内燃机连杆加工工艺及夹具设计【13张CAD图纸、工艺卡片和说明书】

摘  要
 
连杆是内燃机的主要传动件之一，正文主要论述了连杆的加工工艺及夹具设计。连杆的尺寸精度、形状精度以及位置精度的要求都很高，而连杆的刚性比较差，容易产生变形，因此在安排工艺过程时需要把各主要表面的粗精加工工序分开。逐步减少连杆加工余量、切削力及内应力的作用，以及修正加工后的变形，最后就能达到连杆的技术要求。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连杆螺栓孔定位面，次要加工表面为大头两侧面及螺栓座面等。
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（夹紧力、切削力）的作用下容易变形。
（2）连杆是模锻件，孔的加工余量较大，切削时将产生较大的残余内应力，并引起内应力重新分布。
通过对内燃机连杆的机械加工工艺及对粗加工大头孔夹具和铣结合面夹具的设计，主要归纳为以下两个方面：
    第一方面：连杆件外形较复杂，而刚性较差。其技术要求很高，所以适当的选择机械加工中的定位基准,是能否保证连杆技术要求的重要问题之一。在连杆的实际加工过程中，选用连杆的大小头端面及小头孔作为主要定位基面，同时选用大头孔两侧面作为一般定位基准。为保证小头孔尺寸精度和形状精度，可采用自为基准的加工原则；保证大小头孔的中心距精度要求，可采用互为基准原则加工。
第二方面：关于夹具的设计方法及其步骤。

关键词：连杆；变形；加工工艺；夹具设计

ABSTRACT

The connecting rod is one of the main driving medium of diesel engine, this text expounds mainly the machining technology and the design of clamping device of the connecting rod. The precision of size, the precision of profile and the precision of position , of the connecting rod is demanded highly , and the rigidity of the connecting rod is not enough, easy to deform, so arranging the craft course, need to separate the each main and superficial thick finish machining process. Reduce the margin of processing, cutting force and internal stress progressively, revise the deformation after processing, can reach the specification requirement for the part finally .
In the Connecting rod is one of the main processing surface is large, the small head hole and both ends of the machined surface, is important for the connecting rod body and cover joint surface and the connecting rod bolt hole locating surface, secondary processing surface for bearing locking grooves, oil hole, head and body and a cover on the two sides of the bolt seat surface.
    Machine of connecting rod are two major factors that affect the machining precision:
(1) Connecting rod itself stiffness is relatively low, in the external forces (cutting force, clamping force ) under the action of easy deformation.
(2) Connecting rod is die forgings, hole machining allowance, cutting will produce bigger residual stress, and stress redistribution caused by.
The automobile connecting rod machining process and the rough machining and milling combined with big hole clamp surface fixture design, mainly divided into the following two aspects:
The first aspect: connecting rod parts with complicated shape, while the poor rigidity. And the very high technical requirements, so the appropriate selection of mechanical processing in the locating datum, can ensure the connecting rod is one of the important problems of technical requirements. The connecting rod in the practical production process, selection of connecting rod to the size of the head end and the small head hole as the main positioning datum, and choice of big hole two side as a general locating datum. In order to ensure the size precision and shape precision of the small head hole, can be used for reference from the processing principle; ensure that the size of the first hole center distance accuracy requirements, can be used for reference each other the principle of processing.
Second: mainly on the fixture design method and steps.

Key words: Connecting rod;Deformation;Process;Fixture design

目  录
摘  要 III
ABSTRACT IV
目  录 V
1 绪论 1
1.1 本课题的研究内容和意义 1
1.2 国内外的发展概况 1
1.3 本课题应达到的要求 3
2 连杆的分析 4
2.1 连杆的作用 4
2.2 连杆的机械分析 4
2.3 连杆的结构特点 4
2.4连杆的主要技术要求 5
2.4.1 大、小头孔的尺寸精度、形状精度 5
2.4.2 大、小头孔轴心线在两个互相垂直方向的平行度 5
2.4.3 大、小头孔中心距 5
2.4.4 连杆大头孔两端面对大头孔中心线的垂直度 5
2.4.5 大、小头孔两端面的技术要求 5
2.4.6 有关结合面的技术要求 5
2.5 连杆的材料和毛坯分析 5
3 连杆的加工工艺规程的制定 7
3.1 加工工艺的基本概念 7
3.2 选择定位基准 7
3.3 确定加工余量 8
3.4 拟订机械加工工艺路线 8
3.5 连杆工艺计算 10
3.5.1 粗铣两平面 10
3.5.2 粗磨两平面 11
3.5.3 钻小头小孔 13
3.5.4 粗镗小头孔 14
3.5.5 车大头外圆 15
3.5.6 粗镗大头孔 17
3.5.7 粗铣螺栓孔端平面 17
3.5.8 精铣螺栓孔端平面 17
3.5.9 铣开连杆大头 18
3.5.10 精铣体盖分开面 18
3.5.11 钻扩铰螺栓孔 18
3.5.12 精磨体盖分开面 20
       3.5.13 精磨两端平面 21
3.5.14 精镗小头孔 21
3.5.15 粗镗大头孔 22
3.5.16 精镗大头孔 22
3.5.17 精镗小头孔 22
4 夹具设计 23
4.1 机床夹具的分类 22
4.2 工件的加工工艺分析 23
4.3 确定定位方案 23
4.4 夹具的机构设计 24
4.5 夹具的使用 26
5 结论与展望 28
6 致谢 29
7.参考文献 30

1 绪论
1.1 本课题的研究内容和意义
本课题研究的内容是：K2500内燃机车发动机NDS5主连杆工艺规程设计和系列夹具设计，其中包括了工艺流程的设计、工序的编写、系列夹具的设计，并有相关计算和说明书。
连杆的作用是将活塞承受的力传给曲轴，并使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆由连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等零件组成，连杆体与连杆盖为连杆小头、杆身和连杆大头。连杆小头用来安装活塞销，以链接活塞。连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连。一般做成分开式，与杆身切开的一半称为连杆盖，二者靠连杆螺栓链接为一题。连杆轴瓦安装在连杆大头孔座中，与曲轴上的连杆轴颈装和在一起，是发动机中最重要的配合副之一。常用的减磨合金主要有白合金、铜铅合金和铝基合金。
不难看出，连杆对于内燃机来说是不可或缺并且起到关键性作用的零件。所以本课题的研究对于生产出优秀耐用的连杆起到至关重要的作用。同时对内燃机的安全性也起到关键作用。
1.2 国内外的发展概况
从80年代以来粉末冶金注射成型(PIM)成功的得到应用,大多数连杆制造使用中碳钢和低合金钢。国内传统工艺连杆毛坯材料一般采用                     42CrMo,35CrMo,40MnVB,45CrMnB,40Cr,40CrMnBS40C等调质钢和S43CVS1(进口),35MnV,40MnS等非调质钢。康明斯生产线采用调质钢毛坯40MnBH(GB5216-85),1995年全面转用非调质钢材料毛坯38MnV。在加工工艺方面:国内外连杆生产方式大致有:锻造,铸造,粉末冶金等,进入90年代后,90%以上的连杆制造都采用了模锻工艺。
中国汽车产业在“十五”期间发生了天翻地覆的变化，汽车产量5年翻了一番多，汽车市场由卖方市场转为买方市场，一举由2001年的世界第七大汽车生产国跃升为世界第三大汽车生产国和消费国。
随着汽车产业的快速发展，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及制造技术的研究都非常重视。
　　十五期间，国内企业普遍采取裂解连杆体和连杆盖分界面技术，可以大幅度地减少机械加工工序，由此开发了高强度低韧性的高碳非调质钢和粉末冶金锻件，以满足工艺的需要。中国在调质钢应用方面与国外差距不大，但在锻造技术方面与国外比还有一些差距。
表1-1 中国发动机连杆材料及热处理硬度
材料 热处理 硬度
45 调质 229-255HBS
55 余热淬火 226-271HBS
40Cr 调质 229-269HBS
40MnB 调质 223-262HBS
53CaS 调质 229-269HBS
45Mn2 调质 229-269HBS
42CrMo 调质 28-2HRCHBS
国外连杆毛坯的加热大多采用电加热或感应加热，加热时间短，加热温度控制稳定，采用辊锻制坯，液压模锻成形，锻件尺寸精度高，避免了锻件表面的脱碳。国内多数连杆生产厂采用的是空气锤制坯，蒸汽锤成形，连杆锻件普遍存在的问题是尺寸精度差、锻件表面状态不好、锻件表面脱碳严重等问题。
“十一五”期间，国内很多企业与外国合资采用裂解连杆大头接合面（裂解法）的生产技术。设计出强度均在900MPa以上的发动机连杆，代表企业有一汽与德国合资生产的捷达轿车发动机连杆、上海与德国合资生产的桑塔纳轿车发动机连杆、一汽技术引进的道依兹柴油机连杆和开发的CA6DL系列柴油机连杆。
裂解法工艺要求连杆锻件在裂解的过程不能有过大的塑性变形，因此对连杆材料的要求是，在保证其强韧综合性能指标的前提下，限制连杆的韧性指标，使其断口呈脆性断裂状态。材料多是从德国进口的C70S6系列高碳非调质钢。
国内发动机连杆制造企业在锻造加热和锻后控制方面近年已经取得长足的进步，具备了应用非调质钢生产连杆的条件。
国内烧结锻造技术还很落后，专用的粉末冶金压机及烧结炉的应用还不普遍。金属粉末的品种少，质量差且不稳定。另外，烧结保护气体还需进一步地研究改进，这些都影响着国内超高密度粉末冶金零件的发展。
“十一五”期间，国内大多数连杆生产厂家仍沿用传统的连杆加工工艺,其加工精度及加工后装配质量难以控制,生产效率低,制造成本高,是阻碍中国高速、高精度、高性能发动机制造的“技术瓶颈”之一。一汽大众公司耗资亿元以上引进了德国EX-CELL-O Machine Tools公司生产的一条连杆裂解自动化生产线,现正用于捷达轿车门多点电控燃油喷射发动机连杆的批量生产；上海大众公司引进德国Alfing公司生产的连杆裂解自动化生产线,用于帕萨特轿车发动机连杆的生产；上海通用公司也引进了连杆裂解自动化生产线,用于粉末锻造连杆的生产。目前国内还有许多家连杆生产企业都在积极准备采用连杆裂解技术对原有的传统连杆生产线进行技术改造。