柴油机连杆加工工艺设计Word格式.docx
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关键词:
连杆;
变形;
工作环境;
加工工艺;
夹具设计
Abstract
Atbothendsoflinkagewiththeactiveandpassivecomponentsinordertoconveymovementandthehingededgeofthebar.Forexample,inreciprocatingpistoncompressorandpowermachinery,toconnectthepistonwithconnectingrodandcrank.Connectingrodforsteelparts,themainpartofthecrosssectionfortheroundorshaped,bothendshaveaholeorholeswithneedlebearingbronzebushingforthepinintoandconstituteahingedaxis.Linkageisanimportantautomotiveengineparts,itisconnectedtothepistonandthecrankshaft,itsroleistothereciprocatingpistonmovementintorotarymovementofthecrankshaft,andtheroleoftheforceinthepistontothecrankshafttotheoutputpower.Linkatwork,inadditiontogasproducedbythecombustionchamberunderpressure,alsohavetofacetheverticalandhorizontalinertiaforce.Therefore,theconnectingrodinacomplexworkunderthestressstate.Itissubjecttoalternatingstressoftensionandcompression,butalsobythebendingstress.Linkthemainformoffatiguedamageandexcessivedeformation.Usuallythesiteoffatiguefractureintheconnectingrodonthethreeregionsofhighstress.Requirementsoftheworkingconditionsofconnectingrodconnectingrodhashigherstrengthandfatigueperformance;
alsorequiresadequateandtoughnessofsteel.Theconnectingrodisoneofthemaindrivingmediumofdieselengine,thistextexpoundsmainlythemachiningtechnologyandthedesignofclampingdeviceoftheconnectingrod.Theprecisionofsize,theprecisionofprofileandtheprecisionofposition,oftheconnectingrodisdemandedhighly,andtherigidityoftheconnectingrodisnotenough,easytodeform,soarrangingthecraftcourse,needtoseparatetheeachmainandsuperficialthickfinishmachiningprocess.Reducethefunctionofprocessingthesurplus,cuttingforceandinternalstressprogressively,revisethedeformationafterprocessing,canreachthespecificationrequirementforthepartfinally.
Keyword:
Connectingrod；
Deformination；
Workingenvironment；
Processingtechnology；
Designofclampingdevice
第1章绪论
1.1机车柴油机简介
1.1.1柴油机概述
（1）.柴油机是一种动力机械，它以柴油为燃料，将柴油燃烧而产生的热能转化为机械能。
柴油机广泛应用在工农业、交通运输、国防及人民日常生活中。
柴油机的型式很多，一般可按下述几种方式分类：
①按工作方式——二冲程，四冲程；
②按汽缸数——单缸，多缸；
③按汽缸直径——95、105、135（mm）等。
柴油的特点是自燃温度低，所以柴油发动机无需要火花塞之类的点火装置，它采用压缩空气的办法提高空气温度，使空气温度超过柴油的自燃测试，这时再喷入柴油、柴油喷雾和空气混合的同时自己点火燃烧。
从性能上说，国内传统柴油机一直给人以体积笨重、振动噪声大以及排放污染严重的印象，因此国产轿车基本都采用汽油发动机，然而近年来，国外知名车商开始将一些最新的柴油机技术引入到中国，大大改善了国人对柴油机的偏见，譬如一汽大众刚刚推出宝来TDI柴油发动机，其环保性、动力性以及平顺性都不逊于汽油机，同时又具有柴油机特有的巨大扭力和超低油耗，市场前景十分看好。
2）.柴油机结构及工作原理
（1）结构：
柴油机由燃烧室组件、动力传递组件、机体和主轴承、配气机构、燃油系统和调速器、润滑系统、冷却系统、起动系统构成。
（2）工作原理：
柴油机工作时，一般分为吸气、压缩、爆发、排气等步骤。
开始时，活塞从上止点下行到下止点，将新鲜空气吸入气缸，然后从下止点上行到上止点，将吸入的气体压缩，使其压力及温度升高。
当接近上止点时，气体温度已超过柴油燃点，此时由喷油嘴将柴油喷入迅速燃烧，高温高压燃气推动活塞下行做功。
之后，活塞再次从下止点上行，将废气排出气缸，完成一个循环。
活塞往复不停地工作，带动连杆使曲轴转动，就从曲轴上把动能传输出来。
1.1.2机车柴油机简介
1）机车柴油机概述
机车柴油机（locomotivedieselengine）是指用于内燃机车、内燃车组或内燃动车的柴油机。
机车柴油机具有高功率强化柴油机的典型特征,一般为四冲程V型机,以12缸、16缸最为普遍,也有直列式6、8、10缸的。
柴油机的宽度和高度受铁路机车车辆限界标准的限制，机车的允许轴重对柴油机重量也有一定的限制。
现代机车柴油机不断提高增压度（见内燃机增压），同时加大气缸排量。
大功率柴油机的单机功率已达5000千瓦，平均有效压力为1.3～2.0兆帕，燃料消耗率为200～225克/（千瓦·
时）。
柴油机的附件,如冷却水散热器、风扇和空气滤清器等均布置在机车厢内，机油滤清器、机油换热器一般也布置在机车厢内。
柴油机几乎都采用电起动方式,只有个别的采用空气起动。
调速系统大多采用液压全速调速器,并装有超速停机、油压保护和超温卸载等自动安全保护装置。
2）对机车柴油机的性能要求
机车在铁路上运行时线路状况不时变化，又需要按计划时间运行，因而要求机车柴油机的转速和功率在相当宽的范围内变化。
从运行工况的时间比例来看，部分负荷约占50％，空转占40％左右，而标定工况的使用时间很少。
铁路分布地区广泛，列车运行时的自然环境条件也在改变，这就要求柴油机具有广泛的适应能力。
对机车柴油机的性能要求是:
不仅在标定工况下,而且更重要的是在部分负荷和空转时燃油和机油的消耗量小，经济性应与机车牵引特性相适应；
有一个经济性最好的最低空载稳定转速；
性能指标随环境条件的变化小；
噪声低，排气烟尘和有害成分少；
冷机或热机均能连续可靠起动，一般在+5℃气温时，起动时间不超过10秒。
2）机车柴油机在中国的发展历程
柴油机发明后,屡经研究试图将柴油机用于铁路牵引。
1913年，瑞典最先制造了以55千瓦（75马力）柴油机为动力的第一台电力传动内燃动车。
但在1950年以前，铁路车辆的牵引动力主要仍是蒸汽机车。
50年代，内燃机车因有较好的能源利用率,可以改善列车牵引经济性,而获得了广泛的应用,并逐步取代了蒸汽机车。
到80年代初,世界上内燃机车已占机车总数的2/3。
中国于1958年自行制造内燃机车,长辛店机车车辆厂制成了国产第一台内燃机车---建设型直流电力传动调车内燃机车。
机车装有2台B2-300型柴油机，总装车功率为2×
300马力，最高速度80km/h。
该机车基本上是按从匈牙利进口的ND1型内燃机车仿造试制的。
1969年、1970年和1977年，四方厂、戚墅堰厂和资阳内燃机车厂（以下简称资阳厂）先后制造了6台4500马力等级的东方红4型货运液力传动内燃机车。
机车装用2台16V200ZL型柴油机，最高速度100km/h。
1970年,四方厂开始生产援助坦-赞铁路和越南等国的装用12V180ZJ型柴油机的1000马力的DFH1、3、4、5、型和2000马力的DFH2型液力传动内燃机车，总数达163台。
这是最早走出国门的国产内燃机车。
本文所研究就是12V180ZJ型柴油机气缸盖的加工工艺过程。
1999年8月，戚墅堰厂和浦镇车辆厂合作，制成了M+9T双+M编组的新曙光号电力传动双层内燃车组。
媒介动力车（机车）装用1台12V280ZJ型柴油机，车组总功率为2×
3750马力，席位1140个，最高速度180km/h，试验时达到190.4km/h。
其他工厂的内燃动车，也正在试制、开发当中。
内燃动车组的发展，不仅提高了铁路在国内运输市场的竞争能力，还提高了在国际市场上的竞争能力，也为21世纪初叶我国铁路客运提供了新的运输工具。
3）机车柴油机发展方向
机车柴油机发展重点是在机车车辆限界和机车轴重允许的条件下不断提高功率，一个重要的趋势是采用低压缩比与二级增压相配合的方法提高功率；
提高可靠性和耐久性以延长柴油机寿命;
提高经济性,特别是改善部分负荷、过渡工况和空转时的经济性；
应用电子技术实现运行工况优化和故障自动监控；
降低噪声和减少排气中的有害成分，防止污染；
改善机车用柴油机增压器的跟随性等。
内燃机车可靠性与可维修性设计也是国外大功率内燃机车的一个发展方向。
经验表明，大功率交流传动内燃机车无故障运行能力要比传统的直流传动内燃机车大４０％左右。
可靠性提高除通过结构方面的改进外，一个显著的特点是叫可靠性技术的应用。
提高内燃机车可靠性问题不只是通过对薄弱零件改进来解决，而且要将可靠性技术贯穿于内燃机车设计、试验、制造、使用维修和管理等各个环节中，形成一个系统工程。
在设计中除采用概率统计方法，把影响应力和强度的各因素视为随机变量运用可靠性理论保证所设计的零部件具有规定的可靠度外，还要进行可靠性规划与设计，主要包括“建立可靠性模型”；
将系统可靠性指标分配给各级组成部分，进行“可靠性分配”；
根据设计方案进行“可靠性预测”；
按照设计方案进行“故障模式、影响及危害性分析（ＦＭＥＣＡ）”及“故障树分析（ＦＴＡ）”等，找出影响可靠性、安全性的关键部件及薄弱环节。
国产第４代内燃机车，应具有可靠性、维修性及模块化设计。
1.2连杆简介及连杆加工工艺分析
1.2.1连杆的作用
图1-1活塞连杆组
连杆是将活塞的往复运动转变成曲轴旋转运动的中间构件。
1.2.2连杆机械加工工艺技术关键分析
连杆由连杆小头，杆身，连杆大头三部分组成。
连杆小头承受着活塞组产生的往复惯性力;
杆身承受着气缸内燃机气压力所产生的压应力以及往复惯性力产生的拉应力，由制造误差产生的杆身断面偏移也会在杆身上形成附加弯曲应力；
连杆大头承受着往复惯性力和不包括连杆盖在内的连杆离心惯性力。
对连杆的基本要求是：
（1）连杆小头应具有足够的强度和刚度，并使连杆小头轴承比压控制在合理范围内；
（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）连杆大头应具有足够的刚度，以减小运转时的变形，防止轴承热熔接。
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。
1.2.3论文主要研究内容
本论文主要研究大内容主要有：
（1）确定加工连杆的生产纲领及生产类型；
（2）确定连杆的毛坯材料及尺寸，确定毛坯加工余量；
（3）设计连杆加工工艺；
（4）确定部分重要工序所用的工艺装备和设备；
（5）计算部分重要工序的切削用量和基本时间；
（6）设计重要工序所用的夹具。
第2章连杆加工工艺规程
2.1机械加工工艺规程简介
2.1.1机械加工工艺规程的作用
1）机械加工工艺规程是组织车间生产的主要技术文件。
机械加工工艺规程是车间中一切从事生产的人员都要严格、认真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衔接，实现优质、高产和低消耗。
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，在产品投入生产之前就可以根据它进行一系列的准备工作，如原材料和毛坯的供应，机床的调整，专用工艺装备（如专用夹具、刀具和量具）的设计制造，生产作业计划的编排，劳动力的组织，以及生产成本的核算等。
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。
3）机械加工工艺规程是新建或扩建工厂、车间的基本技术文件。
在新建或扩建工厂、车间时，只有根据机械加工工艺规程和生产纲领，才能准确确定生产所需机床的种类和数量，工厂和车间的面积，机床的平面布置，生产工人的工种、等级、数量，以及个辅助部门的安排等。
2.1.2机械加工工艺规程的制定程序
制定机械加工工艺规程的原始资料主要是产品图样、生产纲领、生产类型、现场加工设备及生产条件等。
设计机械加工工艺规程的程序一般为：
1）分析加工零件的工艺性。
主要包括审查零件结构的工艺性及了解零件的各项技术要求，分析产品的装配图和零件的工作图，熟悉该产品的用途、性能及工作条件，明确被加工零件在产品中的位置和作用等。
2）熟悉和确定毛坯
3）拟定加工工艺路线
4）工序设计
5）编制工艺文件
2.2计算产品生产纲领，确定生产类型
180C柴油机的连杆。
该产品年产量为150台，设其备品率为10%，机械加工废品率为1%，现制定该活塞的机械加工工艺规程。
N=Qn（1+α%+β%）
=150（1+10%+1%）
=166件/年
连杆的年产量为166件，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》表1.1-2生产类型与生产纲领的关系，可确定其生产类型为中批生产。
2.3审查零件图样工艺性
连杆零件图样的视图正确、完整，尺寸、公差及技术要求齐全。
2.4选择毛坯
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。
目前我国有些生产连杆的工厂，采用了连杆辊锻工艺。
图（1-2）为连杆辊锻示意图．毛坯加热后，通过上锻辊模具2和下锻辊模具4的型槽，毛坏产生塑性变形，从而得到所需要的形状。
用辊锻法生产的连杆锻件，在表面质量、内部金属组织、金属纤维方向以及机械强度等方面都可达到模锻水平，并且设备简单，劳动条件好，生产率较高，便于实现机械化、自动化，适于在大批大量生产中应用。
辊锻需经多次逐渐成形。
图2-1连杆辊锻示意图
图2-2给出了连杆的锻造工艺过程，将棒料在炉中加热至1140～1200C0，先在辊锻机上通过四个型槽进行辊锻制坯见图2-2，然后在锻压机上进行预锻和终锻，再在压床上冲连杆大头孔并切除飞边见图2-2。
锻好后的连杆毛坯需经调质处理，使之得到细致均匀的回火索氏体组织，以改善性能，减少毛坯内应力。
为了提高毛坯精度，连杆的毛坯尚需进行热校正。
连杆必须经过外观缺陷、内部探伤、毛坯尺寸及质量等的全面检查，方能进入机械加工生产线。
图2-2连杆辊锻制坯示意图
2.5工艺过程设计
2.5.1定位基准的选择
在连杆机械加工工艺过程中，大部分工序选用连杆的一个指定的端面和小头孔作为主要基面，并用大头处指定一侧的外表面作为另一基面。
这是由于：
端面的面积大，定位比较稳定，用小头孔定位可直接控制大、小头孔的中心距。
这样就使各工序中的定位基准统一起来，减少了定位误差。
具体的办法是，如图（1—5）所示：
在安装工件时，注意将成套编号标记的一面不
图2-3连杆的定位方向
与夹具的定位元件接触（在设计夹具时亦作相应的考虑）。
在精镗小头孔（及精镗小头衬套孔）时，也用小头孔（及衬套孔）作为基面，这时将定位销做成活动的称“假销”。
当连杆用小头孔（及衬套孔）定位夹紧后，再从小头孔中抽出假销进行加工。
为了不断改善基面的精度，基面的加工与主要表面的加工要适当配合：
即在粗加工大、小头孔前，粗磨端面，在精镗大、小头孔前，精磨端面。
由于用小头孔和大头孔外侧面作基面，所以这些表面的加工安排得比较早。
在小头孔作为定位基面前的加工工序是钻孔、扩孔和铰孔，这些工序对于铰后的孔与端面的垂直度不易保证，有时会影响到后续工序的加工精度。
在第一道工序中，工件的各个表面都是毛坯表面，定位和夹紧的条件都较差，而加工余量和切削力都较大，如果再遇上工件本身的刚性差，则对加
工精度会有很大影响。
因此，第一道工序的定位和夹紧方法的选择，对于整个工艺过程的加工精度常有深远的影响。
连杆的加工就是如此，在连杆加工工艺路线中，在精加工主要表面开始前，先粗铣两个端面，其中粗磨端面又是以毛坯端面定位。
因此，粗铣就是关键工序。
在粗铣中工件如何定位呢？
一个方法是以毛坯端面定位，在侧面和端部夹紧，粗铣一个端面后，翻身以铣好的面定位，铣另一个毛坯面。
但是由于毛坯面不平整，连杆的刚性差，定位夹紧时工件可能变形，粗铣后，端面似乎平整了，一放松，工件又恢复变形，影响后续工序的定位精度。
另一方面是以连杆的大头外形及连杆身的对称面定位。
这种定位方法使工件在夹紧时的变形较小，同时可以铣工件的端面，使一部分切削力互相抵消，易于得到平面度较好的平面。
同时，由于是以对称面定位，毛坯在加工后的外形偏差也比较小。
2.4.2加工阶段的划分与工序顺序的安排
连杆的主要加工部位是大小头端面，大小头孔。
次要加工部位是各种螺纹孔及倒角。
除机械加工外，还有调质处理、划螺纹孔线、探伤等。
另外在机械加工过程后还安排了钳工倒角去毛刺、并对连杆进行喷丸处理，为连杆的组装做好准备。
2.5.2加工阶段的划分与工序顺序的安排
（一）加工阶段的划分
连杆机械加工工艺过程
连杆的机械加工工艺过程大致可以分为：
加工基准面——粗钻铣大小头平面及大小头孔——调质处理——半精钻铣大小头平面及大小头孔——分离连杆和连杆盖——精铣基准面并进行磨削——钻、铰、锪各种孔——精钻铣大小头平面及小头孔和大头轴瓦——研磨重要孔的支撑面——钳工倒角、去毛刺——探伤后钳工清洗组装。
连杆的大小头平面及大小头孔的技术要求都很严格，所以对于这些端面安排了：
粗铣——半精铣——精车铣。
对于180C柴油机连杆进行粗加工时，以大小头两端面作为精基准，所以先粗加工大小头端面，然后再加工其他各主要表面。
各种孔的加工集中在连杆与连杆盖连接处，所以将各种孔加工完之后再精铣大小头端面，以保证重要加工表面不被破坏或划伤。
连杆盖机械加工工艺过程
连杆盖的机械加工工艺过程大致可以分为：
半精铣对接面——划孔线——车孔——精铣对接面——钻铰各孔——磨螺钉面——修正圆角——钳工组装——划瓦槽——铣瓦槽——钳工组装。
对于连杆盖进行粗加工时，以连杆盖一侧的一端面作为粗基准，然后以对接端面作为精基准，加工其他的重要表面。
（二）工序安排
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（切削力、夹紧力）的作用下容易变形。
（2）连杆是模锻件，孔的加工余量大，切削时将产生较大的残余内应力，并引起内应力重新分布。
因此，在安排工艺进程时，就要把各主要表面的粗、精加工工序分开，即把粗加工安排在前，半精加工安排在中间，精加工安排在后面。
这是由于粗加工工序的切削余量大，因此切削力、夹紧力必然大，加工后容易产生变形。
粗、精加工分开后，粗加工产生的变形可以在半精加工中修正；
半精加工中产生的变形可以在精加工中修正。
这样逐步减少加工余量，切削力及内应力的作用，逐步修正加
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