合上述分析，有限元分析结果是客观的，较为真实的反应了汽车连杆的受力情况。3. 从上述结果及图形可得出：（1）最大位移出现在连杆小头圆孔处，最大值为 0.02mm，然后逐渐向内递减，到连杆大头圆孔处为最小位移。 （2）最大应力出现在杆与小头圆孔接触处，值为 0.197MPa，是整个连杆最危险的部位，应采取相应的表面处理手段进行强化。ANSYS 程序：34/BATCH /COM,ANSYS RELEASE 12.0.1 UP20090415 19:47:25 05/30/2014 /input,menust,tmp,1 /GRA,POWER /GST,ON /PLO,INFO,3 /GRO,CURL,ON/CPLANE,1 /REPLOT,RESIZE WPSTYLE,0/REPLOT,RESIZE PARAIN,prt01,x_t,D:,SOLIDS,0,0 /NOPR /GO /FACET,NORM /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST ET,1,SOLID45 MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,EX,1,2.1E11 MPDATA,PRXY,1,0.3 ESIZE,0.1,0,/USER, 1 /VIEW, 1, 0.206129824109 , 0.349919919283 , 0.913819755587/ANG, 1, -2.60099027798 /REPLO MSHKEY,0MSHAPE,1,3d 35MSHKEY,0MSHAPE,1,3d MSHKEY,0MSHAPE,1,3d CM,_Y,VOLU VSEL, , , , 1 CM,_Y1,VOLU CHKMSH,VOLU CMSEL,S,_Y VMESH,_Y1 CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 FINISH /SOL/VIEW, 1, 0.810267999347 , 0.275880465558 , 0.517064539451/ANG, 1, 12.2991529585 /REPLO /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,136/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST FLST,2,2,5,ORDE,2 FITEM,2,21 FITEM,2,-22 DA,P51X,ALL,/VIEW, 1, 0.387727510123 , 0.261796322434 , 0.883815627523/ANG, 1, 2.84250228156 /REPLO /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST /DIST,1,1.08222638492,1 37/REP,FAST /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST /ZOOM,1,RECT,1.1788,0.448855 ,0.645653010032 ,0.40877860739 /AUTO,1 /REP,FAST /USER, 1 /VIEW, 1, 0.765846339565 , 0.219492690027 , 0.604402467897/ANG, 1, 10.0412304300 /REPLO /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,138/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST 39/DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1/REP,FAST /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST /DIST,1,1.