柴油机连杆的工艺设计

第1章柴油机连杆分析柴油机连杆零件的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部分组成，柴油机连杆大头是分开的，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的变截面非圆形杆件，其杆身截面从大头到小头逐步变小，以适应在工作中承受的急剧变化的动载荷。

其形状也比较复杂，很多表面并不容易加工，不管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。

基本要求如：柴油机连杆杆身不垂直度<,小头、大头两端面对称面与杆身相应对称面之间的偏移<，杆身横向对称面对大小头孔中心偏移<1.首先必须保证大头中心孔中心线和小头孔中心线之间的平行度，这样才能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的平行度，以及两端面中心线与两孔中心线之间的垂直度，用于保证工作中不会刮伤曲轴平衡块，可以减少噪声，保持平稳；第三个要保证的是柴油机连杆体和盖的分和面之间的配合和吻合，以保证大头孔的圆柱度，以免刮伤轴瓦；第四要确保大小头孔中心线之间的距离，如果其得不到保证，将保证不了发动机在工作时的气体压缩比等。

零件的工艺分析由零件图可知：可将其分为三组加工表面。

它们相互间有一定的位置要求。

现分析如下：首先柴油机连杆的加工表面如下：（1）以端面互为基准加工的两端面。

（2）以小头孔为中心的加工有：钻两个Φ4的油孔，加工侧面工艺凸台。

（3）以大头孔为中心的加工表面有：加工M12螺栓孔。

柴油机连杆精度的参数主要有五个：1.柴油机连杆大端中心面和小端中心面相对于柴油机连杆身中心面的对称；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的尺寸精度、形状精度；5.柴油机连杆大头螺栓孔与接合面的垂直度。

其余技术参数如下表：表1第2章机械加工工艺规程设计生产纲领的确定生产纲领的大小对生产组织和零件加工工艺过程起着重要的作用，它决定了各工序所需专业化和自动化的程度，以及所选用的工艺方法和工艺装备。

零件生产纲领计算:N=Qn(1+α%)(1+β%) 式子中：N……零件的年生产纲领（件/年）；Q……产品的年生产量（台/年）；n……每台产品中，该零件的数量（件/台）；α%……备品率；β%……废品率。

根据教材中生产纲领与生产类型及产品大小和复杂程度的关系，确定其生产类型。

图为某产品上的一个柴油机连杆零件。

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%，机械加工废品率选择为%，每台产品中该零件的数量为 1件。

N=Qn(1+α%)(1+β%)10000件/年柴油机连杆零件的年产量为10000件，现已知该产品属于中型机械，根据生产类型与生产纲领的关系查阅参考文献，确定其生产类型为大量生产。

大量生产的工艺特征：（1）零件的互换性：具有广泛的互换性，少数装配精度较高处，采用分组装配法和调整法。

（2）毛坯的制造方法和加工余：广泛采用金属模机器造型，一般采用模锻。

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：广泛采用高效夹具，复合刀具，专用量具或自动检验装置，靠调整法达到精度要求。

（5）对工人的技术要求：对调整工的技术要求高，对操作工的技术水平要求较低。

（6）工艺文件：有工艺过程卡或工序卡，关键工序要调整卡和检验卡。

（7）成本：较低。

（8）生产率：高。

（9）工人劳动条件：较好。

柴油机连杆的材料选择与毛坯的制造方法柴油机连杆的材料选择考虑到在该工艺方案中采用铣结合面工艺，那么选择材料也是很重要的。

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，经过淬火和高温回火处理，处理后一般硬度在HBS288〜HBS269之间•后来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一样的力学性能，省去了淬火和高温回火，从而降低了成本。

后来为了减少机加工，更进一步降低成本，于是开发了用粉末冶金的方法来制造柴油机连杆，大大减少了机加工。

而且粉末冶金柴油机连杆的质量公差小，更适合用于发动机柴油机连杆是的制造。

美国就广泛的运用粉末冶金的方法来生产柴油机连杆。

实际上它是一种含%左右的尚碳钢。

柴油机连杆的主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有一定优越性，首先锻造后空冷不需要热处理；装配后柴油机连杆体与柴油机连杆盖的裂解面能紧密地接触并相互锁定，使其不产生错位和移动，提高了与曲轴零件的配合，同时也提高了曲轴的刚度，大大地改善了发动机的性能。

减轻柴油机连杆的重量一直都是柴油机连杆制造上讨论的一个主题，如果采用粉末冶金技术，在不改变柴油机连杆形状结构的前提之下会导致柴油机连杆的重量增加15%〜30%，这样使得柴油机连杆得重量有了很大的增加，那么发动机的重量也会在一定程度的增加，会影响其使用性能。

如果用粉末冶金制造柴油机连杆，就必须重新设计柴油机连杆的形状结构，以减轻柴油机连杆的重量。

综上所述，考虑了各种因素，并经过组内成员的共同讨论，最后决定采用45钢作为本次设计中柴油机连杆的材料。

45钢的成分和力学性能45钢中主要各化学成分质量百分比分别为：C为%，Mn为%，S为%，P为%，V为%;其金相组织为珠光体加断续的铁素体，抗拉强度为：900MPa〜1050 MPa，屈服极限为520MPa，最大延伸率为10%。

其中Mn作为强化项而存在，用以提高材料的强度。

铣结合面工艺要求柴油机连杆切断后的塑性变形最小，又要保证材料有良好的可切削加工性能。

45为高碳钢，含C量提高后，便增加了钢材的淬透性能，假如保持含Mn量不变，柴油机连杆锻造空冷后硬度会提高，而且金相组织中可能会出现贝氏体，恶化可切削加工性能，须通过适当途径降低含Mn量。

为了改善可切削加工性，提高了含S量，钢中的Mn和S的亲和力大于Fe 和S的亲和力，优先形成MnS，从而降低钢的塑性，防止金相组织中可能会出现的贝氏体；另外FeS会引起钢的“热脆”，促进了铣削时的断裂。

Mn和S结合时含Mn量又不能过低，至少要高于S 三倍的含量。

45钢的力学性能：表2毛坯的制造方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。

而且该零件的年产量是10000, 已经达到了大量生产的水平，要求其生产率比较高，零件尺寸不是很大，再者为了保证它的尺寸精度、加工精度，故选择模锻。

模锻工艺要求柴油机连杆锻件在胀断过程之中不能有过大的塑性变形，因此模锻柴油机连杆性能的合格就是保证柴油机连杆达到理想的脆性断裂的因素。

用于模锻工艺的45系列高碳非调质钢，它的成分特点是低硅，低锰及添加了微量合金元素钒和易切削的S元素，范围窄，纯度高。

机械加工余量及毛坯尺寸公差确定（1）锻件公差等级由于功用和技术要求，公差等级为一般精度。

（2）材质系数碳质量分数小于%的碳素钢。

故该锻件材质系数属M1级。

（3）锻件分模线形状零件高度方向的对称平面为分模面，属平直分模线。

确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437大头孔上下端面237小头孔1439根据模锻的基本要求，在零件的基本尺寸上加上加工余量2〜4mm，所以在加工多数表面在基本尺寸的基础上单面加2mm，一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。

指定工序定位基准的选择定位基准有粗基准和精基准之分。

在加工起始工序中，只能用毛坯尚未曾加工过的表面作为定位基准，则该表面称为粗基准；利用已加工表面作为定位基准，则称为精基准。

其基准的选择也是工艺规程设计之中的重要问题之一，定位基准的选择合理与否，将直接影响所制订的零件加工工艺规程的质量。

基准选择不当，往往会增加工序，或使工艺路线不合理，或使夹具设计困难，甚至达不到零件的加工精度（特别是位置精度）要求，造成零件报废等情况。

选择粗基准时主要考虑两个问题：一是保证加工表面与非加工表面之间的相互位置精度要求；二是合理分配各加工面的加工余量。

粗、精基准具体选择时参考下列原则：（1）对于同时具有加工表面和不加工表面的零件，为了保证不加工表面与加工表面之间的位置精度，应选择非加工表面作为粗基准。

（2）对于具有较多加工表面的工件，选择粗基准时，应考虑合理分配各加工表面的加工余量。

（3）粗基准应避免重复使用。

在同一尺寸方向上，粗基准通常只能使用一次，以免产生较大的定位误差。

精基准的选择应从保证零件加工精度出发，同时考虑装夹方便、夹具结构简单。

选择精基准一般应考虑如下原则：(1) “基准重合〃原则为了较容易地获得加工表面对其设计基准的相对位置精度要求，应选择加工表面的设计基准为其定位基准。

这一原则称为基准重合原则。

如果加工表面的设计基准与定位基准不重合，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方便地加工其它表面时，应尽可能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的费用，提高生产率，并可避免因基准转换所造成的误差。

（3）“自为基准〃原则当工件精加工或光整加工工序要求余量尽可能小而均匀时，应选择加工表面本身作为定位基准，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。

柴油机连杆加工工艺过程的拟定方案如下：铣两平面（粗铣、精铣）→粗磨二孔端面→退磁→钻、扩小头孔→倒角→粗镗小头孔→粗镗大头孔→车大头外圆→打成套编码→粗铣螺栓孔平面→精铣→钻、铰两螺栓孔→中间检验→精镗大小头孔→珩磨大头孔→中间检验→钻小头油孔→去毛刺→压入衬套→精镗衬套控→中间检验→车小头二端面及孔口倒角→铣开→锪螺栓孔口倒角→钻连杆盖定位销孔→钻连杆体定位销孔→去全部毛刺→清洗→最后检验一共29道工序，从柴油机连杆使用性能的基本要求来看，该工艺方案能基本达到要求。

连杆加工工艺设计应考虑的问题工序安排连杆加工工序安排应注意两个影响精度的因素：（1)连杆的刚度比较低，在外力作用下容易变形；（2)连杆是模锻件，孔的加工余量大，切削时会产生较大的残余内应力。

因此在连杆加工工艺中，各主要表面的粗精加工工序一定要分开。

定位基准精基准：以杆身对称面定位，便于保证对称度的要求，而且采用双面铣，可使部分切削力抵消。

统一精基准：以大小头端面，小头孔、大头孔一侧面定位。

因为端面的面积大，定位稳定可靠；用小头孔定位可直接控制大小头孔的中心距。

夹具使用应具备适应“一面一孔一凸台”的统一精基准。