毕业设计（论文）发动机连杆工艺设计及结构造型.doc

毕 业 设 计 说 明 书 发动机连杆工艺设计及结构造型 学 号 姓 名 班 级 机电124 专 业 机电一体化技术系 部 机电技术学院 指导老师 完成时间2014 年 9 月 8 日至 2015 年 4月 10 日目 录引 言1第1章 发动机连杆的分析21.1 发动机连杆的介绍2第2章 发动机连杆的加工工艺42.1发动机连杆加工工艺规程42.2发动机连杆的技术要求42.3发动机连杆零件图分析62.4连杆的材料和毛坯102.5确定加工方法122.6制定工艺路线132.7确定加工余量132.8切削用量的选择152.9切削深度的选择152.10进给量的选择152.11切削速度的选择152.12加工工序表见下表16第3章 发动机连杆的三维造型173.1发动机连杆的造型173.2发动机连杆造型的步骤173.3发动机连杆的装配26结 束 语30参考文献31引 言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及可靠性要求越来越高，而连杆的强度、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的材料及制造技术的研究都非常重视。“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：(1)作为高速运动件重量要轻，减小惯性力，降低能耗和噪声；(2)强度、刚度要高，并且要有较高的韧性；(3)连杆比要大，连杆要短。这就意味着对连杆的设计和加工有着更高的要求。其一，杆身有足够的刚度可以预防工作时发生弯曲变形；其二，连杆的大端和连杆盖有足够的刚度，以防大端变形时连杆螺栓承受附加的弯曲应力和大端失圆，使轴承润滑破坏。同时，还要求连杆组具有足够的疲劳强度和冲击韧性。第1章 发动机连杆的分析1.1 发动机连杆的介绍发动机连杆是发动机的最核心传动部件，及连杆链接主动和从动部件传递运动零件。例如在往复活塞式传动机械和压缩机中，用连杆来连接活塞与曲柄。连杆体为钢件，它的主体部分的截面形状大多为工性和圆形，大小端有孔，轴孔内装有轴承来减小摩擦提高使用寿命。柴油机连杆是发动机最重要的部件。活塞和曲轴的作用是把往复直线运动转化成会回运动来输出功率。因而在加工设计之初，先进行CAD和UG的绘图设计，确定外形及轮廓尺寸。在安排加工工艺的过程中，就需要把各主要表面的粗精加工工序分开。慢慢减少切削的余量、来达到消除或减少切削力及内应力的作用，并修正加工后的变形，就一定能达到加工工艺要求的精度要求。1.2发动机连杆的结构特点 图 1.1 发动机连杆连杆工作中，除承受燃料燃烧产生的压力，还要承受横向和径向的惯性力。所以柴油的连杆是在复杂的应力状态下做工的。因此柴油机要求的尺寸和位置精度的很高，而且柴油连杆的结构的刚性较差，很容易产生冲击形变。它的运动中动载荷急剧变化，运动中产生的惯性力使连杆体高频振动,就会使刚性部件的连杆体产生变形，会影响连杆的工作效率即减少它的传动动力，还会磨损活塞的密封圈，让润滑油外泄和灰尘进入影响旋转精度，可能造成活塞拉瓦、拉缸，使发动机无法正常工作。因此对连杆抗振性、刚性及强度提出了很高的要求。 连杆的作用是传递活塞与曲轴间的作用力,并将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动,连杆应保证足够的强度和刚度。发动机连杆为模锻件，由连杆小头、杆身和连杆大头三部分组成。连杆大头是分开的，一半为连杆盖，另一半与杆身为一体，通过连杆螺栓连接起来。连杆大头孔内分别装有轴瓦。由于连杆体与连杆盖的结合面是与大、小头孔中心连线倾斜，故称为斜剖式连杆。连杆小头装有青铜衬套，通过活塞销与活塞连接。连杆大头是可分开式，内装半圆形轴瓦，大头与曲轴连杆轴连。（1）连杆小头 连杆小头与活塞销连接呈浮式结构，发动机工作时活塞销与连杆小头可以相对自由转动，因此沿销的长度方向和圆周方向的磨损比较均匀。为提高摩擦副的耐磨性，连杆小头内孔压入青铜衬套。青铜衬套分为两段，分别从小头的两端压入。小头的顶上有一个集油孔，当曲轴旋转时，激溅起来的机油甩到活塞内腔的顶部，冷却活塞后，落下一部分通过集油孔聚集并流入连杆的小头内孔润滑活塞销。（2）杆身 发动机为了在最小质量时最大的强度和刚度，连杆杆身断面加工成“工”字形。图1.2 发动机连杆第2章 发动机连杆的加工工艺2.1发动机连杆加工工艺规程 1）机械加工工艺规程是组织车间生产的重要技术文件。机械加工工艺规程是车间中一切从事生产的人员都要认真、严格贯彻执行的工艺技术文件，按照它组织生产，就能做到个工序科学的承接，实现优秀、高产量和低消耗。2）机械加工工艺规程是生产准备和计划调度的主要依据。有了机械加工工艺规程，就可以制所生产产品的进度计划和相应的调度计划，使生产均衡、顺利的进行。2.2发动机连杆的技术要求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，来输出动力。因此，柴油机连杆的加工精度和加工工艺性将直接影响柴油机的工作性能，而加工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。2.2.1柴油机连杆部件工艺要求（1）小孔直径55连杆头处要有足够的抗振强度和刚度，并使连杆小头轴承承受的径向压力控制在合理的范围内；（2）杆身应具有足够的疲劳强度，尽可能小的质量，良好的锻造工艺性；（3）大孔直径102连杆头处要有足够的刚度，以减小运动时的变形，防止轴承过热熔接。连焊轴承应具有足够的承载面积；（4）连杆螺栓应具有足够的疲劳强度和一定的超转速工作能力。2.3发动机连杆零件图分析2.3.1零件的功用及其特点发动机连杆是发动机的最核心传动部件，及连杆链接主动和从动部件传递运动零件。例如在往复活塞式传动机械和压缩机中，用连杆来连接活塞与曲柄。连杆体为钢件，它的主体部分的截面形状大多为工性和圆形，大小端有孔，轴孔内装有轴承来减小摩擦提高使用寿命。柴油机连杆是发动机最重要的部件。活塞和曲轴的作用是把往复直线运动转化成会回运动来输出功率。连杆是发动机机中的关键零件之一，它将柴油发动机直线反复运动转换为回转运动，它在工作中主要承受拉压交变应力。它的工作稳定性和可靠性对整台柴油机至关重要。这就涉及到发动机零件的工作部位的加工精度要求，其形状复杂而不规则，对孔本身的加工精度以及面之间的位置精度一般要求较高，杆身断面不大，刚度较差，易变行。2.3.2连杆零件图样和工艺分析（1）连杆零件图样分析1) 图2.3.2.1（1）以102 mm半圆孔为最高精度表面，精度等级为IT6，表面粗糙度为Ra0.8。2)零件小头55 mm的孔的表面精度等级为IT7，表面粗糙度也为Ra0.8。3)零件结合面的表面粗糙度为Ra0.8。4)结合面上的两个定位孔23 mm，孔深6 mm，孔壁表面粗糙度Ra3.2；两孔下还有M18×1.5的螺纹孔；两孔相对基准面A（结合面）有垂直度要求1000.15。5)大端的两面厚度要求65 mm,表面粗糙度RRa1.6；小端两面厚度52 mm,表面粗糙度6.3。6)两大孔中心距为280±0.03，公差为0.06mm。 图2.1 发动机连杆图图 图2.2 发动机连杆盖图（4）零件的工艺分析1）连杆大、小头孔连杆的大头和小头的孔加工精度分别为：IT6和IT7级，而且大端孔的圆孔为102mm的半圆孔，加工很困难，所以考虑到了大端的孔是半圆孔可以考虑到等其他的面和孔加工完后和连杆盖合装构成整个圆孔再进行加工，这样就可以解决了半圆孔的加工困难又保证了连杆和与其配合的连杆盖。两孔的用途是用于装配瓦轴所以要求的表面粗糙度值为R0.8m的要求，所以精加工时要排镗孔和研磨工艺。2）定位孔大端孔两边2-23H11是连杆与连杆盖装配的定位孔，与它们装配时的结合面有垂直度的要求，要求垂直精度为100：0.15。为了保证大端和小端的孔的中心距以及两孔轴线的位置精度，应在连杆与连杆盖合装后在镗床上镗两端大小孔。3）该零件材料为45钢，其工艺性较好，但是由于结构原因刚性较差，加工的时候应尽量避免切削力过大，同时在夹紧时也要注意夹紧力的作用位置和大小等因素。2.3.3计算连杆生产纲领，确定生产类型该零件生产纲领为10万件年，现已知该产品属于轻型机械，根据机械制造工艺设计简明手册中生产类型与生产纲领的关系，可确定其生产类型为大批量生产。2.3.4审查零件图样工艺性连杆零件图样的视图正确、完整，尺寸、公差及技术要求齐图2.3 连杆体零件图图2.4 连杆盖零件图2.4连杆的材料和毛坯24.1连杆的材料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。根据给定的零件图，发动机连杆是一个结构比较复杂的零件，要求材料要容易成形，切削性能好，故选用45号钢，根据生产批量、零件材料及结构，选用模锻的加工方法。这样更有利于材料内部的结构的连续，可以使零件的结构强度更好。2.5确定加工方法2.5.1粗基准的选择（1）按基准先行的原则，应首先加工出主要定位基准面（连杆的上下端面），加工连杆的上下端面时以大头孔和它的另一端面定位。2.5.2精基准的选择（1）磨削定位面，以两端面为基准。（2）精镗定位孔时，由于该孔与结合面有垂直度的要求，加工时要以结合面作为精加工基准。（3）连杆与连杆盖合装后再来镗、磨孔，这时是以基准面互为基准加工。合装以后精镗及珩磨大头孔时、应该以大头端面、小头孔以及工艺土台作为定位。2.5.3加工阶段的划分和加工顺序的安排连杆本身的刚度比较低，在外力作用下容易变形；连杆是模锻件，孔的加工余量较大，切削加工时易产生残余应力。因此，在安排工艺过程时，应把各主要表面的粗、精加工工序分开。这样，粗加工产生的变形就可以在半精加工中得到修正；半精加工中产生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，同时在工序安排上先加工定位基准。所以连杆的加工工艺工艺过程可分为以下三个阶段。（1）粗加工阶段：粗加工阶段也是连杆体和盖合并前的加工阶段：主要是基准面的加工，包括辅助基准面加工；装配连杆体及盖合并所进行的加工，如两者对口面的铣、磨等。（2）半精加工阶段：半精加工阶段也是连杆体和盖合并后的加工，如精磨两平面，半精加工大小头孔及孔口倒角等。总之，是为精加工大、小头孔作准备的阶段。（3）精加工阶段：精加工阶段主要是最终保证连杆主要两结合面、大、小头孔全部达到图纸要求的阶段，以及去除大孔表面硬化如珩磨大头孔、精镗小头轴承孔等。2.5.4零件表面加工方法的选择 根据零件图纸的加工精度要求和连杆的形状、材料、刚性、工艺性，以及查机械加工工艺手册，选择个表面的加工方法如下。（1）端面的加工：粗铣半精铣磨削。（2）大端头的孔：粗镗（合装）（IT11）半精镗（合装）（IT9）精镗(IT6)- 珩磨(IT6)。（3）小端头的孔：钻（IT12）-扩（IT10）-粗较（IT8）-精镗（IT7）。（4）定位孔：钻（IT12）-粗较（IT8）-精镗（IT7）。（5）结合面：粗铣-半精铣-磨削。2.6制定工艺路线根据以上零件的个表面的加工方法可以确定工艺路线为：下料-调质-粗铣端面-半精铣端面-磨削端面-钻、扩、较小端的孔-粗铣、半精铣结合面以及工艺凸台-磨削结合面-钻、攻螺纹-钻、铰定位孔-精镗定位孔-合装-磨端面-半精镗-半精镗大端孔-精镗大小端孔-钻小头油孔-珩磨大端孔-铣小端端面拆开铣轴瓦定位槽检验-涂油入库。2.7确定加工余量由于柴油机连杆以及连杆盖的结合表面、孔面和两定位孔的精度要求较高，所以按排的加工工序也很多要求的精度等级也很高最高的达到IT6级。因此各个工序多，为了胜利可靠地完成各个加工工序，就得考虑到各个加工工序的加工余量和各个工序尺寸，一步一步的按照各个工序的加工要求来加工，这样才保证加工得到最终零件要求的各种技术要求。所以要先确定各个工序余量。2.7.1确定加工余量的方法种类（1）经验估算法经验估算法是工艺员根据积累经验的生产经验来确定加工余量的方法，一般情况下，为防止因余量过小而产生废品，经验估算法往往偏大。这种方法常用于小批量生产。 （2）查表修正法是以生产实践和实验研究积累的有关加工余量资料数据为基础，并按具体生产条件加以修正来确定加工余量的方法。该方法应用比较广泛。加工余量表在各种机械加工手册中都有，所以比较方便和可靠。（3）分析计算法这是通过对影响加工余量的各种因素进行分析，然后根据一定的计算关系式来计算加工余量的方法。利用这种方法比较合理，但是所需要的具体数据目前尚不完整，计算也较复杂，所以目前少用。1） 各工序尺寸及其公差的确定在这用余量法确定各工序的加工余量，同时也确定工序尺寸及其公差。本零件主要加工工艺路线：大端孔：粗镗(两件合并加工)（IT11） 半精镗（合装）（IT9） 精镗(IT6) 珩磨(IT6).最终达到图纸要求的102H6(102)Ra0.8。珩磨工序只是为了降低表面粗糙度而不是为了去除余量，所以加工余量很小经过查资料知道珩磨一般取0.02mm - 0.03mm的加工余量。2）其他的工序根据机械制造工艺设计简明手册表 2.2 - 2.5 表确定各个工序余量分别为：珩磨0.16mm,精镗为0.5mm：半精镗为2.4mm；粗镗为5mm 该工序加工总余量=（0.16+0.5+2.4+5）=8.06mm.3）工序尺寸公差确定：最后一次加工珩磨的公差即为设计尺寸公差H6() ，其余工序尺寸公差按经济精度查表确定，并按“如体原则”确定偏差：半精镗H9(),粗镗H11(),毛坯±1.2mm.4）各工序尺寸的计算如下：珩磨的尺寸即为设计尺寸102mm，精镗:(102-0.16)mm =101.84mm，半精镗:(101.84-0.5) =101.34mm，粗镗:（101.34-2.4） =98.94mm，毛坯：（98.94-5）=93.94mm。5)所以最后各个工序的基本尺寸和公差分别为：珩磨的尺寸即为设计尺寸102mm，精镗101.84mm，半精镗101.34mm，粗镗98.94mm, 毛坯(93.94±1.2)mm。6)小端头的孔：钻（IT12） 扩（IT10） 粗铰（IT8） 精镗（IT7）。7)各工序的加工余量: 精镗余量0.5mm，粗较余量0.6mm, 扩孔余量1.7mm，加工总余量=（0.5+0.6+1.7）mm =2.8mm.各工序尺寸公差： 精镗H7() 粗铰H8() 扩H10( )8)各工序基本尺寸计算如下：精镗:55为设计尺寸，粗铰:（55-0.5）=54.5mm，扩:(54.5-0.6)= 53.9 mm，钻（毛坯）：(53.9-1.7) = 52.2 mm。9)各工序尺寸及公差：精镗55 mm；粗铰54.5mm；扩53.9 mm；钻（52.2±1.2)mm。10)定位孔：钻（IT12）-粗较（IT8）-精镗（IT7）。查表各个工序余量，粗较0.5mm, 精镗1.0mm；加工总余量=（0.5+1.0）mm=1.5mm.2.8切削用量的选择正确地选择切削用量，对提高切削效率，劳动效率、可以提高产生效率，降低劳动成本和资金都有着密切的联系。合理的切削用量还可以提高刀具的耐用度和经济性，保证加工质量，具有重要的作用。粗加工时加工精度与表面粗糙度要求不高,毛坯余量较大粗加工主要是去除大部分的加工余量。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和必要的刀具耐用度，以提高生产效率和降低加工成本。2.9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。2.10进给量的选择 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。2.11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。2.12加工工序表 表2.1 加工工序表工序选用的机床切削速度v切削深度ap进给量f工具直径D主轴转速转速的选取实际磨削速度铣连杆大小平面X52立式铣床148m/min2mmaf=0.15mm63mm/磨大小平面M7350磨床24.78m/minfys=0.10.015mm40mm158.8r/min100r/min12m/min钻小孔钻床Z308059.4m/min10mm0.12mm/r20mm945r/min1000r/min62.4m/min扩小头钻床Z308019.2m/min1.5mm0.8mm/r/203r/min250r/min23.4m/min绞小孔钻床Z308013.2m/min0.10mm0.8mm/r30mm140r/min200r/min19.2m/min铣大端铣床X52W38m/min4mmaf=0.10mm/r40mm611r/min750r/min48m/min铣轴瓦锁口槽铣床X62W18.6m/min2mmaf=0.02mm/r8mm94r/min100r/min19.8m/min镗大头孔镗床T689.6m/min3.0mm0.03mm/r65mm47r/min800r/min16.13m/min精镗大头孔镗床T211512m/min1mm0.2mm/r65mm47r/min1000r/min16.13m/min精磨结合面磨床M713019.8m/min0.1mm0.006mm/r40mm157r/min100r/min12m/min钻螺栓孔钻床Z308059.4m/min5mm0.08mm/r10mm1910r/min910r/min59.4m/min铰定位孔钻床Z308013.2m/min0.10mm0.2mm/r22mm140r/min200r/min10.3m/min钻小头油孔钻床Z30251.18m/min2mm0.05mm/r/1000r/min1000r/min1000m/min第3章 发动机连杆的三维造型3.1发动机连杆的造型 基于给定的发动机连杆二维零件图，使用UG绘图软件进行发动机连杆的各部件三维立体造型，而后进行装配。对于连杆的设计制造有很好的预见性和设计性，可以对连杆的轮廓形状进行修改和设计，对提高生产效率和产品的创新有很大的帮助。3.2发动机连杆造型的步骤3.2.1连杆体的绘制（1）打开NX 8.5，创建草图。（2）在草图中画出65mm连杆小头的球。 （3）以65mm小球的球心距离为27.5mm基准创建两个平面，然后修剪体。（4）以修剪好的小球的平面创建草图，绘制55mm的圆，然后打通孔，导斜边。（5）在距离发动机连杆小头球心280mm处，创建165mm的球，距离大头球心 32.5mm处创建两个平面，进行修剪打孔。（6）创建草图平面，画出连杆的杆件，拉伸，边倒圆，求和。（7）连杆体的表面是肋板结构，对于加强连杆体的整体结构的刚性有利，还减少了自身的重量，节约成本。因为连杆表面不是水平的，所以在离表面50mm处创建平面，再进行拉伸布尔求差。至于另一面，使用镜像特征。（8）对发动机连杆的大头的设计，与连杆大头的中心线成40°修剪，并打孔。3.2.2发动机连杆盖的绘制新建草图，画出165的圆，然后修剪，打螺栓孔。3.3发动机连杆的装配（1）发动机连杆体与小头连杆轴瓦的装配（2）发动机连杆体与连杆大头孔轴瓦装配（3）发动机连杆体与连杆盖的装配结 束 语毕业设计是我在学校的最后一门课程,也是对三年来所学知识个一次综合应用。本毕业设计可以很好的锻炼自己，为以后的就业做好准备。本课题是一个典型零件，也是发动机内的重要零件。在设计中要求运用所学的知识，以培养自已独立思考的能力，以及创新精神。在机械加工中，机械加工工艺是机械生产过程的重要部分，是直接生产过程。它是用刀具切削金属材料或者磨削材料已达到形状、尺寸和表面粗糙度。因此机械加工工艺对零件由设计到成品是至关重要的。机械制造加工工艺主要是用切削的方法改变毛坯的形状、尺寸和材料的物理性质，成为具有所需的一定精度、粗糙度的零件。本设计说明书是发动机连杆的加工工艺设计及造型，这个零件是复杂零件，对加工工艺的要求很高。所以在材料的选择和加工工艺的设计时，要充分的结合发动机实际工作的各种影响和因素。该发动机连杆该零件生产纲领为10万件年，属于大批量生产。根据连杆的用途和连杆的设计要求，只有把各个加工工艺的顺序才能完成加工才达到设计的要求。首先要对发动机连杆的用途有基本的认识，以便于对制造连杆的材料及工艺有直观的认识。在毕业设计结束之际，首先要向我的老师张帆表示感谢，还有帮助过我的的同学们！ 参考文献1 王凡.主编实用机械制造工艺设计手册. 机械工业出版社2 徐 灏. 机械设计手册. 机械工业出版社3 赵慧欣.主编机械制造工艺基础.电子工业出版社3 夏正权.陈修兴.柴油机连杆的机械加工.北京：中国铁道出版社，19804 李厚生.内燃机制造工艺学.中国农业机械出版社.19815 郑修本.冯冠大.机械制造工艺学.机械工业出版社.19916 第一机械工业部机床研究所.机械工程手册,.第46篇 金属切削方法.机械工业出版社.1981.1