（机械制造及其自动化专业论文）柴油机连杆加工工艺研究.pdf

摘要 连杆是柴油机运动的主要关键件之一，它工作的稳定性、可靠性对柴油机的整机 质量至关重要，质量轻、精度高的连杆，有助于降低柴油机的能耗和噪声。本文在研 究了国内外内燃机连杆的基础上，根据我国柴油机连杆加工的现状，以及连杆结构的 特点和精度要求，分析了如何对连杆加工基准进行合理选择；如何确定夹紧力的方向 和着力点；如何合理选择连杆各部位加工方式及工艺流程；给出了各工序加工余量的 确定方法；并重点分析了影响连杆加工精度的主要原因。从对柴油机连杆机械加工工 艺过程、加工余量和工序尺寸的计算、柴油机连杆的镗孔质量和柴油机连杆胀断工艺 等方面进行了深入的分析和研究，为连杆的生产提供了理论依据。 关键词：连杆加工基准夹紧力加工精度 a bs t r a c t t h ec o n n e c t i n gr o di so n eo fi m p o r t a n tp a r ti nd i e s e le n g i n e ，t h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fi ta r ev e r y i m p o r t a n tt om a c h i n eq u a l i t yo fd i e s e le n g i n e ，t h el i g h tq u a l i t ya n dh i g hp r e c i s i o no fc o n n e c t i n gr o d ，i s h e l p f u lt or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h en o i s eo fd i e s e le n g i n e b a s eo nh a ss t u d i e dt h ec o m b u s t i o n e n g i n ec o n n e c t i n gr o di nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g n ，a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n ts i t u a t i o no fp r o c e s s e so fo u r c o u n t r yd i e s e le n g i n ec o n n e c t i n gr o d ，a n du n i q u ef e a t u r ea n da c c u r a c yr e q u i r e m e n to fc o n n e c t i n gr o d t o c o n n e c t i n gr o d ，t h ep a p e ra n a l y z e dh o wt or e a s o n a b l ec h o i c eb e n c h m a r ko fp r o c e s s i n g ；a n dh o wt o d e t e r m i n et h ed i r e c t i o na n dp o i n to fc l a m p i n gf o r c e ；a n dh o wt o r e a s o n a b l yc h o o s ev a r i o u ss p o t s p r o c e s s i n gw a ya n dt h et e c h n i c a lp r o c e s so fc o n n e c t i n gr o d ；a n dt og i v et h ed e f i n i t em e t h o do fv a r i o u s p r o c e s s e sm a c h i n i n ga l l o w a n c e ；a n dt oi m p o r t a n ta n a l y s et h ep r i m a r yc a u s eo fi n f l u e n c ec o n n e c t i n gr o d w o r k i n ga c c u r a c y f r o mt h em a c h i n e f i n i s h i n gt e c h n o l o g i c a lp r o c e s so fd i e s e le n g i n ec o n n e c t i n gr o d ，a n d t h em a c h i n i n ga l l o w a n c ea n dt h ec o m p u t a t i o no fw o r k i n gp r o c e d u r es i z e ，a n dt h eq u a l i t yo fb o r e da n dt h e b u l g eb r e a k sa s p e c t sc r a f to fd i e s e le n g i n ec o n n e c t i n gr o d ，a n ds oo nt oc a r r yo nt h et h o r o u g ha n a l y s i sa n d t h er e s e a r c h ，t h er e s u l th a sp r o v i d e dt h et h e o r yb a s i sf o rt h ep r o d u c t i o no fc o n n e c t i n gr o d k e yw o r d s ：c o n n e c t i n gr o dp r o c e s s i n gb e n c h m a r kc l a m p i n gf o r c ew o r k i n ga c c u r a c y 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，柴油机连杆加工工艺研究是本 人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 虿桫 作者签名：贺长生2 0 0 9 年6月l1日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 兹云五 作者签名：贺长生2 0 0 9 年6月1 1日 一一1 导师签名：魁至l 扭砬年月止日 1 1 研究的目的 第一章绪论 连杆是柴油机主要的传动构件之一，它是把作用于活塞顶部的膨胀气体压力传给 曲轴，使活塞的往复直线运动变为曲轴的回转运动，以输出功率。因而对其材料、铸 造毛坯及其机械加工的精度要求都十分严格。连杆质量的稳定性、可靠性对柴油机的 整机质量至关重要，质量轻、精度高的连杆，有助于降低柴油机的能耗和噪声。因此， 各国的内燃机制造业对连杆的加工都非常重视，许多内燃机整机厂都有自己的连杆生 产线。我国除各大汽车厂及内燃机制造厂外，目前已有多家较大规模的连杆专业生产 厂。 一汽集团解放公司大连柴油机分公司6 1 1 0 系列柴油机系上世纪八十年代中期由该 厂垂直转产的中重型车用柴油机，主要为一汽解放柴油系列车配套。其零部件连杆生 产线由原6 8 3 q 1 0 0 系列产品生产线改造而成，6 1 1 0 生产线大多沿用了老生产线的加工 设备。由于新老产品诸多方面的不同，其加工工艺亦应随其而变，并有新的改进。为 了能使新产品的工艺文件编制得更加合理，首先必须要运用我们所学的知识对柴油机 连杆加工工艺从理论上加以分析和研究，力求找出其共性原理并用以指导实践。 当然，作为发动机五大件之一的连杆，其加工工艺流程已是典型工艺，各国专业 生产厂家都有许多成熟的经验可以借鉴。然而，每个生产厂家其产品和生产线又都有 自己与众不同的特点，不能盲目照搬。通过比较、分析和借鉴，可以了解到各生产线 自身的特点，也可以找到其差距和质量问题所在。 本文力求对多年工作实践中遇到的诸多工艺技术问题进行系统地分析和总结，并 结合所了解的国内外连杆新工艺( 如胀断工艺) 对以后的发展思路阐述自己不成熟的 想法，与大家进行探讨。 1 2 国内连杆制造工艺现状 目前在国内，卡车用连杆生产线大多由组合专用机床和通用机床组成流水生产线， 同国外相比，工序能力指数及自动化程度均较低。有些关键工序也有采用高精设备和 新工艺的，如螺栓孔枪钻、枪铰和冷挤，拉削技术的应用，体盖组立扭矩+ 转角，刀 具自动补偿功能的大小孔精镗，电子综合测量技术等。大的生产厂家主要有一汽集团、 二汽集团、上柴、潍柴、康明斯等。 相比较而言，一汽大众、上海大众、沈阳航天三菱等轿车连杆生产线已接近于国 外先进水平，加工手段更多采用双端面磨、体盖胀断、大孔铰珩、大小端自动去重等 先进工艺，加工能力和自动化程度相对较高。 1 3 主要研究内容 根据目前国内外连杆加工工艺现状，提出了本文的主要研究内容。 1 、连杆加工工艺分析 根据连杆结构特点和精度要求，结合“基准统一 和“基准重合”的原则分析了 如何对连杆加工基准进行合理选择：在保证加工精度的前提下如何确定夹紧力的方向 和着力点；怎样合理选择连杆各部位加工方式及工艺流程。 2 、连杆加工余量和工序尺寸分析 给出了各工序加工余量的确定方法；工序尺寸与设计尺寸标注方法相同和不同两 种情况下如何确定各工序加工尺寸及其偏差。 3 、影响连杆镗孔质量的因素分析 作为连杆生产线的关键工序大小端孔精镗工序，本章重点分析了影响其加工 精度的主要原因，并对不同的工艺方案的优劣进行比较。 4 、连杆胀断工艺 对先进的连杆体盖胀断工艺加以介绍；与传统工艺相比，从工件质量和经济性两 方面对胀断工艺进行分析。 2 第二章连杆加工工艺分析 根据连杆的结构特点，以及生产加工连杆的工作状况，本章研究了在连杆加工过 程中定位基准的选择中粗基准和精基准的选择方法。在基准选择基础上确定加紧的位 置及方向，同时研究了其它辅助工序及工序集中的问题。 2 1 选择定位基准 定位基准的选择，是在进行连杆机械n t 过程设计时首先要解决的问题。在许多 情况下，连杆的技术条件能否获得保证，首先决定于基准的选择正确与否。 2 1 1 选择粗基准 粗基准选择是否正确，直接关系到被加工表面的余量分配和加工表面与非加工表 面的相互位置要求。一般地，选择连杆的粗基准时，应满足以下几点要求： 连杆大小端孔及两端面应有足够而且均匀的加工余量； 连杆大小端孔圆柱面及两端面应与杆身纵向中心线对称； 连杆大小端外形应分别与大小端孔中心线对称。 为了满足上述的几点要求，6 1 1 0 柴油机连杆在机械加工的第一道工序一铣连杆大 小端两端面时，分别在一、- - i 位采用了两种不同的定位方式：一工位为铣其中的一 个端面，用两个v 型块夹持连杆大端的两侧面圆弧面，以保证两侧面的加工余量均匀； - - i 位为铣另外一个端面，这时便可以用已铣过的那个端面作为定位基准，见图2 1 。 i 位i 图2 1连杆铣两端面工装定位示意图 第三道工序为钻连杆小端面孔。为了保证所钻孔的中心线与连杆小端外形对称， 采用三爪锥形压块使连杆小端自动定心的方式，压块自身带钻削导向套，如图2 2 所示。 连杆大端两侧面外圆车削工序也存在同样的问题。为保证加工后的两侧面与大端 孔中心线对称，选择大端孔作为定位基准，用可上下浮动的圆锥体使连杆大端孔自动 定心，见图2 3 。 图2 2 连杆钻小端面孔工装定位示意图 v - - - j j ；_ a - a 2 1 2 选择精基准 l 一 图2 3 连杆大端两侧面外圆车削t 装定位示意图 选择精基准主要是从经济可靠地保证连杆各加工表面间的相互位置精度出发。一 般应考虑如下问题： 1 ) 因为连杆的大小端孔、大小端两端面、分开面以及螺栓孔等各加工表面间的相 互位置精度要求都很高，既不能一次加工而成，又不能在一次安装中把这些有相互位 置精度要求的各加工面都同时加工出来，而是经过多次安装，反复加工后逐步达到图 纸要求的，所以，为了保证各n t 表面间的相互位置精度，要避免过多地转换定位基 准，应尽量选择一个使大部分工序都可以用它来作定位基准的表面作为精基准。这就 是“基准统一的原则。 2 ) 由于连杆刚性较差，容易产生弯曲变形，而直接影响各加工表面的相互位置精 度，所以，要选择支承面积大、精度高、定位准确、同时又能防止夹紧变形的表面作 为精基准。 3 ) 尽量选择零件图上的设计基准作为精基准，即要符合“基准重合 的原则。这 样，图纸上的设计尺寸是直接保证的，可以避免因定位基准与设计基准不重合而引起 4 的基准不重合即基准转换误差对该设计尺寸的影响。 为了满足以上要求，6 “0 柴油机连杆选择大小端端面a 和b 、小端孔c 、大端一侧 侧面d 作为定位精基准( 见图2 4 ) ，并且在机械加工生产线的开头几道工序( 即第一 序铣两端面、第二序粗磨两端面、第三序钻小端孔、第四序粗镗小端孔、第六序车大 端侧面) 就把这组定位基准面加工出来，且达到一定精度。 z e 珐，鲜一豹一 。 ；崔一刊7 一线勒了汐1 图2 46 11 0 柴油机连杆统一精基准的分析 如图2 4 所示，这组基准面在夹具中定位时，大小端端面面积大、精度高、定位准 确、夹紧可靠，可作为限制工件沿z 轴移动、绕x 轴和y 轴转动的三个自由度的主要 基准面；小端内孔可作为限制工件沿x 轴移动和沿y 轴移动两个自由度的基准面；大 端的一个侧面可作为限制工件绕z 轴旋转一个自由度的基准面。 6 1 1 0 柴油机连杆大小端面a 和b 为同一平面，这样就避免了因两者之间的落差而 引起的定位误差，同时也使得夹具的定位机构在设计上大为简化。但由于取a 面和b 面同时定位，就必须保证两面共面并达到一定的精度。然而以下因素会对连杆大小端 面的平面度产生不良影响： 1 ) 加工过程中切削力和夹紧力的影响； 2 ) 各工序上下料时对工件的磕碰而引起的变形； 3 ) 工件在加工过程中及自然时效时内部应力的释放而引起的变形； 4 ) 连杆体盖分开和合把组立后因体盖错位引起的平面度误差。 连杆体盖组立后的工序多为大小孔半精加工和精加工工序，因此定位基准的精度 尤为重要。为了消除以上因素对连杆生产线后半段精加工产生的影响，可采取以下两 种措施： 1 ) 连杆体盖组立后设一两端面精磨工序，对精基准进行修整： 2 ) 精加工工序采用连杆体端面上的三点( 一般为大端上的两点和小端上的一点) 而避开连杆盖端面，并且作到各工序基准统一。 5 在粗磨和精磨连杆两端面的工序中，加工设备大多采用圆台磨或平面磨进行，一 般直接利用工作台进行定位，磁力夹紧。这种方式简便易行，但缺点是磁力夹紧易使 连杆在加工过程中产生夹紧变形，使加工精度主要是两端面的平面度产生影响。两端 面互为基准多次加工可减少这种影响，但同时又大大降低了生产效率。为了解决这一 矛盾，可采用先进的双端面磨工艺，该工艺取消了连杆在端面垂直方向上的夹紧力， 并且两端面同时磨削，因此不仅消除了上述影响，同时还使加工效率得到显著提高。 但双端面磨设备投资相对较大，因此在加工方式的选择上需从加工质量、生产效率及 生产成本上综合考虑。 在半精加工和精加工小端孔工序的夹具中，小端孔是用可轴向伸缩的短销来进行 预定位，在定位和夹紧后，再将定位销从小端孔中抽出。 2 2 夹紧力的方向和位置 连杆刚性较差，在外力作用下容易产生变形，如果在央紧状态下检查精度时，达 到了规定的精度，但在松开后，由于工件的弹性变形的恢复而使连杆精度受到损失， 因此，在选择连杆的定位基准的同时，必须正确确定央紧力的方向和着力点，注意防 止连杆的夹紧变形。 2 2 1 夹紧力方向 在确定夹紧力作用方向时，必须考虑下列几个问题： 1 ) 夹紧力的作用方向应朝向工件的主要基准面，把工件压向夹具定位面，以保证 工件定位的准确性。 例如，磨连杆的体、盖结合面时( 图2 5 ) ，为保证体、盖结合面与连杆端面的垂 直度，需将主要夹紧力w 的作用力方向垂直于连杆的端面，把工件牢固地压紧在夹具 的定位元件上，使连杆在加工过程中不产生位移和振动。 又如，钻体、盖螺栓孔时，主要夹紧力w 依然是垂直作用在主要基准面a 上( 图 2 6 ) ，使其与夹具上的平面支承件贴合，而斜向央紧力q 的水平分力q 1 与垂直分力 q 2 只是使连杆的另外两个定位基准与夹具的定位面贴合，以求定位准确、稳定，从而 保证所加工的两螺栓孔与体、盖分开面垂直并与连杆大孔中心线对称。 2 ) 夹紧力的作用方向应使工件变形最小。 例如，在利用圆台铣床铣削连杆大小端两端面时，由于工件朝下的另一端面悬空， 如果从上至下施加夹紧力，不符合“点对点”的原则，极易使工件产生夹紧变形，同 时因整个上平面均需要加工，夹具设计难度较大。这时采用夹紧力的作用方向都处于 与连杆两端面平行的平面内的方案( 见图2 1 ) ，因为这样夹紧只会在平行于端面的方 向上产生微小变形，而不影响连杆大小端端面的平整性。 6 图2 56 11 0 柴油机连杆磨体盖分开面的定位和夹紧原理图 q 重 a 图2 66 1 1 0 柴油机连秆钻螺栓孔的定位和夹紧原理图 又如，在精镗连杆小端衬套孔时，如果以大端端面或整个大小端端面作为主要定 位基准，而在另一端面上施以夹紧力，虽然符合前述的“基准统一原则，但此工序 有它的特殊性。由于在该工序之前大孔已加工成品，该工序只加工小端衬套孔，如以 上述方式定位夹紧，则定位面的平面度误差势盛会影响加工后两孔的平行度，而事实 也正如此。为解决这个闯题，经过反复试验，最终采用大孔定位、小端衬套孔预定位 的方式，夹紧力w 的作用方向如图2 7 所示，大孔内的夹紧力使大孔的一端紧靠在定 位轴上，从而消除定位轴与连杆大孔的间隙产生的定位误差的影响，小端两侧同时施 加带自锁的夹紧力q l 和q 2 使连杆小端固定，从而消除切削过程中产生的振动。 7 2 2 2 夹紧力位置 图2 76 11 0 柴油机连杆镗衬套孔的定位和夹紧原理图 选择夹紧力的着力点的问题是指在夹紧方向已定的情况下，确定夹紧力着力点的 位置和数目。 a m ( a ) 一弋 ( b ) 图2 8 夹紧力着力点的选择 着力点的选择原则首先是不应破坏工件在定位时已经确定的位置。如果着力点选 择不当，会使工件产生翻转力矩。如图2 8 ( a ) 所示，在加工a 面时，由于作用在小 端侧面的夹紧力w 的水平分力与定位面支承的反作用力构成的逆时针方向力偶m ，而 翻转工件，破坏定位。这说明夹紧力w 的着力点选择不妥当。若改为图2 8 ( b ) 所示 的w 着力点，则w 的水平分力与支承的作用力构成顺时针方向力偶m ，就会避免工 件的翻转现象。 为了防止工件切削时的振动，夹紧力的着力点应尽可能地靠近加工面，以使切削 力对夹紧力作用点的力矩最小。这是由于工件在承受平行于接触表面的切削力时最容 易产生转动现象，而转动的中心往往正是夹紧力的着力点。如图2 9 所示，用两把组合 铣刀铣削连杆盖的螺栓座面时，图2 9 ( b ) 的着力点显然要比图2 9 ( a ) 有利，靠近 加工部位的单位夹紧力能有所增加，使工件压得更牢固； 8 卜卜 一一+ j - 伴一 一一 、 山7 ( a ) l 叫一一 7 + ( b ) 图2 9 夹紧力的看力点 由于连杆刚性较差，很容易产生夹紧变形，所以夹紧力的着力点必须作用在工件 刚性最大的部位上，一定要避免在连杆杆身上进行夹紧，否则就会造成连杆弯曲变形 而影响各加工表面间的相互位置精度。本文在“2 1 j 2 精基准的选择 里曾提到，连杆 大小孔精加工工序宜采用连杆体端面上的三点的定位方式，而夹紧力的着力点也应在 这三点的相对位置上，从而符合夹紧定位“点对点 的原则，最大限度地减小对工件 产生的夹紧变形。 2 3 各主要表面的加工方法及工艺 在工件的定位基准确定之后，采用什么样的加工方法和加工过程才能满足设计要 求，同时兼顾生产成本和加工效率，这是所有大批量加工件均需要考虑的问题。柴油 机五大件在宏观上有典型工艺的经验可以借鉴，但每个制造商均有其与众不同的特点。 本节在吸纳他人经验的基础上，结合6 11 0 柴油机连杆设计结构以及大柴分公司自身的 特点，重点对6 1 1 0 柴油机连杆的加工方法和工艺过程方案的最佳选择进行研究和探讨。 2 3 1 主要表面的加工方法 连杆的各种表面加工方法的选择，应主要根据加工面的结构形状、尺寸大小、精 度、表面粗糙度以及生产类型，从生产实践出发，并参考有关各种表面加工方法所能 达到的经济精度及表面粗糙度等资料来初步确定的。在选择连杆的各种表面加工方法 时，可参考表2 一l 、表2 2 、表2 3 、表2 - 4 所提供的资料( 钢和铸铁) 。 9 表2 1各种加工方法所能达到的经济精度和表面粗糙度一内孔加工 精度等级 加工方法粗糙度r a 经济的可及的 由1 5 以下2 5 6 3 6 钻孔及扩钻孔 巾1 5 以上5 0 2 57 粗扩5 0 2 57 扩孔 铸孔或冲孔一次扩孔 6 7 钻后精扩2 5 6 35 ? | ，精铰 2 5 1 2 53 4 铰孔精铰6 3 3 22 3 精细铰( 手铰) 3 2 o 8l 2 粗拉5 6 拉孔 钻孔后或粗拉后精拉 6 3 1 62 - - 4 细拉孔o 8 0 42 粗镗 2 5 1 2 5 6 - - - 7 半精镗1 2 5 3 25 6 镗孔 精镗3 2 1 62 - - - 4 精细镗 1 6 - - 0 4l 2 粗磨( 一次加1 ：)6 3 3 24 7 仁精磨3 2 1 63 4 内磨 精磨 1 6 - - 0 41 2 细磨( 精密休整砂轮)o 2 o 1 l 粗珩( 一次加丁) 3 2 1 62 珩磨 精珩 1 6 - - 0 2l 粗研1 6 - - 0 8l 2 研磨 精研 0 8 0 2l 细研o 2 0 0 51 一次1 2 5 6 33 - - - 4 枪钻 二次 3 2 1 62 3 表2 2 各种加 方法所能达到的经济精度和表面粗糙度一外圆加一r 精度等级 加工方法粗糙度r a 经济的可及的 粗车 2 5 1 2 57 8 半精午 6 3 3 26 7 车 精车 3 2 1 64 5 精细车1 6 0 8 21 外圆磨粗磨 6 3 1 64 、 ，i 精磨6 3 0 8 3 1 0 精磨 0 8 - - - 0 421 精细磨 0 4 - - - 0 2l 粗研0 8 - - 0 4l 2 研磨 精研 0 4 0 1l 细研0 1 0 0 2 5 l 精0 4 0 21 超精光磨 细 o 2 o 1 1 镜面0 0 5 o 0 2 5 1 表2 3各种加l = 方法所能达到的经济精度和表面粗糙度一平面加工 精度等级 加工方法粗糙度r a 经济的可及的 圆柱铣粗铣2 5 6 36 8 半精铣6 3 - - , 3 26 7 精铣3 2 1 653 精细铣1 6 - - 0 82 4 端铣粗铣2 5 - 6 36 8 半精铣6 3 1 6 6 7 精铣 3 2 o 843 精细铣1 6 - - - , 0 42 4 高速铣粗铣 3 2 1 6 精铣 0 8 - - - 0 4 拉粗拉 5 6 精拉 3 2 0 82 4 平磨粗磨 1 2 5 , - - 3 24 半精磨3 2 - , 0 83 4 精磨 0 8 - - 0 43 细磨0 。4 0 1 2 研磨粗研 0 8 - - 0 42 精研 0 4 - - 0 1l 细研o 1 0 0 2 5 l 表中对某种表面达到同样的精度和粗糙度，列有若干种方法，究竟采用哪种方法， 要根据各种加工方法的工艺特点，结合具体情况进行分析比较后，才能确定。分析比 较时要考虑的问题大体应有以下几个方面： 1 ) 零件的结构特点 由于连杆两端面加工余量较大，而作为定位基准精度要求也较高，因此可采用强 力磨削或粗铣+ 磨削的方式，在缺乏强力磨削条件的情况下，采用了铣、粗磨、精磨的 工艺流程，铣削在铣刀一次行程中完成。其他平面如分开面切开、螺栓座面、油孔面 等均采用铣削的方式。 2 ) 零件的技术要求 因为连杆的大小端孔不仅本身精度和粗糙度要求较严，而且两孔中心线的平行度 和扭曲度要求也很高，所以在大小孔半精加工和精n i 时一般采用纠正相互位置误差 能力较强的双轴单刀镗或双轴金刚镗工艺。大端孔因其表面粗糙度要求较严( r a 0 4 ) ， 一般的金刚镗难以满足其要求，需要增加一道珩磨工序。 3 ) 零件的材料 6 1 1 0 系列柴油机连杆的材料为4 0 c r 或4 2 c r m o ，既硬又韧，可加工性差，若采用 普通的高速钢钻头钻削小端孔，其加工精度难以保证，并且刀具寿命较低。若采用带 高压内冷的u 钻工艺，效果会好得多。 4 ) 生产类型 生产批量大的，若有条件宜使用高效的设备和工艺。一般来说，产品尺寸结构变 化不大、相对稳定而又需要大批量生产的情况下，宜采用专用机床，一次可多件加工， 生产效率较高。工艺方法如强力铣削、强力磨削、双端面磨、枪钻、枪铰、铰珩等。 近年来在柴油机连杆加工工艺方面，出现了一种较为新颖的工艺方法连杆体 盖胀断工艺，这是对连杆传统工艺的重大突破，是一种精益制造工艺，也是连杆制造 工艺的发展方向，本文将在第五章中予以重点阐述，这里不再赘述。 2 3 2 工艺过程 连杆上的各重要表面大小端孔、两端面、分丌面、螺栓孔定位孔及螺栓座面 的加工方法选定之后，就可进一步确定该表面须经过几次加工才能最终达到要求。因 为这些表面的加工精度和表面粗糙度要求较严，一般都很难做到只加工一次就能达到 要求，而往往要经过粗加工半精加工精加工细加工等几个阶段。也就是 说，在安排机械加工工艺过程时，应尽量将连杆上的这些重要表面的粗、精加工分开 进行。 6 1 1 0 柴油机连杆大小端孔经过粗加工半精加工精加工细加工等四个 阶段，两端面也分三个阶段进行加工。这样做有如下好处： 1 ) 可以消除由粗加工而引起连杆变形所造成的误差。由于粗加工中切削余量大而 不均匀，因而切削力、切削热以及所需的夹紧力也大。此外，粗加工时，从毛坯表面 切去一层较厚的金属，会使毛坯制造中产生的内应力重新分布而引起连杆变形。由这 些原因所引起的连杆变形，往往不是短时间内完成的，而变形造成的误差需要在粗加 工后的几个阶段中逐步得到消除。如6 1 l o 连杆大小孔粗加工后是第1 0 道工序，然后 经过两次半精镗，最后的精镗在第3 0 道工序，中间间隔了2 0 道工序，使连杆有充分 的变形时间，相当于完成了一次自然时效过程。这样才有利于最后保证大小孔的尺寸 1 2 精度、几何形状精度以及相互位置精度。 2 ) 各主要表面都粗加工后，可及早发现连杆主要表面的毛坯缺陷( 如锻件裂纹、 余量不足等) ，及时处理，以免损失更多的工时和费用。 3 ) 能合理地使用设备。在功率大、精度低的机床上进行粗加工，可以充分发挥机 床高生产率的长处；在功率小、精度高的机床上进行精加工，既有利于保证连杆的加 工精度和表面质量，又有利于保护机床的精度。 2 4 加工工序 综合分析连杆的机械加工工艺过程，可归纳出安排连杆加工工序顺序的一般应遵 循的原则： 1 先基准后其它 作为后续工序的定位基准的表面，应尽量安排在前几道工序加工，使以后工序可 以用它定位进行加工。6 1 1 0 连杆的定位基准是一个大小端端面、小端孔及大端的一个 侧面，这几个定位基准面在前六道工序便加工完成。 2 先面后孔 无论是粗加工阶段还是精加工阶段，都是先加工大小端两端面，然后以两端面为 主要定位基准加工大小端孔。这就是所谓的“先面后孔”的原则。其理由有三：第一， 两端面是确定大小端孔中心线相对位置的设计基准和检验基准，先面后孔，以孔定面， 这样，定位基准与设计基准重合，定位误差定位= 0 ，使连杆大小端孔中心线分别对 大小端端面的垂直度很容易得到保证。第二，大小头端面较孔的面积大，先面后孔， 可保证定位准确、稳定，夹紧牢固，容易获得孔的加工精度和表面粗糙度。第三，先 加工平面，切去了锻件表面的凸凹不平的硬皮，然后加工孔，可减少孔加工对刀具的 磨损。 3 先大面后小面 连杆的加工平面有大小端端面、分开面、螺栓座面以及油孔面等，按照“先面后 孔 的原则，究竟先加工哪个平面呢? 上述各个平面大小不一，要求不同。为了加工 时有一个牢固的定位基准以便获得较好的加工精度，总希望用大面定位。从这点出发， 6 1 1 0 柴油机连杆就是采用先加工大小端两端面的工艺方案，然后以大小端多端面为主 要定位基准面来加工分开面、螺栓座面等平面，从而保证了这些表面之间的相互位置 精度，使以后各工序具有准确而可靠的精基准。 由此可见，选择连杆的定位基准与各加工表面的工艺顺序有着规律性的内在联系， 所以，在制定机械加工工艺过程时，应当首先选择各个加工面的定位基准。作为精基 准的表面，应在工艺过程一开始就加工，以便为后续工序准备好基准。 4 先主后次 精基准加工好后，应该接着对精度要求高的主要表面进行粗加工，使其变形充分 并能及早发现问题。次要表面的粗加工可在主要表面的粗加之后穿插进行。6 1 1 0 连杆 在精基准加工好后，接着大端孔两半圆的粗加工然后才对油孔面、螺栓座面等次要表 面进行加工，使得粗加工后的大端孔得到自然时效而充分变形，为最后的精加工大小 端孔提供了良好的条件。 这个一般性的原则在实际应用时也有例外的情况，例如，铣大端孔定位瓦槽工序 安排在精镗大小端孔工序之后。其理由有四：第一，加工这些次要表面时，切削力、 夹紧力均很小，一般不会引起连杆内应力重新分布，不致影响其它已加工面的加工精 度。第二，这些次要表面后加工，可避免由于精加工主要表面大小端孔产生废品 ( 一般来说，该工序既低效高费用，又容易出现废品) 而造成在废品上连续加工的不 必要损失。第三，大端孔圆柱表面是瓦槽面的设计基准和度量基准，若以已加工过的 大端孔作为定位基准，既有利于加工，又便于度量。第四，可避免精镗大端孑l 时不连 续切削的恶劣情况，有利于对合金刀的保护。 综上所述，连杆从毛坯开始进行加工直到最终加工完成，一般可分为如下四个阶 段：1 ) 精基准面的加工阶段。 2 ) 主要表面的粗加工阶段。 3 ) 次要表面的加工阶段。 4 ) 主要表面的精加工阶段。 2 5 其它辅助工序 较为详细的工艺路线还必须考虑很多细节问题，如去毛刺、热处理、喷丸处理、 探伤、清洗及检验等工序的安排。 2 5 1 热处理工序 对连杆而言，安排热处理工序的目的有两个：1 ) 消除内应力；2 ) 改善金属组织和 加工性能。一般连杆毛坯在锻出后都安排退火工序，其目的是为了细化、均匀金属组 织和软化空冷以后的锻件表面硬度，以改善金属组织和机械加工性能，并消除锻件内 应力。 6 1 l o 柴油机连杆在机械加工之前，安排了调质处理工序，其目的是为了变退火后 的片状珠光体组织为球状索氏体组织，得到综合性能好、金属表面与内部性能一致的 连杆。也有些同行企业的柴油机连杆将调质处理工序安排在粗加工之后，主要是因为 其连杆粗加工余量大，加工后产生的内应力也较大，所以将调质处理工序安排在粗加 工后，既能改善金属组织，又能消除粗加工后产生的内应力。而在流水线上生产的6 1 1 0 柴油机连杆为避免加工中间转换车间而影响物流顺畅，把调质处理工序安排在机械加 工之前。为了达到消除粗加工后产生的内应力的影响，采取了如下工艺措施： 1 ) 提高连杆毛坯质量，减少粗加工余量，并采取余量分层、走刀合并的工艺方法， 以减少切削力。 2 ) 精镗及珩磨大小孔工序放在整个；b 口- r 过程的最后进行，使粗精j o t _ 之间有了相 当长的自然时效时间。 以前6 8 3 q 1 0 0 柴油机连杆生产线上在体盖组立工序前安排了一个热时效工序，其 目的也是为了消除内应力。通过参考许多国内外同行企业的工艺流程，同时又经过大 量的试验验证，测得的数据显示在热时效工序前后连杆并未出现明显的应力变形，说 明在热时效之前连杆内应力已基本消除，因此在6 1 1 0 生产线上取消了已运行多年的热 时效工序。此举带来了两点益处：一是节省了大量电能，降低了生产成本：二是使连 杆外观质量大为改善。 2 5 2 检验工序 检验工序是保证产品质量、防止不合格品出现的重要措施。 6 1l o 柴油机连杆在每道工序均安排有操作者自检项目，并根据需要规定了不同的 检验频次。对一些关键工序和重要参数，配有高精度的检测仪器。如加工定位基准的 小孔粗镗工序，用于体盖定位的镗螺栓定位孔工序，大d , ；l 及衬套孔的半精镗、精镗 和珩磨工序等均配备了m a r p o s s 电子塞规测量仪。 终加工之后安排有终检工序，对重要参数进行百检，主要包括：大孔直径、圆柱度， 衬套孔直径、圆柱度，两孔中心距，两孔平行度、扭曲度，大孔对端面垂直度等。 2 5 3 清洗工序 清洗一般是为了清除附在工件表面上的切屑和污物，使工件洁净，以保证加工质 量、检验方便可靠准确。6 1 1 0 柴油机连杆在生产线上安排了三道清洗工序： 1 ) 连杆体、盖组立之前进行清洗，保证体盖装配精度。 2 ) 综合检测之前进行清洗，保证检验精度。 3 ) 入库前清洗，保证在装配生产线上的装配精度。 2 5 4 去毛刺工序 在许多加工工序之后，工件会产生许多毛刺，如大端孔半圆粗镗、磨分开面、钻 油孔等工序，毛刺就非常明显。这些毛刺若不及时去除，会影响后工序的定位精度， 对加工质量产生影响，并且影响刀具的使用寿命，分开面上的毛刺还会影响体、盖装 配精度。成品连杆的毛刺若带到装配线上，会对整机的装配精度和清洁度产生不良影 响。生产线上除安排机加操作者本工序自行去毛刺外，还安排了四道专门去毛刺工序。 2 5 5 喷丸处理工序 由于在锻造而成的连杆毛坯和经过热处理的零件表面上都有氧化皮，因此，必须 在模锻毛坯和热处理工序之后安排喷丸处理工序，- n 去氧化皮，二则使毛坯表面生 成一层硬化层，提高材料的表面强度。 2 5 6 探伤检查工序 探伤是为了检查锻造裂痕和热处理裂纹。因此，在喷丸处理工序之后，必须安排 探伤工序。如果使用磁力探伤，则在探伤工序之后应安排退磁工序，否则连杆零件中 有剩磁存在而影响连杆的使用性能。 2 5 7 打字工序 6 1 l o 柴油机连杆生产线上安排有两道工序对连杆进行打字，内容各不相同： 第一道打字工序在体盖切开之前，在体和盖上打有内容相同的字，目的是防止在 体盖分开后不同的工件之间相互混淆。 第二道打字工序在连杆称重后，所打字的内容表示代表连杆重量的组号，以便分 组之用，同时也为了避免装配线上不同组连杆的混淆。 2 5 8 称重工序 生产线的终端安排有连杆的称重工序。连杆的质量及大小头质量的分配，直接影 响到曲轴连杆活塞系统的运动平衡及整机动平衡，从而影响到柴油机的噪声、 振动及寿命，所以必须严格地将每组连杆总质量及大小头质量控制在一定范围内。 2 6 工序集中或分散的程度 工序集中和工序分散是制定连杆工艺过程的两种截然不同的方案，它不仅影响工 序数目的多少，而更主要的是对加工质量和生产效率都有重大影响。 所谓工序集中就是整个工艺过程的工序数量很少，而每道工序的内容复杂，所包 括的加工内容很多。而工序分散则恰好相反。 两种方案各有其优缺点。工序集中可以减少工件安装次数，有利于保证各加工表 面之间的相互位置精度，同时还可减少机床和夹具的数量。工序分散使每台机床上完 成的工作较单一，设备及工装较简单，调整方便；可以选择最合理的切削用量；同时 因每道工序用时较短，生产效率较高。 6 1 1 0 柴油机连杆属大批量生产，对生产效率要求较高，因而采用工序分散的方案， 其工序总数量达四十余道。 1 6 第三章连杆加工中余量及工序尺寸分析 在研究连杆加工工艺的基础上，本章根据连杆的加工的复杂过程，研究了连杆加 工中加工余量的选择，以及各工序的尺寸。 3 i 加工余量 为了保证连杆的加工质量，各主要表面要经过几个阶段加工。这样，留给每一道 工序切除的金属层厚度即为该工序的工序余量。留给该表面总的切除金属层厚度即为 该表面的加工总余量。可见工序余量总和就是总余量： z 总= z ， a = l 式中：z 童一毛坯总余量 z ；一工序余量 f 一工序或工步数量 在连杆的工艺规程设计中，确定加工余量是个很重要的工作。因余量的大小将直 接影响机械加工的生产率、加工质量和经济性。余量太小，会因去不掉上道工序留下 的表面缺陷而造成废品：余量过大，将浪费金属材料和加工工时，甚至还会影响到加 工精度。 表3 1 锤上模锻件加工余量与公差 、弋_ 、一l 5 0 hl h l z6h + 1 o 21 5 o 5 + 0 9 3 02 51 2 5 0 5 + 0 8 51 o 0 4 + 1 2 21 7 5 一o 6 + 1 o 3 0 6 02 51 5 一0 5 + o 9 51 2 5 一o 5 1 2 0 1 2 c卜一2 6 0 2 6 (卜3 6 0 一 6hz 6h z 6h + 1 2 2 。0 + 1 4 2 。2 5 + 1 6 一o 60 7一o 8 + 1 0+ 1 2+ 1 4 0 9 1 7 52 o 一o 60 7 + 0 9+ 1 0+ 1 2 1 51 7 5 一o 5一o 5一o 6 + 1 4 2 2 5 + 1 6 _ + 1 8 2 5 一o 7一o 8一o 9 + 1 2 2 o + 1 4 2 2 5 + 1 6 0 60 1 一o 8 + 1 o 1 7 5 + 1 2 2 0 + 1 4 一0 5一o 6一o 7 注：卜零件最大轮廓尺寸的长：h 一零件最大轮廓尺寸的高： 糊件每个尺寸的单边余量； 6h 锻件高度尺寸的公差( 锤击方向) 。 以6 l l o 柴油机连杆而言，以往在确定连杆工序余量和总余量时，主要是靠经验来 1 7 确定，一般不够准确，且为了保证不出废品，余量往往偏大。这种方法在单件小批生 产时尚可采用，在大批量生产时，应该以根据前人长期生产实践和试验研究所积累的 经验而制定的推荐表格规范为基础，并结合实际加工情况进行修订来确定加工余量。 表3 一l 、表3 1 引自部颁标准，用来确定连杆加工余量时参考。表中余量均为公称值， 对称表面( 如孔或轴) 的余量为双边的，非对称表面的余量为单边的。 表3 2 锻件长度或宽度( 垂直锤击方向) 各尺寸的公差表 锻模件长( 宽) 度 5 0 5 0 - - - - 1 2 0 1 2 0 2 6 0 2 6 0 5 0 0 + 1 o+ 1 5+ 2 0+ 2 5 偏差( m m ) o 5一o 7一1 01 5 表3 - 3 扩、镗、铰孔的加工余量( r a m ) 钻孔后 扩孔或镗孔后 粗铰后 直径 扩孔镗孔精镗铰孔铰孔粗铰精铰 3 6o 1 50 1 50 0 5 6 1 0 o 20 20 2o 1 1 0 1 8 0 80 80 50 30 20 2o 1 1 8 3 0 1 21 20 8 0 4 o 30 20 1 3 0 5 0 1 51 51 o0 50 4o 3 50 1 5 5 0 8 01 72 o1 0o 50 4o 2 8 0 1 2 0 2 01 30 60 4 50 2 5 表3 4 精细镗孔的加丁余量( m m ) 钢铸铁 直径 粗加下 精加t 粗加j j ：精加工 3 00 2o 10 2o 1 3 0 5 00 2o 10 30 1 5 0 8 0 0 2o 1o 3o 。l 8 0 - - 1 2 00 3o 10 30 1 表3 5 平面加j t ：余量( m m ) n t 面长度 加j ：面宽度( m m ) 加工性质 1 0 0 1 0 0 3 0 0 3 0 0 1 0 0 0 ( m m ) 余量 3 0 01 01 5 2 粗加工后精铣 3 0 0 1 0 0 01 5 22 5 3 0 00 20 2 5 精加工后磨削 3 0 0 1 0 0 00 2 50 3 0 4 1 8 表3 - 6 在组合机床上加t 孔时的加j ：余量( r a m ) 加工方法粗扩精扩精铰粗镗 ? | ，i 精镗精镗细镗 直径上的 加工余量 2 40 8 1 00 2 o 4 3 - - 5l 1 50 5 - - 0 80 2 o 5 3 2 工序尺寸 在加工过程中，操作工人、调整工人及检验人员都是按工艺文件上标注的工序尺 寸进行工作的。因而，零件图上有关加工表面的设计要求，是通过工艺文件上标注的 各个工序尺寸来保证的。在工艺文件上标注的各个工序尺寸应该便于测量和调整。当 设计尺寸能满足这些要求时，工序尺寸就可以直接按设计尺寸的标注方法来标注，即 工序尺寸的起点( 原始基准) 应和设计基准重合。当设计尺寸不能满足这些要求时， 就应在工艺文件上标注所需要的工序尺寸，在这种情况下