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机械连杆毕业论文资料
毕业设计说明书
发动机连杆工艺设计及结构造型
学号12874107
姓名周海涛
班级机电124
专业机电一体化技术
系部机电技术学院
指导老师张帆
完成时间2014年9月8日至2015年4月24
引言
连杆机构构件运动形式多样，如可实现转动、摆动、移动和平面或空间复杂运动，从而可用于实现已知运动规律和已知轨迹。
此外，低副面接触的结构使连杆机构具有以下一些优点：
运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小；制造方便，易获得较高的精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，它不象凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。
因此，平面连杆机构广泛应用于各种机械、仪表和机电产品中。
平面连杆机构的缺点是：
一般情况下，只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；当给定的运动要求较多或较复杂时，需要的构件数和运动副数往往较多，这样就使机构结构复杂，工作效率降低，不仅发生自锁的可能性增加，而且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性增加；机构中作复杂运动和作往复运动的构件所产生的惯性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故连杆机构常用于速度较低的场合柴油机连杆的作用就是把活塞的往复直线运动转变成曲轴的回转运动，以便向外输出，它是主要传动件之一，它在工作中主要承受拉压交变应力，它的质量对柴油机是否能平稳的工作，以及寿命的保证。
由于连杆在工作中受到复杂的交变载荷作用，会发生弯曲，扭曲，大小头孔壁的磨损及螺栓损坏、大头侧面扭伤等。
连杆除裂纹外、螺栓弯曲及损坏等明显损伤外，主要是弯曲、扭曲检验。
一般应在连杆检验器上进行，用千分表检查弯曲度，用塞尺检查扭曲度。
连杆大、小端承孔轴心线应在同一平面，其平行度误差（弯度）应与此平面垂直的方向。
这就涉及到零件的工作部位的加工精度要求，这就要求到我们要了解对发动机工艺的设计以及结构造型，制定工艺路线时主要考虑粗、精加工安排、加工方法选择、工序集中与分散、加工顺序等方面的要求。
接着确定加工余量、工序尺寸及金属材料性能、热处理、铣、刨、磨削的加工的切削用量。
第1章柴油机简介
1.1柴油机的概述
柴油机是热机的一种，是将柴油燃料的化学能经过燃烧释放的热能转化为机械能的机器。
其能量转化过程为：
化学能-热能-机械能。
1.1.1柴油机的优点
经济性好。
热效率在热机中最高，一般为35%-42%。
（1）功率范围大。
柴油机单机功率在0.6-6.8X10的四次方千瓦，搭配中间冷却器的涡轮增压器，适用范围广。
（2）机动性好。
启动方便、迅速、加速性能好，正常启动只需要几秒钟，并能很快的达到全负荷工况。
（3）低油耗。
比汽油机低20%-40%。
（4）低排放。
低CO2、PM的排放量。
（5）耐久性佳。
对于柴油车辆柴油机寿命可达30万-100万km，甚至更高。
（6）低维护成本。
有些柴油机的维护周期可达5万km。
1.1.2柴油机存在的缺点
（1）运转时噪声大。
（2）废气中的有害成分对大气污染较为严重。
1.2柴油机的总体结构
它是由机体组件、曲柄连杆机构、配气机构、燃机机构、燃油供给系统、润滑系统、冷却系统、启动系统。
本设计就是简述连杆机构的加工方法、工艺规程、设计依据等等。
第2章连杆的总体造型分析
2.1连杆的功用
连杆组的功用是连接活塞与曲轴，实现往复运动与旋转运动的转换，并传递动力。
连杆组包括连杆、连杆盖、连杆螺栓、连杆轴瓦和小头轴套等零件如图所示。
连杆工作既有上下往复运动，又有左右摆动。
既承受活塞传来的气体压力，有得承受活塞和它本身的往复运动和摆动运动的惯性力。
这些力的大小和方向周期性变化，使连杆内部产生冲击性的交变应力（拉伸、压缩、和弯曲应力等）。
因而要求连杆具有足够的强度和刚度，中量尽可能的轻，大小头的轴瓦耐磨。
图2.1连杆零件图
2.2连杆组成部分
连杆的构造分为大头、杆身和大头三部分。
2.2.1连杆小头
连杆与活塞连接的部位，做成空心圆柱状。
小头孔中压有衬套，衬套常用耐磨材料，常用：
铝青铜、锡青铜等材料，小头顶部加工有小孔或铣缝，作为润滑油的通道。
2.2.2连杆的杆身
连接大头与小头的连接部分，一般做成工字形的断面，既减轻重量，又有足够的抗弯强度和刚度。
2.2.3连杆大头
连杆与曲轴轴颈相连接的部位，它们为两半组合，分离的一半称为连杆轴承盖，相互安装是用螺栓连接固定。
2.3连杆的受力分析
连杆在工作是的条件恶劣主要有这四方面的了作用力：
（1）气缸内要承受气体作用力。
（2）往复惯性力。
（3）旋转离心力及机件摩擦力的作用。
这四种里的方向大小会随着曲轴的转动角度变化而变化，综上所诉，其在柴油正常工作中一直处于一种复杂的受力状态下。
又因为连杆较为狭长的杆件，受到往复惯性力、旋转离心力，若自身的强度和刚度不够时，会发生弯曲变形造成轴承不均匀的磨损，会影响柴油机的正常工作，造成损失，危害大。
2.4连杆材料的金属性能及特点
柴油机的连杆属于受力原件，拉伸、压缩以及惯性力和旋转离心力和连杆力矩所产生的交变载荷。
国内一般中、小型汽油机及柴油机连杆采用的传统材料主要是中碳钢与中碳合金钢，而增压中冷强化的柴油机一般采用中碳合金钢如铬钢、锰铬钢、镍合金钢等综合可分为以下三类：
（1）非调制钢
1微合金非调质钢，该材料的输出功率高，爆发压力高，连杆要有很寿命。
2高碳非调质钢，省略了锻后的热处理，非调制钢不仅节省能源，而且
减少了生产工序，从而降低了成本。
（2）金属基复合材料；连杆，质量轻、强度好、膨胀系数小，对提高发动机效率和燃料经济性非常有利。
（3）钛合金材料；金属钛的密度为4.5g／cm，仅为钢铁材料的58％，因此用钛合金制造汽车发动机连杆，在保证性能的同时，轻量化效果十分明显。
（4）粉末冶金材料粉末冶金连杆有技术经济性的优点，与锻钢相比有较好的机械性能和重量精度。
2.5连杆零件图的分析
连杆是柴油机的关键零件之一，它将活塞的直线运动转化为回转运动，主要承受交变载荷，其能否平稳安全的工作对整台机器的的工作其功能毋庸置疑，这就设计到零件各部位的加工精度要求，连杆结构复杂，不规则，孔的精度，表面的粗糙度等等。
杆的刚度差，容易变形。
图2.2柴油机连杆零件图
图2.3连杆盖零件图
（1）如图2.1所示的零件小头φ55
mm的孔的表面精度等级为IT7级，用去除材料的方法获得的表面粗糙度为0.8um。
（2）在小头对称线开沉孔上孔φ20小孔φ8需倒角120度用去除材料的方法获得表面粗糙度为1.6um。
（3）零件大头以φ102
mm半圆孔为最高精度表面，精度等级为IT6,用去除材料的方法获得的表面粗糙度为0.8um。
（4）两孔间中心距为280±0.03，公差为0.06mm。
（5）需用螺栓连接的接合面的表面粗糙度为去除材料的方法获得表面粗糙度为0.8um。
（6）结合面上的定位孔φ23
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100∶0.15。
（7）大端的两面厚度要求65
mm,表面粗糙度用去除材料的方法获得表面粗糙度为1.6um；小端两面厚度52
mm,表面粗糙度去除材料的方法获得表面粗糙度为6.3um
2.6连杆工艺分析
连杆加工的工艺流程是：
拉大小头两端面——粗磨大小头两端面→拉连杆大小头侧定位面→拉连杆盖两端面及杆两端面倒角→拉小头两斜面→粗拉螺栓座面，拉配对打字面、去重凸台面及盖定位侧面→粗镗杆身下半圆、倒角及小头孔→粗镗杆身上半圆、小头孔及大小头孔倒角→清洗零件→零件探伤、退磁→精铣螺栓座面及圆弧→铣断杆、盖→小头孔两斜端面上倒角→精磨连杆杆身两端面→加工螺栓孔→拉杆、盖结合面及倒角→去配对杆盖毛刺→清洗配对杆盖→检测配对杆盖结合面精度→人工装配→扭紧螺栓→打印杆盖配对标记号→粗镗大头孔及两侧倒角→半精镗大头孔及精镗小头衬套底孔→检查大头孔及精镗小头衬套底孔精度→压入小头孔衬套→称重去重→精镗大头孔、小头衬套孔→清洗→最终检查→成品防锈。
2.6.1连杆的工艺特点
（1）连杆体和盖厚度不一样，改善了加工工艺性，盖两端面精度产品要求不高，可一次加工而成。
由于加工面小，冷却条件好，使加工振动和磨削烧伤不易产生。
连杆杆和盖装配后不存在端面不一致的问题，故连杆两端面的精磨不需要在装配后进行，可在螺栓孔加工之前。
螺栓孔、轴瓦对端面的位置精度可由加工精度直接保证，而不会受精磨加工精度的影响。
（2）连杆小头两端面由斜面和一段窄平面组成。
这种楔形结构的设计可增大其承压面积，以提高活塞的强度和刚性。
在加工方面，与一般连杆相比，增加了斜面加工和小头孔两斜面上倒角工序；用提高零件定位及压头导向精度来避免衬套压偏现象的发生，但却增加了压衬套工序加工的难度。
（3）带止口斜结合面。
连杆结合面结构种类较多，有平切口和斜切口，还有键槽形、锯齿形和带止口的。
该连杆为带止口斜结合面。
2.6.2如何选定连杆定位基准面的分析
精加工基准采用了无间隙定位方法，在产品设计出定位基准面。
在连杆杆和总成的加工中，采用杆端面、小头顶面和侧面、大头侧面的加工定位方式；在螺栓孔至止口斜结合面加工工序的连杆盖加工中，采用了以其端面、螺栓两座面、一螺栓座面的侧面的加工定位方法。
这种重复定位精度高且稳定可靠的定位、夹紧方法，可使零件变形小，操作方便，能通用于从粗加工到精加工中的各道工序。
由于定位基准统一，使各工序中定位点的大小及位置也保持相同。
这些都为稳定工艺、保证加工精度提供了良好的条件。
2.7连杆的毛胚的类型
柴油机连杆是一个结构较复杂的零件，要求材料要容易成型，切削性能好，故选用45钢，根据生产批量、零件材料及结构，选用模锻的加工方法。
锻模加工制造精度相对高，留得加工余量小适用于中小零件断网制造。
这样更有利于材料内部的组织的连续，可以使零件的强度更高。
毛胚如2.4图所示。
图2.4连杆的毛胚
第3章工艺规程设计
3.1基准面的选择
3.1.1基准面的选择的重要性
基面的选择是工艺规程设计的重中之重，选择合适的基面，可以精确的加工工艺，以保证合格的生产率，以及质量要求，反之，漏洞百出，影响经济损失，更有甚者发生安全故障，使车间无法正常运行。
3.1.2粗基准面的选择
依据基准先行，第一是确定定位基准面：
连杆的上下端面，为定位基准，加工上下端面时，以大头孔以及它的反向端面来进行定位。
3.1.3精基准面的选择
采用磨削方法达到合适的表面粗糙度，以上下两端面为基准。
精镗定位孔时，为达到孔与接合面的垂直度，加工时要与接合面为基准，进行精加工，连杆盖装上后，进行镗孔、磨孔，以达到要求的精度要求，要以端面，小头作为定位基准。
3.2制定工艺路线
制作工艺路线时我们应该遵循，几何形状、外形尺寸、精度要求、合格的生产率等等得到保证，在安排工艺时，粗精加工工序分开，这样有效防止在粗加工时的瑕疵在精加工时得到修正，提高生产率。
3.2.1粗加工加工工艺
（1）粗加工时连杆与连杆盖进行合并前的加工，首先对主基准面的加工，以及第二基准面的加工，对连杆与连杆盖的结合集合出进行精加工，保证加工精度的要求需对接合面进行磨、铣。
3.2.2半精加工加工工艺
（2）半精加工时连杆以连杆盖合并，需要铣、磨两平面，应为在钻大小头孔时，以此为基准，为保证图中要求的垂直度，然后半精车大小孔，以及倒角，为第三阶段的精车做准备。
3.2.3精加工加工工艺
（3）精加工时图纸上所有的标注应不遗余力的达到要求。
3.3工艺过程的安排
在工艺安排过程中，必须精粗分开以保证加工精度，粗加工切削余量大加紧力必然增加工件会有所变形，可以在后面半精、精加工中修正，半精加工速度快切削余量小，加紧力的方向尽可能的与切削力重力方向一致，以减轻加紧力，还得与刚度高的方向一致，以利于减轻工件的变形。
大小头两个端面：
先用铣床精铣后然后磨床精磨，小头上的孔、扩、绞、镗。
大头上的孔，用镗刀先粗后半精镗然后精镗最后用磨床研磨。
3.4确定合理的夹紧方法
连杆所选材料为45钢为优质碳素钢，此钢硬度不高，所以钢性差，预防加工时在加紧力的作用下变形所以：
（1）加紧力的作用点应在与支承点“点对点”或在支承点确定的区域内，以避免破坏定位或造成较大的加紧变形。
（2）加紧力的作用点应选择在工件刚度高的部位。
（3）加紧力的作用力点和支承点尽可能靠近切削部位，以提高工件切削部位的刚度和抗震性。
（4）加紧力的反作用力不应该使夹具产生影响加工精度变形。
在加工大小头孔的工序，加紧力要垂直以第一定位基面也就是大头端面，不能破坏定位基准，且加工圆的精度，在加工大小头孔时，选定刚度大的也就是大头的大平面，另一头用则用螺钉加紧，小头孔不在端面上进行加紧定位，防止会改变形状。
3.5连杆的加工
3.5.1连杆两端面的加工
连杆的两端端面在扩孔并用镗刀镗大头小头孔未完成之前，必须先铣床精铣以保证连杆两端面的平行度。
在精加工大头小头之前，要先安排精磨加工，保证基面的平面度，以便保证垂直度，从而提高孔的精度，精磨时我们采用高精度半自动万能磨床（MGB1412）运动平稳，加工精度高。
3.5.2连杆大、小头孔的加工
连杆大、小头孔的加工是工序的重要部分之一，精度要求对连杆的寿命及质量有着不可否定的意义。
首先确定小头的孔为定位基准面，在选定基准面时首先进行扩、镗孔。
为了保证加工的孔与外圆的同轴度的误差尽可能的小，加工时以小孔的外形进行定位。
以小头孔为定位基面，在镗床上精镗，达到公差等级为IT6，压入衬套，然后以衬套的内孔为定位基面精镗大头孔，由于精度的缘由衬套的内孔与外圆有同轴度的误差，可能会使衬套孔与大头孔的中心距误差会稍微超差。
大头孔经过与小头孔相同的加工方法达到IT6的公差等级，用去除材料的方法获得的表面粗糙度为Ra0.8um,经过铣后达到精度要求与连杆盖组合，然后进行精镗，但这样会有些变形，然后可以用镗刀精镗修正，来保证相应的精度。
3.5.3连杆螺栓孔的加工
以大头的端面、大头一侧面定位、小头孔进行定位，连杆的螺栓孔进行定位然后钻孔、扩孔、绞孔工序。
进行精加工螺栓时，需将工件反面加工的方法，用铣床精铣时为保证大端面和所在端面保证相应的垂直度，可以使两工位夹具，先铣完一个螺栓后将工件连同夹具定位原件旋转至另一螺栓，进行铣，这样就可以保证它的垂直度。
3.5.4连杆体与连杆盖的加工
结合面的粗糙度与尺寸、位置的精度，由是否遵循操作机床的规范，亦如对刀切削量的过大等等，还有夹具的精度。
为保证剖分面的结合误差所以平面度的不超过规定误差的0.02，而且还有保证相应的垂直度，所以刀具的安装现在显得尤为重要，为了能铣开的剖分面达到途中的要求，所以完成铣的工序后还得磨削加工。
3.6切削用量的选择原则
正确地选择切削用量，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。
3.6.1粗加工时切削用量的选择原则
粗加工时一般切削速度为三百转每分，切削深度3~5mm，但要尽可能不要损伤刀具，提高耐用度，减少经济损失呢，降底成本。
金属切除率可以用下式计算：
Zw≈V.f.ap.1000
式中：
Zw单位时间内的金属切除量（mm3/s）
V切削速度（m/s）
f进给量（mm/r）
ap切削深度（mm）
在保证耐用度的前提下，尽可能的提高切削深度，增大进给量，所以选择合适的切削速度和进给量、切削深度是很有必要的。
1．切削深度的选择：
在考虑切削深度时，留有半精、精的加工余量，在刀具耐用度的前提下尽可能的选择切削深度以提高生产效率。
2．进给量的选择：
进给量大小之间关系就是切削速度和加工原材料的刚度和强度决定的。
刚度强度高时应减小进给量，反之加大进给量。
3．切削速度的选择：
粗加工时，切削速度要考虑刀具耐用度和机床功率。
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。
3.6.2精加工时切削用量的选择原则
精加工要求的精度需达到图纸的要求。
速度与切削用量的合适应在保证质量的前提下，当然也得保证工作效率。
1．切削深度的选择：
在粗加工的基础上进行选择适当的切削速度。
2．进给量的选择：
精加工时在不影响工作效率的前提下应限制进给量为保证表面粗糙度。
3．切削速度的选择：
不影响工作效率的前提选用低速度，避开积屑瘤产生的范围。
由此可见，精加工时选用较小的吃刀深度ap和进给量f，并在保证合理刀具耐用度的前提下，选取尽可能高的切削速度V，以保证加工精度和表面质量。
第4章确定各工序的加工余量、计算工序尺寸及公差
4.1确定加工余量
用查表法确定机械加工余量：
（根据《公差配合与技术测量》1.2尺寸公差与配合的国家标准1.2.1标准公差系列表1-2）。
表4.1平面加工的工序余量
工艺名称
单面余量
经济精度
工序尺寸
尺寸公差
表面粗糙度
精磨
0.1
IT13
53
53
6.3
精铣
1
IT9
65
65
1.6
则连杆两端面总的加工余量为：
A总=
=（A精铣＋A精磨）
2
=（1＋0.1）
2
=2.2mm
所以连杆的毛胚尺寸是58.2
。
4.2确定工序尺寸及其公差
（根据《公差配合与技术测量》）1.2尺寸公差与配合的国家标准1.2.1标准公差系列表1-2
表4.2大头孔各工序名称以及公差
工序名称
余量
工序精度
工序尺寸
尺寸公差
表面粗糙度
一次粗镗
3
IT7
106
106
11
二次粗镗
2
IT9
104
104
10.2
半精镗
1
IT10
103
103
3.2
精镗
0.5
IT13
102.5
102.5
1.6
珩磨
0.1
IT14
102
102
0.8
4.2.2小头孔各工序名称及其公差
表4.3头孔各工序名称以及公差
工序名称
工序基本余量
工序精度
工序尺寸
公称尺寸
表面粗糙度
扩
3
IT8
55.6
55.6
11
铰
0.4
IT10
55.2
55.2
1.6
精镗
0.2
IT11
55
55
0.8
4.2.3加工工序卡
（《根据机械制造工艺学》课程设计指导书，实用制造工业设计手册）
有以下公式：
主轴转速n=1000x60v/3.14D、实际的切削速度v=3.14Dn/（1000x60）。
结束语
通过对柴油机连杆的设计，让我学到了很多知识，不再是纸上谈兵，对机电有了更深度的感受，机电是一门严谨的学科，来不得半点马虎，现在让我总结我设计说明书的重点。
连杆的材料是45钢，属于高碳钢，形状复杂，且为了保证柴油机的寿命，精度要求很高,所以为保证连杆的外形尺寸，几何精度，选择定位基准直接影响连杆的精度。
我们选连杆大小头端面以及小头孔作为主要定位基准面，依据基准先行，第一是确定定位基准面：
连杆的上下端面，为定位基准，加工上下端面时，以大头孔以及它的反向端面来进行定位，为提高大小孔的中心距的精度，可采用互为基准的加工方法。
在工艺安排过程中，必须精粗分开以保证加工精度，粗加工切削余量大加紧力必然增加工件会有所变形，可以在后面半精、精加工中修正，半精加工速度快切削余量小，加紧力的方向尽可能的与切削力重力方向一致，以减轻加紧力，还得与刚度高的方向一致，以利于减轻工件的变。
要根据机械制造工艺手册，各工序的加工余量、计算工序尺寸及公差。
最后感谢我的指导老师张帆，是她不厌其烦的对我的论文进行反复修改，并指导我查阅相关资料，她的睿智、博学多才让我深深敬佩，是我们刚跨入机电这一行业的愣头青的学习榜样。
我还得感谢我的毕业设计小组，是他们让我认识到团队协作的强大，以及高效率，我们携手并进共同克服难题，最后我得感谢我在大学所有教我课程的老师，让我在大学里学到走入社会前的生活、逻辑、思维能力以及相关技能的基础。
参考文献
[1]许炳照.《工程机械柴油发动机构造与维修》.人民交通出版社出版.2011年8月
[2]张皓阳.《公差配合与技术测量》.人民邮电出版社.2013年2月
[3]李大磊.王栋《机械制造工艺学》.机械工业出版社.2014年8月
[4]宋正元.《组合机床与自动化加工技术》.康明斯B系列连杆工艺设计的研究与实践（续）.1999年
附录
附录1铣连杆大小平面加工工序
附录2磨大小平面加工工序
附录3钻、扩、铰小端的孔加工工序
附录4铣大端加工工序
附录5铣轴瓦锁口槽加工工序
附录6镗·精镗大头孔加工工序
附录7精磨结合面加工工序
附录8钻螺栓孔加工工序
附录9铰定位孔加工工序
附录10钻小头油孔加工工序
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