柴油机连杆的基本工艺设计

第1章柴油机连杆分析

1.1柴油机连杆零件作用

柴油机连杆由柴油机连杆大头、杆身和柴油机连杆小头三某些构成，柴油机

连杆大头是分开，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变截面非圆形杆件，其杆身截面从大头到小头逐渐变

小，以适应在工作中承受急剧变化动载荷。

其形状也比较复杂，诸多表面并不容易加工，不论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C

基本规定如：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

身相应对称面之间偏移＜0.6,杆身横向对称面对大小头孔中心偏移＜1.

一方面必要保证大头中心孔中心线和小头孔中心线之间平行度，这样才干保

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平

行度，以及两端面中心线与两孔中心线之间垂直度，用于保证乍中不会刮伤

曲轴平衡块，可以减少噪声，保持平稳；第三个要保证是柴油机连杆体和盖分

和面之间配合和吻合，以保证大头孔圆柱度，以免刮伤轴瓦；第四要保证大小

头孔中心线之间距离，如果其得不到保证，将保证不了发动机在工作时气体压

缩比等。

1.2零件工艺分析

由零件图可知：

可将其分为三组加工表面。它们互相间有一定位置规定。现分析如下:

一方面柴油机连杆加工表面如下:

(1)以端面互为基准加工两端面。

(2)以小头孔为中心加工有：钻两个①4油孔，加工侧面工艺凸台。

(3)以大头孔为中心加工表面有：加工M12螺栓孔。

柴油机连杆精度参数重要有五个：1.柴油机连杆大瑞中心面和小端中心面相

对于柴油机连杆身中心面对称；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尺寸精度、形状精度；5.柴油机

连杆大头螺栓孔与接合面垂直度。

别的技术参数如卜.表：

表1

技术规定项目详细规定或数值满足重要性能

大、小头孔椭圆度，锥度椭圆度M0.012保证与衬套、轴瓦良好配

锥度口).014合

两孔中心距±0.03-0.05气缸气体压缩比

两孔轴线在同一种平面在柴油机连杆轴线平面减少气缸壁和曲轴颈磨

内内：M0.03,在垂直柴油损

机连杆轴线平面内：

O.06

大孔两端面对轴线垂直40.015减少曲轴颈边沿磨损

度

两螺孔中心线(定位孔)在两个在45。方向上平行保证正常承载和轴颈与

位置精度度:0.02-0.04,对结合轴瓦良好配合

面垂直度：M).015

第2章机械加工工艺规程设计

2.1生产大纲拟定

生产大纲大小对生产组织和零件加工工艺过程起着重要作用，它决定了各工

序所需专业化和自动化限度，以及所选用工艺办法和工艺装备。

零件生产大纲计算N=Qn(l+a%)(l+B%)式子中：

N……零件年生产大纲(件/年)；

Q……产品年生产量(台/年)；

n……每台产品中，该零件数量(件/台)；

a%........备品率；

8%……废品率。

依照教材中生产大纲与生产类型及产品大小和复杂限度关系,拟定其生产类

型。图3.1为某产品上一种柴油机连杆零件。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%,机械加工废品率选取为0.5%,每台产

品中该零件数量为1件。

N=Qn(l+a%)(1+3%)=10000x(1+10%)x(1+0.5%)=11054件/年

柴油机连杆零件年产量为10000件，现已知该产品属于中型机械，依照生产

类型与牛产大纲关系查阅参照文献,拟定其牛产类型为大量牛产c

大量生产工艺特性：

(1)零件互换性：具备厂泛互换性，少数装配精度较高处，采用分组装配法和

调节法。

（2）毛坯制造办法和加工余：广泛采用金属模机器造型，普通采用模锻。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：广泛采月高效夹具，复合刀具，专用量具或自动检查装置，靠

调节法达到精度规定。

（5）对工人技术规定：对调节工技术规定高，对操作工技术水平规定较低。

（6）工艺文献：有工艺过程卡或工序卡，核心工序要调节卡和检查卡。

（7）成本：较低。

（8）生产率：高。

（9）工人劳动条件：较好。

22柴油机连杆材料选取与毛坯制造办法

2.2.1柴油机连杆材料选取

考虑到在该工艺方案中采用铳结合面工艺，那么选取材料也是很重要。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，通过淬火和高温回火解

决，解决后普通硬度在HBS288-HBS269之间•口后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同样力学性能，

省去了淬火和高温回火，从而减少了成本。日后为了减少机加工，更进一步减

少成本，于是开发了用粉末冶金办法来制造柴油机连杆，大大减少了机加工。并

且粉末冶金柴油机连杆质量公差小，更合用于发动机柴油机连杆是制造。美国

就广泛运用粉末冶金办法来生产柴油机连杆。事实上它是一种含0.7%左右尚碳

钢。

柴油机连杆重要材料为粉末烧结材料、高碳微合金非调质钢、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备•定优越性，

一方面锻造后空冷不需要烝解决；装配后柴油机连杆体与柴油机连杆盖裂解面能

紧密地接触并互相锁定，使其不产生错位和移动，提高了与曲轴零件配合，同步

也提高了曲轴刚度，大大地改进了发动机性能。

减轻柴油机连杆重量始终都是柴油机连杆制造上讨论一种主题，如果采用粉

末冶金技术，在不变化柴油机连杆形状构造前提之下会导致柴油机连杆重量增长

15%-30%,这样使得柴油机连杆得重量有了很大增长，那么发动机重量也会在一

定限度增长，会影响其使用性能。如果用粉末冶金制造柴油机连杆，就必要重新

设计柴油机连杆形状构造，以减轻柴油机连杆重量。

综上所述，考虑了各种因素，并通过组内成员共同讨论，最后决定采用45

钢作为本次设计中柴油机连杆材料。

2.2.245钢成分和力学性能

45钢中重要各化学成分质量比例分别为:C为0.72%,Mn为0.5%,S为0.06%,

P为0.009%,V为0.04枇其金相组织为珠光体加断续铁素体，抗拉强度为：900MPa

-1050MPa,屈服极限为520MPa,最大延伸率为10%。其中Mn作为强化项而存

在，用以提高材料强度。

铳结合面工艺规定柴油机连杆切断后塑性变形最小，又要保证材料有良好可

切削加工性能。45为高碳钢，含C量提高后，便增长了钢材淬透性能，如果保

持含Mn量不变，柴油机连杆锻造空冷后硬度会提高，并且金相组织中也许会浮

现贝氏体，恶化可切削加工性能，须通过恰当途径减少含Mn量。

为了改进可切削加工性，提高了含S量，钢中Mn和S亲和力不不大于Fe

和S亲和力，优先形成VnS,从而减少钢塑性，防止金相组织中也许会浮现贝氏

体；此外FeS会引起钢“热脆”，增进了铳削时断裂。Mn和S结合时含Mn量

又不能过低，至少要高于S三倍含量。

45钢力学性能：

表2

极限抗拉强度屈服强度伸长率压缩屈服强度剪切强度

/MPa/MPa(%)/MPa/MPa

99058014610655

2.2.3毛坯制造办法

由于柴油机连杆在发动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。并且该零

件年产量是10000,己经达到了大量生产水平，规定其生产率比较高，零件尺寸

不是很大，再者为了保证它尺寸精度、加工精度，故选取模锻。

模锻工艺规定柴油机连杆锻件在胀断过程之中不能有过大塑性变形，因而模

锻柴油机连杆性能合格就是保证柴油机连杆达到抱负脆性断裂因素。

用于模锻工艺45系列高碳非调质钢，它成分特点是低硅，低钵及添加了微

量合金元素机和易切削S元素，范畴窄，纯度高。

2.3机械加工余量及毛坯尺寸公差拟定

(1)锻件公差级别

由于功用和技术规定，公差级别为普通精度。

(2)材质系数

碳质量分数不大于0.65%碳素钢。故该锻件材质系数属Ml级。

(3)锻件分模线形状

零件高度方向对称平面为分模面，属平直分模线。

拟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29-0.28437

大头孔上下端面QQ-0.025237

3-0.050

小头孔S+0.0181439

330

依照模锻基本规定，在零件基本尺寸上加上加工余量2s4nlin,因此在加工

多数表面在基本尺寸基本上单面加2mm,某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指定工序定位基准选取

定位基准有粗基准和精基准之分。在加工起始工序中，只能用毛坏尚未曾加

工过表面作为定位基准，则该表面称为粗基准；运用已加工表面作为定位基准,

则称为精基准。其基准选取也是工艺规程设计之中重要问题之一定位基准选

取合理与否，将直接影响所制定零件加工工艺规程质量。基准选取不当，往往

会增长工序，或使工艺路线不合理，或使夹具设计困难，甚至达不到零件加工

精度(特别是位置精度)规定，导致零件报废等状况C

选取粗基准时重要考虑两个问题：一是保证加工表面与非加工表面之间互相

位置精度规定；二是合理分派各加工面加工余量。

粗、精基准详细选取时参照下列原则：

(1)对于同步具备加工表面和不加工表面零件，为了保证不加工表面与加

工表面之间位置精度，应选取非加工表面作为粗基准C

(2)对于具备较多加工表面工件，选取粗基准时，应考虑合理分派各加工

表面加工余量。

(3)粗基准应避免重复使用。在同一尺寸方向上，粗基准普通只能使用一

次，以免产生较大定位误差。

精基准选取应从保证零件加工精度出发，同步考虑装夹以便、夹具构造简朴。

选择精基准普通应考虑如下原则：

(1)“基准重叠〃原则为了较容易地获得加工表面对其设计基准相对位置

精度要求，应选取加工表面设计基准为其定位基准。这一原则称为基准重叠原

则。

如果加工表面设计基准与定位基准不重叠，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以便地加工其

他表面时.，应尽量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费用，遑高生产率，并可避免因

基准转换所导致误差。

（3）“自为基准〃原则当工件精加工或光整加工工序规定余量尽量小而均

匀时，应选取加工表面自身作为定位基准，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拟定

方案如下：

铳两平面（粗铳、精铳）一粗磨二孔端面一退磁一钻、扩小头孔一倒角一粗

像小头孔一粗镇大头孔一车大头外圆一打成套编码一粗铳螺栓孔平面一精铳一

钻、较两螺栓孔一中间检查一精镣大小头孔f圻磨大头孔一中间检查一钻小头油

孔一去毛刺一压入衬套一精馍衬套控一中间检查一车小头二端面及孔口倒角一

铳开一惚螺栓孔口倒角一钻连杆盖定位销孔一钻连杆体定位销孔一去所有毛刺

一清洗一最后检查

一共29道工序，从柴油机连杆使用性能基本规定来看，该工艺方案能基本

达到规定。

2.6连杆加工工艺设计应考虑问题

2.6.1工序安排

连杆加工工序安排应注意两个影响精度因素：（1）连杆刚度比较低，在外力

作用下容易变形；（2）连杆是模锻件，孔加工余量大，切削时会产生较大残存内

应力。因而在连杆加工工艺中，各重要表面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，便于保证对称度规定，并且采用双面铳，可使

某些切削力抵消。

统一精基准：以大小头端面，小头孔、大头孔一侧面定位。由于端面面积大,

定位稳定可靠；用小头孔定位可直接控制大小头孔中心距。

2.6.3夹具使用

应具备适应“一面一孔一凸台”统一精基准。而大小头定位销是一次装夹中

镇出，故须考虑“自为基准”状况，这时小头定位销应做成活动，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垂直度。为此，精铳端面时，夹具可考虑重复定位状

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)。

长销定位目就在于保证垂直度。但由于重复定位装御有困难，因而规定夹具制造

精度较高，且采用一定办法，一方面长圆柱销削去一边，另一方面设计顶出工件

装置。

2.7切削用量选取原则

对的地选取切削用量：对提高切削效率，保证必要刀具耐用度和经济性，保

证加工质量，具备重要作用。

2.8拟定加工余量

用查表法拟定机械加工余量：

(1)平面加工工序余量(mm)

表4

单面加工办法单面余量经济精度1:序尺寸表面粗糙度

毛坯3712.5

粗铳1.0(+0.16z+0.1612.5

IT12-016)35J0.16)

精铳✓+0.05z+0.05

0.5IT10Q-0.05)34;-0.05)3.2

磨0.50.025、1-0.025、1.6

IT8(-0050)331-0.050J

（2）大头孔各工序尺寸及其公差

表5

工序名称匚序基1：序经济精度匚序尺最小极限尺寸表面粗

本余量寸糙度

圻磨0.4i+0.019、0)53/+0.019、0.4

H610053(o

精健1.5+。。46、中52.2+。。叫0.8

H8*o052.2（0

半精镇1.5z+0.16x①49.2z+0.16K1.6

11110)0)49,2(0)

二次粗镇1.8z+0.25、046.2z+0.25、6.3

H12(o)①46.2(o)

一次粗镣1.8z+0.25、042.6z+0.25、12.5

H12(0)0)42.6(0)

（3）小头孔各工序尺寸及其公差

表6

工序名称工序基本工序经济精度工序尺寸最小极限尺寸表面粗

余量糙度

精镣1.5(+0.027.033,+0.027、1.6

H8(o中33(o

、

粗镇2z+0.052X①30(+0.0526.3

H9(0中30(0

、、

扩2(+0.084026(+0.08412.5

H10(o①26(o

钻钻至中20—+0.33022”+0.3312.5

］产0①—0

2.9切削用量及工时计算

工序1铳(粗铳、精铳)

QQ—0.170

铳两平面，保证尺寸：33_0.232

f,z=0.08mm/齿

工步1粗铳上平面，精铳上平面

(1)背吃刀量：粗铳api=l.Omni精铳ap2=0.5mm

(2)进给量：X51型立式铳床功率4.5KW,查表5.8：

高速钢套式面铳刀粗铳平面进给量

'z取0.08mm/z

(3)切削速度，由工序采用铳刀dw二80nlmz=10%=44.9mm/z

1000/1000x44.9

ns=血_nxso_178.65r/min

查表3.7取R丫=i60r/min

,,nd%nx80x160

实际切削速度以=元而=-iooo—=40.2mm/min

nw=i60i7min,工作台每分钟进给量片1

fzn008

fm=zw=X10X160mm/小门=I28mm/niin

杳表3.7得机床进给量125mm/min

由面铳刀对称铳平面，主偏角「二900查表5.41

2

铳小孔端面：h=0.5(d-v,d-ag+(1〜3)mm=0.8mm

h=2mm)=41mm

铳大孔：h=03（d-州号）4-(1〜3)mm=16mm

12=2mmI=63mm

/41/8♦263+16+2、

tl=2X(125+=211min

工步212=2.11min

3Q3Q2Q+0.O5O

工序2粗磨二孔端面，保证尺寸0mm

(1)选取砂轮，见《工艺手册》磨料选取表成果为

WA46KV6P350x40x127

(2)切削用量选取

砂轮转速n砂=1500r/min/砂=27.5m/s

轴向进给量=0・5B=20mm

工件速度Vw=l°m/min

径向进给量'=0・015mm

(3)切削工时，当加工小孔端面--种表面时

Zk

2Lbb2X412x0.5x1.1.

=looo也(=loooxiox20x0.015=0-62min

当加工大孔端时t2=l.36min

则加工大小孔端面两面时0】=2(、+t2)=3.96min

工序3退磁

工序4钻、扩小头孔

钻至中22扩至①26

(1)钻孔①22mm

拟定进给量f：依照《切削手册》表2.7当钢。b<800MPa

d0=022mm时f=0.39〜D.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=0.29〜0.35(mm/r)

依照Z535机床阐明书取f=0.32mm/r

切削速度查表得V=18m/min

1000V,

则ns=F=229r/min

取％=1951ymin

实际切削速度"=15.3m/min

切削工时：1=33]i=2mm12=3mm

33+2+3

%】=195xo.32=0.56mir)

(2)扩孔①26

扩孔切削用量f=(12~l・8)f钻=(1.2〜1.8)x0.32

取f=0.57mm/r

”(D钻

取主轴转速%=68r/min

实际切削速度v=7.9m/min

切削工时t,,1==0-98min

工序5

倒角2x45。双面，采用90°钱钻，为缩短辅助时间，取倒角时主轴转速

与扩孔时相似。因此a=68r/min手动进给

工序6

粗悭小头孔，像后直径中30,选用机床T740金刚镂床

粗键孔至①30,单边余量Z=4mm

一次馍去所有余量ap=4mm

进给量f=O.lmm/r

镇床切削速度"=100m/min

1OOOV

nw=-^-=1061r/min

由于无级调速取%=l061r/min

1=33mm=3mm12=4mm

33+3+4.

t【】】=io6ixo.i=0-37min

工序7

粗像大头孔至中46.2mm

选用钱床与工序6相似

粗锋两次，单边余量3.6mm

ap=1.8mm

i+h+iz

t,=——f—=0.37min

tni=2t[=0.74min

工序8车大头外圆

切削深度：单边余量Z=l.5mm可一次切除

进给量：f=0.5mm/r

%=^kv=116m/min

计算切削速度:

1+1,+12

切削工时：t=F^=0J7min

工序9打成套编号

工序10粗铳螺栓孔平面

fz=0.08mm/齿•

切削速度V=27m/min

采用高速钢镶齿三面刃铳刀dw=80mmz=io

则ns=107r/min

采用X51立式铳床取nw=100"min

ndwiiw_

实际切削速度：P=碱"=25.1m/min

当%=100r/min每分钟进给量

n

卜=fZzw=80mm/min

查表，取b=80mm/min

切削工时.h=3mml2=4mm1=18.25mm

25.25

=

ti，-OUzz——0.31min

t,n=4tl=1.24min

工序11精铳同工序10

tni=1.24min

工序12钻，较两螺枪孔

依照Z535机床阐明书取f=0.2mm/r,V=20m/min

1000V

ns==540r/min

取“w=530r/minp=I9.6m/min

1=55.96mmh=2卜=3

I+

ti=-T-7—x2=1.15min

11w1

较工步：aP=01mmVC=14m/minf=o.8mm/r

1000V1000X14

ns=可=-T77F=371r/min

Z535钻床取转速nw=400r/min

nd”,%nx12x400

实际切削速度％=1000=1000=15m/min

l+L+1271.06

[2=—(r~=乐丽=°・22min

工序13中间检查

工序14半精、精锚大头孔至①49.2mm

半精像ap=1.5mm

精镇ap=1.5mm

工序15布磨大头孔

工序16中间检查

工序17钻小头油孔钻①41nm钱中8nlm深至3nmi

f=0.2mm/rV=5m/min

1000V

ns=f=397r/mm取%=400r/minp=5.03m/min

钩孔•1=3mmI[=1mm

i+h

、=-j—=0.05mintm=2、=O.lmin

工序18去毛刺

工序19压入轴套

工序20精镣衬套孔

单边余量Z=0,Inunap=0.1mmf=O.lmm/rn=1016r/min

V=nnD=93r/min

I=33mm=3mml2=4

J=-—=0.37min

工序21中间检查

工序22车小头二端面及孔口倒角

ap=lmmf=o.5mm/r

Vf=—^-kv=128m/min

切削速度Tmajv

1000匕

机床主轴转速ns=F=993r/min取%=955r/min

则实际切削速度V=123m/min

41-28

1=2=6.5mm1]=2mmI2=01g—0

1+I1+12+L8.5.

%=x2=955x0.5x2=0.04min

工序23铳开

工序24锐螺栓孔口倒角

工序25钻连杆盖定位销孔

工序26钻连杆体定位销孔

工序27去所有毛刺

工序28清洗

工序29最后检查

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，保证加工质量减少劳动强度，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型立式铳床，大批生产类型。

311工序尺寸和技术规定

钻孔①22,扩孔①26,表面粗糙度Ra12.5Umo

3.1.2生产类型

生产类型为大批生产。

3.2拟定钻床夹具构造方案与绘制夹具草图

3.2.1拟定工件定位方案，设计定位装置

分析工序简图可知孔。为0.004,中心线间距离为18°±0.05mm,从基准重

叠原则和定位稳定、可靠出发，选取端面为重要定位基准面。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。

定位孔与定位箱配合尺寸取中39M

定位销尺寸设计

D]=70mmL1=20mmL2=28mmh=10mm

d】=39mmd2=39mmd0=16mmL=22mm

(2)