内燃机连杆加工工艺及夹具设计(编辑修改稿)

内燃机连杆加工工艺及夹具设计(编辑修改稿)内容摘要：

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。 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 ]11[ 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(GB521685),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 2020 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 11 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 229255HBS 55 余热淬火 226271HBS 40Cr 调质 229269HBS 40MnB 调质 223262HBS 53CaS 调质 229269HBS 45Mn2 调质 229269HBS 42CrMo 调质 282HRCHBS 无锡太湖学院学士学位论文 2 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 EXCELLO 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。 表 12 国外部分厂家发动机连杆剖析结果 生产厂家 钢号 相当国内牌号 处理工艺 硬度 日本丰田 S53C 55 正火 229HBS S55C 55 调质 2930HRC S58C 60 锻造控冷 235HBS 波罗乃兹 45 调质 207HBS 太脱拉 45 调质 229252HBS 斯柯达 40Mn 调质 263269HBS 福特 300 SAE1141 40Mn2 调质 223HBS 内燃机连杆加工工艺及夹具设计 3 本课题应 达到的要求 ⑴ 满足零件设计的加工精度； ⑵ 零件机械加工的工艺过程卡片，各工序的工序卡片； ⑶ 主要机械加工工序的夹具总装配图及主要零件图； ⑷ 设计说明书（不少于一万字）； 必须有相关的计算和说明； ⑸专业外语文献翻译（不少于一万字符）。 无锡太湖学院学士学位论文 4 2 连杆 的分析 连杆 的作用 连杆机构的作用是提供燃烧场所，把燃料燃烧后 的 气体作用在活塞顶上的膨胀压力转变为曲轴旋转的转矩，不断输出动力 ， 即 是将活 塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动 ,并把作用在活塞组上的燃气压力传给曲轴。 所以，连杆除上下运动外，还左右摆动作复杂的平面运动。 连杆工作时 ,主要承受气体压力和往复惯性力所产生的文变载荷 ,要求它应有足够的疲劳强度和结构刚度。 概括为： ⑴ 将气体的压力变为曲轴的转矩 ； ⑵ 将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动。 连杆 的机械分析 连杆是内燃机的重要运动部件之一，它连接活塞与曲轴，把作用于活塞顶面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旋运动，从而输出功率。 在工作时，连杆承受大小、方向为周期性 变化的动载荷。 在做功冲程，燃气压力在连杆轴线上的分力为压缩应力；在进气冲程上止点，活塞组合连杆本身的惯性力在横断界面内造成拉伸应力；摆动时的横向惯性力造成横向弯曲应力。 连杆主要受力方式可以概括为： ⑴气缸内的燃气压力； ⑵活塞连杆组的往复运动惯性力； ⑶连杆告诉摆动时的所产生的横向惯性力。 所以连杆的常见疲劳破坏有： ⑴连杆小头与杆身圆弧过渡处产生裂纹； ⑵大头杆身与螺栓平面直角处产生应力集中； ⑶连杆螺栓断裂。 因此，要求连杆的重量轻且有足够的强度、足够的疲劳强度和冲击韧性。 连杆的结构特点 连 杆由连杆体及连杆盖两部分组成。 连杆体和连杆盖上的大头孔用螺栓和螺母与曲轴装配在一起。 为了减少惯性力的影响，在保证连杆有足够的强度和刚度的前提下，要尽可能的减轻其重量，所以连杆采用了从大头到小头逐步变小的“工”字型截面形状。 连杆的形状复杂而不规则，而孔本身及孔与平面之间的位置精度要求较高：杆身断面不大，刚度较差，易变形。 连杆的作用是把活塞和曲轴联接起来，使活塞的往复直线运动变为曲柄的回转运动，以输出动力。 因此，连杆的加工精度将直接影响柴油机的性能，而工艺的选择又是直接影响精度的主要因素。 反映连杆精度的参数 主要有 5 个： （ 1） 连杆大端中心面和小端中心面相对连杆杆身中心面的对称度； （ 2）连杆大、小头孔中心距尺寸精度； （ 3）连杆大、小头孔平行度； 内燃机连杆加工工艺及夹具设计 5 （ 4）连杆大、小头孔尺寸精度、形状精度； （ 5）连杆大头螺栓孔与接合面的垂直度。 连杆的主要技术要求 连杆上需进行机械加工的主要表面为：大、小头孔及其两端面，连杆体与连杆盖的结合面及连杆螺栓定位孔等。 大、小头孔的尺寸精度、形状精度 为了使大头孔与轴瓦及曲轴、小头孔与活塞销能密切配合，减少冲击的不良影响和便于传热。 大头孔公差等级为 IT6，表面粗糙度 Ra 应不大于 m；大头孔的圆柱度公差一般在 ~ 之间。 小头孔公差等级为 IT8，表面粗糙度 Ra 应不大于 m。 大、小头孔轴心线在两个互相垂直方向的平行度 两孔轴心线在连杆轴线方向的平行度误差会使活塞在汽缸中倾斜，从而造成汽缸壁磨损不均匀，同时使曲轴的连杆轴颈产生边缘磨损，所以两孔轴心线在连杆轴线方向的平行度公差较小；而两孔轴心线在垂直于连杆轴线方向的平行度误差对不均匀磨损影响较小，因而其公差值较大。 两孔轴心线在连杆的轴线方向的平行度在 100 mm 长度上公差为 — mm；在垂直与连杆轴心线方向的平行度在 100 mm 长度上公差为 — mm。 大、小头孔中心距 大小头孔的中心距影响到汽缸的压缩比，即影响到发动机的效率，所以规定了比较高的要求： 177。 mm。 连杆大头孔两端面对大头孔中心线的垂直度 连杆大头孔两端面对大头孔中心线的垂直度，影响到轴瓦的安装和磨损，甚至引起烧伤；所以对它也提出了一定的要求。 大、小头孔两端面的技术要求 连杆大、小头孔两端面间距离的基本尺寸相同，但从技术 要求是不同的，大头两端面的尺寸公差等级为 IT9，表面粗糙度 Ra 不大于 m, 小头两端面的尺寸公差等级为 IT12，表面粗糙度 Ra 不大于 m。 这是因为连杆大头两端面与曲轴连杆轴颈两轴肩端面间有配合要求，而连杆小头两端面与活塞销孔座内档之间没有配合要求。 连杆大头端面间距离尺寸的公差带正好落在连杆小头端面间距离尺寸的公差带中，这给连杆的加工带来许多方便。 有关结合面的技术要求 在连杆受动载荷时，接合面的歪斜使连杆盖及连杆体沿着剖分面产生相对错位，影响到曲轴的连杆轴颈和轴瓦结合不良，从而产生 不均匀磨损。 结合面的平行度将影响到连杆体、连杆盖和垫片贴合的紧密程度，因而也影响到螺栓的受力情况和曲轴、轴瓦的磨损。 对于本连杆，要求结合面的平面度的公差为 mm。 连杆 的材 料和毛坯 分析 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 ]11[。 选择 45 钢。 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）及无锡太湖学院学士学位论文 6 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。 内燃机连杆加工工艺及夹具设计 7 3 连杆的加工工艺规程的制定 加工工艺工艺过程就是改变生产对象的形状、尺寸、互相位置和性质，使其成为产品、半成品的过程，在生产过程中占重要位置。 工艺过程主要分为毛坯制造工艺过程、机械加工工艺过程和机械装配工艺过程，后两个过程被称为机械制造（工艺）过程。 加工工艺的基本概念 机械加工工艺过程就是用切削的方法改变毛坯的形状、尺寸和材料的 力学性质，使之成为合格的零件的全过程 ]7[ ，是直接生产的过程。 按照规定的工艺过程组织生产，对保证产品的质量、产量以及生产成本有着重要的作用。 选择定位基准 基面选择是工艺规程设计中的重要工作之一，基面选择的正确与合理，可以使加工质量得到保证，生产率得以提高 ]1[。 否则，不但使加工工艺过程中的问题百出，更有胜者，还会造成零件大批报废，使生产无法正常 进行。 因此，工件在加工过程中的定位、测量等问题需要被重点考虑。 （ 1）粗基准的选择 在选用粗基准时要考虑如何保证各个加工面有足够的余量，如何保证各个表面间的相互位置精度和自身的尺寸精度。 因此，选择粗基准时，赢遵循以下几个原则： ①对于不需要全部加工表面的零件，应使用始终不加工的表面作粗基准，以保证不加工表面与加工表面之间的相互位置要求。 ②选择毛坯余量最小的表面做粗基准。 ③选择零件上重要基准面作粗基准。 ④选择零件上加工面积大，形状复杂的表面作粗基准，以使定位准确、加紧可靠，夹具结构简单、操作方便。