柴油机连杆的工艺设计

1、中北大学课程设计说明书第1章柴油机连杆分析1.1柴油机连杆零件的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部分组成，柴油机连杆大 头是分开的，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的变截面非圆形杆件，其杆身截面从大头到小头逐步变小，以 适应在工作中承受的急剧变化的动载荷。其形状也比较复杂，很多表面并不容易加工，不管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。基本要求如：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 对称面之间的偏移<0.6，杆身横向对称面对大小头孔中心偏移&

2、lt;1.首先必须保证大头中心孔中心线和小头孔中心线之间的平行度，这样才能保证柴油 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的平行度，以及两 端面中心线与两孔中心线之间的垂直度，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；第三个要保证的是柴油机连杆体和盖的分和面之间的配合和吻合， 以保证大头孔的圆柱度，以免刮伤轴瓦；第四要确保大小头孔中心线之间的距离，如果 其得不到保证，将保证不了发动机在工作时的气体压缩比等。1.2零件的工艺分析由零件图可知：可将其分为三组加工表面。它们相互间有一定的位置要求。现分析如下：首先柴油机连杆的加工表面如下：（1） 以端面互为基准

3、加工的两端面。（2） 以小头孔为中心的加工有：钻两个4的油孔，加工侧面工艺凸台。（3） 以大头孔为中心的加工表面有：加工M12螺栓孔。柴油机连杆精度的参数主要有五个：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的对称；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的尺寸精度、形状精度；5.柴油机连杆大头螺栓孔与接合面的垂直度。其余技术参数如下表：表1技术要求项目具体要求或数值满足的主要性能大、小头孔的椭圆度，锥度椭圆度0.012锥度0.014保证与衬套、轴瓦的良好配合两孔中心距0.030.05气缸气体的压缩比两孔轴线在同一个平面内在柴

4、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的垂直度0.015减少曲轴颈边缘磨损两螺孔中心线（定位孔）的位置精度在两个在45方向上的平行度：0.020.04，对结合面的垂直度：0.015保证正常承载和轴颈与轴瓦的良好配合第2章机械加工工艺规程设计2.1生产纲领的确定生产纲领的大小对生产组织和零件加工工艺过程起着重要的作用，它决定了各工序 所需专业化和自动化的程度，以及所选用的工艺方法和工艺装备。零件生产纲领计算:N=Qn(1+%)(1+%) 式子中：N零件的年生产纲领（件/年）；Q产品的年生产量（台/年）；n每台产品中，该零件的数量（

5、件/台）；%备品率；%废品率。根据教材中生产纲领与生产类型及产品大小和复杂程度的关系，确定其生产类型。 图3.1为某产品上的一个柴油机连杆零件。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%，机械加工废品率选择为0.5%，每台产品中该零件的数量为 1件。N=Qn(1+%)(1+%)10000×1+10%×(1+0.5%)=11054件/年柴油机连杆零件的年产量为10000件，现已知该产品属于中型机械，根据生产类型与生 产纲领的关系查阅参考文献，确定其生产类型为大量生产。大量生产的工艺特征：（1）零件的互换性：具有广泛的互换性，少数装配精度较高处，

6、采用分组装配法和 调整法。（2）毛坯的制造方法和加工余：广泛采用金属模机器造型，一般采用模锻。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，专用量具或自动检验装置，靠调整 法达到精度要求。（5）对工人的技术要求：对调整工的技术要求高，对操作工的技术水平要求较低。（6）工艺文件：有工艺过程卡或工序卡，关键工序要调整卡和检验卡。（7）成本：较低。（8）生产率：高。（9）工人劳动条件：较好。2.2柴油机连杆的材料选择与毛坯的制造方法2.2.1柴油机连杆的材料选择考虑到在该工艺方案中采用铣结合面工

7、艺，那么选择材料也是很重要的。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，经过淬火和高温回火处理，处理后一般硬度在HBS288HBS269之间后来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一样的力学性能，省去了淬火和高温回火， 从而降低了成本。后来为了减少机加工，更进一步降低成本，于是开发了用粉末冶金的方法来制造柴油机连杆，大大减少了机加工。而且粉末冶金柴油机连杆的质量公差小， 更适合用于发动机柴油机连杆是的制造。美国就广泛的运用粉末冶金的方法来生产柴油机连杆。实际上它是一种含0.7%左右的尚碳钢。柴油机连杆的主要材料为粉末烧结材料、高碳微合金非

8、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有一定优越性，首先锻造后空冷不需要热处理；装配后柴油机连杆体与柴油机连杆盖的裂解面能紧密地接触并相互锁定，使其不产生错位和移动，提高了与曲轴零件的配合，同时也提高了曲轴的刚度，大大地改善了发动机的性能。减轻柴油机连杆的重量一直都是柴油机连杆制造上讨论的一个主题，如果采用粉末冶金技术，在不改变柴油机连杆形状结构的前提之下会导致柴油机连杆的重量增加15%30%，这样使得柴油机连杆得重量有了很大的增加，那么发动机的重量也会在一定程度的增加，会影响其使用性能。如果用粉末冶金制造柴油机连

9、杆，就必须重新设计柴油机连杆的形状结构，以减轻柴油机连杆的重量。综上所述，考虑了各种因素，并经过组内成员的共同讨论，最后决定采用45钢作为本次设计中柴油机连杆的材料。2.2.2 45钢的成分和力学性能45钢中主要各化学成分质量百分比分别为：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的铁素体，抗拉强度 为：900MPa1050 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，用以提高材料的强度。铣结合面工艺要求柴油机连杆切断后的塑性变形最小，又要保证材料有良好的可切 削加工性能。45为高碳钢，含C量提高

10、后，便增加了钢材的淬透性能，假如保持含Mn量不变，柴油机连杆锻造空冷后硬度会提高，而且金相组织中可能会出现贝氏体，恶化可切削加工性能，须通过适当途径降低含Mn量。为了改善可切削加工性，提高了含S量，钢中的Mn和S的亲和力大于Fe和S的亲和力，优先形成MnS，从而降低钢的塑性，防止金相组织中可能会出现的贝氏体；另外FeS会引 起钢的“热脆”，促进了铣削时的断裂。Mn和S结合时含Mn量又不能过低，至少要高于S 三倍的含量。45钢的力学性能：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/MPa990580146106552.2.3毛坯的制造方法由于柴油机连杆在发动

11、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。而且该零件的年产量是10000, 已经达到了大量生产的水平，要求其生产率比较高，零件尺寸不是很大，再者为了保证 它的尺寸精度、加工精度，故选择模锻。模锻工艺要求柴油机连杆锻件在胀断过程之中不能有过大的塑性变形，因此模锻柴油机连杆性能的合格就是保证柴油机连杆达到理想的脆性断裂的因素。用于模锻工艺的45系列高碳非调质钢，它的成分特点是低硅，低锰及添加了微量合 金元素钒和易切削的S元素，范围窄，纯度高。2.3机械加工余量及毛坯尺寸公差确定（1）锻件公差等级 由于功用和技术要求，公差等级为一般精

12、度。（2）材质系数 碳质量分数小于0.65%的碳素钢。故该锻件材质系数属M1级。（3）锻件分模线形状 零件高度方向的对称平面为分模面，属平直分模线。 确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29-0.280437大头孔上下端面33-0.050-0.025237小头孔530+0.0181439根据模锻的基本要求，在零件的基本尺寸上加上加工余量24mm，所以在加工多数表面 在基本尺寸的基础上单面加2mm，一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指定工序定位基准的选择定位基准有粗基准和精基准之分。在加工起始

13、工序中，只能用毛坯尚未曾加工过的 表面作为定位基准，则该表面称为粗基准；利用已加工表面作为定位基准，则称为精基 准。其基准的选择也是工艺规程设计之中的重要问题之一，定位基准的选择合理与否， 将直接影响所制订的零件加工工艺规程的质量。基准选择不当，往往会增加工序，或使 工艺路线不合理，或使夹具设计困难，甚至达不到零件的加工精度（特别是位置精度） 要求，造成零件报废等情况。选择粗基准时主要考虑两个问题：一是保证加工表面与非加工表面之间的相互位置 精度要求；二是合理分配各加工面的加工余量。粗、精基准具体选择时参考下列原则：（1）对于同时具有加工表面和不加工表面的零件，为了保证不加工表面与加工表 面之

14、间的位置精度，应选择非加工表面作为粗基准。（2）对于具有较多加工表面的工件，选择粗基准时，应考虑合理分配各加工表面 的加工余量。（3）粗基准应避免重复使用。在同一尺寸方向上，粗基准通常只能使用一次，以 免产生较大的定位误差。精基准的选择应从保证零件加工精度出发，同时考虑装夹方便、夹具结构简单。选 择精基准一般应考虑如下原则：(1) “基准重合原则为了较容易地获得加工表面对其设计基准的相对位置精度要 求，应选择加工表面的设计基准为其定位基准。这一原则称为基准重合原则。如果加工表面的设计基准与定位基准不重合，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方便地加工其它表

15、面 时，应尽可能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的费用，提高生产率，并可避免因基准转 换所造成的误差。（3）“自为基准原则当工件精加工或光整加工工序要求余量尽可能小而均匀时， 应选择加工表面本身作为定位基准，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的拟定方案如下：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、铰两螺栓孔中间检验精镗大小头孔珩磨大头孔中间检验钻小头油孔去毛刺压入衬

16、套精镗衬套控中间检验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全部毛刺清洗最后检验一共29道工序，从柴油机连杆使用性能的基本要求来看，该工艺方案能基本达到要求。2.6连杆加工工艺设计应考虑的问题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。2.6.2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

17、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。2.6.3 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。2.7切削用量的选择原则正确地选择切

18、削用量，对提高切削效率，保证必要的刀具耐用度和经济性，保证加 工质量，具有重要的作用。2.8确定加工余量用查表法确定机械加工余量：（1） 平面加工的工序余量（mm）表4单面加工方法单面余量经济精度工序尺寸表面粗糙度毛坯3712.5粗铣1.0IT12（-0.16+0.16）35（-0.16+0.16）12.5精铣0.5IT10（-0.05+0.05）34（-0.05+0.05）3.2磨0.5IT8(-0.050-0.025)33(-0.050-0.025)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0.4H6（0+0.019）535

19、3（0+0.019）0.4精镗1.5H8（0+0.046）52.252.2（0+0.046）0.8半精镗1.5H11（0+0.16）49.249.2（0+0.16）1.6二次粗镗1.8H12（0+0.25）46.246.2（0+0.25）6.3一次粗镗1.8H12（0+0.25）42.642.6（0+0.25）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1.5H8（0+0.027）3333（0+0.027）1.6粗镗2H9（0+0.052）3030（0+0.052）6.3扩2H10（0+0.084）2626（0+0.084）1

20、2.5钻钻至20H130+0.3322220+0.3312.52.9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：33-0.232-0.170 fz=0.08mm/齿 工步1 粗铣上平面，精铣上平面（1） 背吃刀量：粗铣 ap1=1.0mm 精铣 ap2=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fz取0.08mm/z（3） 切削速度，由工序采用铣刀 dw=80mm z=10 Vc=44.9mm/zns=1000Vcd=1000×44.9×80=178.65r/min查表3.7 取nw=160r/

21、min实际切削速度Vc=dnw1000=×80×1601000=40.2mm/minnw=160r/min, 工作台每分钟进给量fmfm=fzznw=0.08×10×160mm/min=128mm/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kr=90° 查表5.41铣小孔端面：l1=0.5(d-d2-ae2)+13mm=0.8mm l2=2mm l=41mm 铣大孔：l1=0.5d-d2-ae2+(13)mm=16mm l2=2mm l=63mm t1=2×41+8+2125+63+16+2125=2.1

22、1min 工步2 t2=2.11min工序2 粗磨二孔端面，保证尺寸 33.20+0.050mm（1） 选择砂轮，见工艺手册磨料选择表 结果为WA46KV6P350×40×127（2） 切削用量选择砂轮转速n砂=1500r/min V砂=27.5m/s轴向进给量fa=0.5B=20mm工件速度Vw=10m/min径向进给量fr=0.015mm（3） 切削工时，当加工小孔端面一个表面时 T1=2LbZbk1000Vfafr=2×412×0.5×1.11000×10×20×0.015=0.62min 当加工大孔端时 t

23、2=1.36min 则加工大小孔端面两面时 tm=2t1+t2=3.96min工序3 退磁工序4 钻、扩小头孔 钻至22 扩至26（1） 钻孔22mm确定进给量f:根据切削手册表2.7 当钢的b<800MPa d0=22mm时 f=0.390.47mm/r本零件在加工孔时为低刚度零件，进给量应乘0.75则 f=0.290.35(mm/r)根据Z535机床说明书取f=0.32mm/r切削速度查表得V=18m/min则ns=1000Vdw=229r/min取nw=195r/min实际切削速度V=15.3m/min切削工时： l=33 l1=2mm l2=3mm tm=33+2+3195

24、15;0.32=0.56min（2） 扩孔26扩孔切削用量f=1.21.8f钻=(1.21.8)×0.32 取 f=0.57mm/r V=(12+13)V钻 取主轴转速nw=68r/min 实际切削速度 V=7.9m/min切削工时 tm=33+2+3nwf=0.98min 工序5 倒角2×45°双面，采取90°锪钻，为缩短辅助时间，取倒角时主轴转速与扩孔时相同。所以n=68r/min 手动进给 工序6 粗镗小头孔，镗后直径30，选用机床T740金刚镗床粗镗孔至30，单边余量Z=4mm一次镗去全部余量 ap=4mm 进给量f=0.1mm/r 镗床切削速度

25、V=100m/min nw=1000VD=1061r/min 因为无级调速 取nw=1061r/min l=33mm l1=3mm l2=4mm tm=33+3+41061×0.1=0.37min 工序7 粗镗大头孔至46.2mm 选用镗床与工序6相同 粗镗两次，单边余量 3.6mm ap=1.8mm t1=l+l1+l2nwf=0.37min tm=2t1=0.74min 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：Vc=cVTmapxvfyvkv=116m/min 切削工时：t=l+l1+l2nf=0.17min 工

26、序9 打成套编号工序10 粗铣螺栓孔平面 fz=0.08mm/齿 切削速度 V=27m/min 采用高速钢镶齿三面刃铣刀 dw=80mm z=10 则 ns=107r/min 采用X51立式铣床 取nw=100r/min 实际切削速度：V=dwnw1000=25.1m/min 当nw=100r/min 每分钟进给量 fm=fzznw=80mm/min 查表，取 fm=80mm/min 切削工时：l1=3mm l2=4mm l=18.25mm t1=25.2580=0.31min tm=4t1=1.24min 工序11 精铣 同工序10 tm=1.24min 工序12 钻，铰两螺栓孔 根据Z53

27、5机床说明书取f=0.2mm/r,V=20m/min ns=1000VD=540r/min 取nw=530r/min V=19.6m/min l=55.96mm l1=2 l2=3 t1=l+l1+l2nwf×2=1.15min 铰工步： ap=0.1mm Vc=14m/min f=0.8mm/r ns=1000Vdw=1000×14×12=371r/min Z535 钻床 取转速 nw=400r/min 实际切削速度Vc=dwnw1000=×12×4001000=15m/min t2=l+l1+l2fn=71.060.8×400=0

28、.22min 工序13 中间检验工序14 半精、精镗大头孔 至49.2mm 半精镗 ap=1.5mm 精镗 ap=1.5mm 工序15 珩磨大头孔 工序16 中间检验 工序17 钻小头油孔 钻4mm 锪8mm 深至3mm f=0.2mm/r V=5m/min ns=1000Vd=397r/min 取nw=400r/min V=5.03m/min 锪孔：l=3mm l1=1mm t1=l+l1fn=0.05min tm=2t1=0.1min 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Z=0.1mm ap=0.1mm f=0.1mm/r n=1016r/min V=nD=

29、93r/min l=33mm l1=3mm l2=4 t1=l+l1+l2nf=0.37min 工序21 中间检验 工序22 车小头二端面及孔口倒角 ap=1mm f=0.5mm/r 切削速度Vc=cvTmapxvfyvkv=128m/min 机床主轴转速 ns=1000Vcdw=993r/min 取nw=955r/min 则实际切削速度 V=123m/min l=41-282=6.5mm l1=2mm l2=0 ls=0 tm=l+l1+l2+lsnwf×2=8.5955×0.5×2=0.04min 工序23 铣开 工序24 锪螺栓孔口倒角 工序25 钻连杆盖定

30、位销孔 工序26 钻连杆体定位销孔 工序27 去全部毛刺 工序28 清洗 工序29 最后检验 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，保证加工质量降低劳动强度，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工序尺寸和技术要求钻孔22，扩孔26，表面粗糙度Ra 12.5m。3.1.2 生产类型生产类型为大批生产。3.2拟定钻床夹具结构方案与绘制夹具草图3.2.1确定工件定位方案，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180±0.05mm，从基准的重合原则和定位稳定、可靠出发，选择端面为主要

31、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39f6H7 定位销尺寸的设计 D1=70mm L1=20mm L2=28mm h=10mm d1=39mm d2=39mm d0=16mm L=22mm （2） 辅助支撑钉 衬套与夹具体配合性质一般选H7/r6支撑钉与衬套配合性质选E7/r6D=6mm H=6mm L=11mm d=4mm （3） 活动V形块 A55 JB/T8018.4-1999 N=55mm B=65mm H=20mm 相配件 d为M20 L=85mm b3=11mm b2=28mm b1=17mm l1=15mm 3.2.2设计夹紧装置（1）螺钉AM20×80 JB/T8006.4-1999 M20 d0=16mm D=30mm H=25mm L1=15mm L=120mm （2）带肩六角螺母 M16×1.5 JB/T 8004.1-1999 D=30mm H=25mm