高速柴油机连杆胀断工艺的设计说明书

目录
摘要Ⅲ
AbstractⅣ
第一章绪论1
1.1 前言1
1.2 国外发动机连杆工艺发展现状和发展趋势3 1.3 连杆工艺研究方向和研究的关键问题3
第二章连杆零件的分析5
2.1 连杆的结构功能分析5
2.2 连杆的主要技术要求6
第三章连杆零件机械加工工艺规程的编制7 3.1 生产纲领的确定7
3.2 连杆的工艺分析8
3.3 连杆的材料选择与毛坯的制造方法8
3.3.1连杆的材料选择8
3.3.2 C70S6钢的成分和力学性能10
3.3.3 毛坯的制造方法11
3.4 机械加工余量，工序尺寸及毛坯尺寸确定13 3.5 指定工序定位基准的选择13
3.6 加工工艺阶段的划分和加工顺序的安排15
3.7 连杆加工工艺过程的拟定16
3.8填写机械加工工艺过程卡和机械加工工序卡16 第四章指定工序的工装设计17
4.1 机床夹具设计的基本要求17
4.2 专用夹具设计步骤17
4.3激光开应力槽工装设计19
4.3.1 应力槽的设计19
4.3.2 设备的选择与改装20
4.3.3 拟定定位方案20
4.4胀断工装设计21
4.4.1 设备选择21
4.4.2拟定定位方案21
4.4.3夹具使用说明21
4.4.4 胀断参数的计算23
总结24
参考文献25
致26
105系列高速柴油机连杆工艺总体方案及指定工装设计
摘要
连杆是柴油发动机的主要部件之一，它决定着发动机的性能和运行的稳定性。

随着科学技术的发展与进步，连杆的制造被注入了现代化的加工手段。

“胀断工艺”成为了连杆工艺中的又一新名词。

连杆胀断工艺的应用，使连杆在加工质量、生产率和生产成本等诸多方面都发生了显著变化，柴油发动机的性能得到了进一步提升。

本文以柴油机连杆制造工艺的总体方案为主要研究容，以连杆的胀断工艺为主要研究方向。

总体方案涉及从连杆材料的选择到加工为成品的全部工艺过程。

方案特别对胀断工艺的原理及过程做了深入浅出的论述，并在认真分析连杆技术要求、广泛查阅相关文献的基础之上，制定出了一条基本适于连杆实际生产的新型工艺方案和路线。

同时，笔者还重点设计了“激光开应力槽”、“胀断”两工序的夹具和工艺装备。

关键词：柴油机连杆，工艺方案，胀断工装
The General Planning of 105 Series High Speed Diesel Engine Products’ Conn ect ing Rod’s Processing
Technic
and the designated Design of Clamping Device
Abstract
Linkage of the diesel engine is one of the main parts of its decision to the engine performance and the stability. With the scientific and technological development and progress of the link was injected into a modern manufacturing processing methods. "Expansion of off" has become a link in the process of yet another new term. Linkage bulging off the application process so that the link in the processing quality, productivity and production costs, and so have undergone significant changes, the diesel engine has been further enhance performance.
Diesel link this to the overall manufacturing process for major research programme, to link the expansion of off the main research directions. Linkage of the overall plan from the choice of materials to finished products for processing all the process. Special programmes on the principle of expansion off course and had to learn to do the exposition and careful analysis of technical requirements of connecting rod, widely accessible on the basis of relevant literature, worked out a basic link suitable for the actual production of new programmes and Line. At the same time, the author also focused on the design of the "open laser stress trough," "bulging off" the two processes of the fixture and process equipment.
Key words :Diesel engine,Technology of process, Clamping device of the splitting
第一章绪论
1.1 前言
连杆在发动机中作为改变力的传递方向和方式最重要的零部件之一，用于各种发动机上，其大头孔与曲轴连接，小头孔通过活塞销与活塞连接，将作用于活塞的气体膨胀压力的直线运动传给曲轴转变为旋转运动（图1.1）。

在工作过程中，其承受着较高的周期性冲击力、惯性力、压缩应力、纵向弯曲应力、拉应力、动载荷等，因此要求连杆重量要轻，必须有较高的强度、韧性和疲劳性能。

图1.1 连杆动力转化图
发动机的可靠性在很大程度上取决于连杆的可靠程度，在连杆的总成可靠性的因素之中分合面质量与定位关系是主要因素，因此解决好连杆体与连杆盖之间的定位问题，可以降低连杆的生产成本，提高发动机的可靠性。

但由于连杆的外形比较复杂、容易变形、刚性差，尺寸精度、位置精度以及表面质量等要求较高，在制造上具有一定难度。

而其连杆制造技术的好坏直接影响着连杆的使用性能和经济性能以及一个企业的生存和发展，随着生产技术的发展，传统的制造技术渐渐不能适应现在生产的要求。

先后在国外很多连杆生产厂家提出了“胀断技术”（又涨断技术或裂解技术），国少部分连杆生产厂家也已采用该技术。

据相关文章介绍，发动机连杆胀断加工技术是目前国际上连杆生产的最新技术，随着连杆生产技术的发展，连杆体与盖的分离不再采用铣、锯或拉这类传统切削加工方法，而是采用了最新的胀断技术。

该技术是以整体加工代替分体加工，用切口(用机械方法或激光技术等方法制造预裂纹) 断裂，使大端连杆盖从连杆体移去，使连杆体与盖的分离达到理想的脆性断裂，并能很容易达到其连杆使用性能要求的一门先进技术(图1.2)。

图 1.2 胀断过程示意简图
采用胀断工艺有如下优点：1.简化了连杆及连杆盖的设计要求；2.采用连杆胀断工艺后，连杆与连杆盖的分离面是最完全的啮合，所以其无需再进行机加工，省略了分离面的磨削加工；3.连杆体与连杆盖装配时无需额外的精确定位，如螺栓孔定位（或定位环孔），只需螺栓拉紧即可，这样省去了螺栓孔的精加工（如铰或镗）。

与传统连杆加工方法相比，胀断工艺的优势很大：减少了加工工序、节省精加工设备、节省刀具磨损、节材料和能源、降低生产成本等，连杆胀断加工技术还可提高连杆承载能力、抗剪能力、杆和盖的定位精度及装配质量，对提高发动机生产技术水平和整机性能具有很重要作用。

综上所述，以体现自己大学四年来所学理论知识与实际生产联系的综合，锻炼自己的独立思考、自我创新的意识和能力为目的，在采用胀断技术的基础上，探索和制定出
一条能提高连杆的质量和减少连杆制造成本，并基本适应实际生产的方案，故选择该课题作为本次毕业设计的题目。

1.2 国外发动机连杆工艺发展现状和发展趋势
在毛坯材料方面：国传统工艺连杆毛坯材料一般采用42CrMo 、35CrMo 、40MnVB、45CrMnB、40Cr 、 40CrMnB S40C等调质钢和S43CVS1 (进口) 、35MnV、40MnS等非调质钢。

康明斯生产线采用调质钢毛坯40MnBH(GB5216-85),1995年全面转用非调质钢材料毛坯38MnV。

60年代中期粉末热锻技术开始发展起来，从80年代以来粉末冶金注射成型（PIM）成功的得到应用，大多数连杆制造中使用的中碳钢和低合金钢逐步由新钢种和粉末冶金的锻造材料所代替。

而德国发动机系统和零部件的专家MahleGmbH公司先后推出了C70S6BY钢、36MnVS4BY钢、 70MnVS4BY钢等可用于胀断的材料。

在加工工艺方面：国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；传统锻造有将连杆体和盖分开锻造、连杆整体锻造两种，连杆体与连杆盖分离方式一般采取锯断、铣断等工艺。

国外很多连杆生产厂家提出关于连杆体与盖分离最新工艺是使用断裂分开，即胀断工艺（又涨断工艺或裂解工艺），该工艺是用切口(用机械方法或用激光等方法制造预裂纹, 国常用的裂解槽加工方法有机械拉削、线切割，国外采用水刀和激光加工)，形成应力集中，主动施加垂直预定断裂面载荷进行引裂，在几乎不发生变形的情况之下，在缺口处规则脆性断裂，实现连杆体与连杆盖的无屑断裂剖分，使大端连杆盖从连杆体移去。

国部分汽车厂及设备制造厂如一汽—大众、大众和通用等都采用了该技术。

1.3 连杆工艺研究方向和研究的关键问题
本设计的目的主要是制定一条适合胀断工艺的工艺方案，基本需要解决以下问题：首先是要确定毛坯的材料以及其毛坯的制造方法。

目前,绝大多数连杆是由需要淬火和回火的中碳钢和低合金钢经过锻造加工制造的，但正不断由新钢种和粉末冶金的锻造材料所代替。

胀断连杆要求其材料塑性变形小、强度好、脆性适中、工艺性好，即在保证连杆强韧综合性能指标的前提下，限制连杆的韧性指标，使断口呈现脆性断裂特征。

而可用于连杆裂解的材料主要有粉末烧结材料、高碳钢、球墨铸铁、可锻铸铁。

应用比较广泛的材料是粉末烧结材料和高碳钢。

提到粉末冶金，粉末冶金是利用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。

对粉末冶金零件工业提出的主要要降低成本、改进使用性能、减轻零件重量及保护环境。

对其零件的使用性能而言,关键在于开发高强度、高精度材料，耐热、耐磨材料及高性能材料。

在胀断加工工序之中，其胀断加工技术主要有三道关键核心工序，即加工初始应力槽、胀断、装配螺栓等。

初始应力槽设计主要问题：1.胀断槽的位置设计；2.胀断应力槽的几何尺寸设计；
3.胀断槽的加工方法等。

胀断槽（应力槽）的位置的确定在一定程度上反应了断裂的方向，断裂的方向必须与螺钉安装方向垂直，如果说不能准确的在这个角度和位置上断裂的话，不但在安装的时候会产生很大的难度，也很难保证大头孔的圆柱度。

所以合理设计胀断应力槽，是有效提高缺口效应与应力集中系数、降低胀断力、提高断裂效率与质量关键因素，胀断应力槽的目的就是制造缺口效应，提供应力集中，为胀断提供条件，并保证其断裂发生在在设定的位置。

胀断槽形状主要有机械加工而成的“V”型槽与激光加工的矩形槽，其参数主要有角、曲率半径、槽深、槽长等。

而胀断槽的加工方法的选择也是至关重要的，采用什么样的加工方式才最合理、最能达到要求，并且最节省制造成本等都是必需要考虑的问题。

胀断主要解决的问题是：如何核心设备的选择以及其夹具的设计。

设备的选择，在没有现有设备的前提之下，应该如何选择其设备，选用什么设备，或者如何选用现有的其他设备进行改装，在胀断时是否能真正的达到所谓的脆性断裂等，以及在选定设备的基础上如何来设计其工装等都是有待去思考和解决的问题。

关于螺栓装配，在装配螺栓过程中必须保证裂解后的连杆杆身与连杆盖完全啮合、不错位。

为防止错位或施加扭矩不一致，应同时进行两侧螺栓的装配，装配螺栓需要进行螺栓预装配及定扭矩装配。

第二章连杆零件的分析
2.1 连杆的结构功能分析
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。

连杆由连杆大头、杆身和连杆小头三部分组成，连杆大头是分开的，一半与杆身为一体，一半为连杆盖，连杆盖用螺栓和螺母与曲轴主轴颈装配在一起。

为了减少磨损和磨损后便于修理，在连杆小头孔中压人青铜材套，大头孔中装有薄壁金属轴瓦（如图2.1）。

图2.1 衬套、轴瓦位置示意图
连杆是将活塞上下的直线运动转化为曲轴的旋转运动的重要部件，所以要求要求有较高的强度、韧性和疲劳性能之外，对发动机连杆还有较高的位置精度和尺寸形状精度要求以及表面质量要求。

基本要求如：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的偏移≤0.6，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。

2.2 连杆的主要技术要求
连杆精度的参数主要有五个：1.连杆大端中心面和小端中心面相对于连杆身中心面的对称；2.连杆大小头空中心距尺寸精度；3.连杆大小头孔平行度；4.连杆大小头孔的尺寸精度、形状精度；5.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2.1
技术要求项目具体要求或数值满足的主要性能
大、小头孔的椭圆度，锥度椭圆度≤0.012
锥度≤0.014
保证与衬套、轴瓦的
良好配合
两孔中心距±0.03～0.05 气缸气体的压缩比
两孔轴线在同一个平面在连杆轴线平面：≤0.03
在垂直连杆轴线平面：≤0.06
减少气缸壁和曲轴
颈磨损
大孔两端面对轴线的垂直度≤0.015 减少曲轴颈边缘磨
损
两螺孔中心线（定位孔）的位置精度在两个在45°方向上的平行度：
0.02~0.04
对结合面的垂直度≤0.015
保证正常承载和轴
颈与轴瓦的良好配
合
同一组的重量差±30g 保证运转平稳
第三章连杆零件机械加工工艺规程的编制
3.1 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%）
式中 N──零件的年生产纲领（件/年）;
Q──产品的年产量（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3.1为某产品上的一个连杆零件。

该连杆用于6105柴油机，年产量为1000台。

设其备品率为10%，采用胀断技术后，其废品率几乎为零，所以机械加工废品率选择为0.1%，每台产品中该零件的数量为6件
N=Qn（1+α%）（1+β%）
=1000×6（1+10%）（1+0.1%）
= 6666件/年
连杆零件的年产量为6666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。

图3-1 连杆零件图
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：对调整工的技术水平要求高，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。

3.2 连杆的工艺分析
首先连杆的加工表面如下：
（1）以端面互为基准加工的两端面，尺寸为，以其中一加工端面为基准的小头孔Φ，大头孔Φ。

（2）以小头孔为中心的加工有：钻两个Φ4的油孔，铣连杆体卡挖槽，加工侧面工艺凸台。

（3）以大头孔为中心的加工表面有：加工连杆盖卡挖槽，加工M12螺栓孔，和Φ12.5的连杆盖上螺钉光孔。

3.3 连杆的材料选择与毛坯的制造方法
3.3.1连杆的材料选择
考虑到在该工艺方案中采用胀断工艺，那么选择材料也是很重要的。

在过去其发动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连杆，大大减少了机加工。

而且粉末冶金连杆的质量公差小，更适合用于发动机连杆
是的制造。

美国就广泛的运用粉末冶金的方法来生产连杆。

在20世纪90年代中叶，钢厂与汽车厂合作开发了裂解连杆用钢，实际上它是一种含0.7%左右的高碳钢。

能用于胀断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C70S6 高碳微合金非调质钢和粉末烧结材料应用最广。

那么在这种情况之下该如何来选择材料呢？在粉末冶金和C70S6之间做出一个选择。

据相关资料报道，我国粉末冶金行业与国外相比有如下差距：
（１）产品水平低
在产品精度方面，少数企业尺寸精度可达is07—8级，形位公差可达8—9级，与国外水平相比低1—2级，但一般企业约相差2—3级。

在产品质量方面，最大的问题是质量不够稳定，产品在重量和外观质量均有较大的差距。

而且高档粉末冶金零件国还没有办法生产出来，即使生产出来，也是质量很差，所以很多高档的粉末冶金零件还需要进口。

（2）工艺装备落后
在粉末冶金设备方面，主要是通过企业引进，购置国外粉末成形压机、烧结炉、模具加工和测试设备及消化吸收、改造设备的使用来提高产品质量。

粉末冶金行业除少数企业引进了国外先进的专用压机外，大多数企业仍采用通用压机、生产效率低、质量不稳定，由于压机功能少，不能生产复杂结构件，后续加工量较大。

在烧结炉方面也如此，多数企业仍采用性能较差的设备、能耗大、效率低、炉温均匀性差，质量不稳定。

目前，国虽有少数设备制造企业在生产粉末冶金专用设备，但在性能及质量可靠性上与国外先进设备相比仍有较大差距，还不能完全满足企业的要求。

另外，模具、模架的设计制造力量较弱，目前国还没有形成一个专业生产粉末冶金模具、模架的企业，这导致粉末冶金新产品开发速度较慢，不能满足需要。

（3）买方市场下的产需矛盾
受粉末冶金企业技术、设备及规模等诸方面的影响，目前的情况是，低档产品多、生产过剩、市场竞争激烈，纷纷降低促销，严重影响整个行业的经济效益，而高档产品上不去虽有市场，能够胜任的厂家太少，市场供不应求，不能满足主机配套要求。

（4）科研跟不上产品发展需要
粉末冶金制品技术含量高，是技术密集型产品。

大量的共性技术和新材料、新产品需要进行试验。

如模具、模架的设计与制造、高性能、复杂结构件的成形工艺、后续处理工艺、粉末热锻、温压、注射成形等工艺的研究等。

由于企业技术力量薄弱及
忙于应付日常生产、经营等工作，无力研究，而研究单位科研经费紧，自顾尚有问题，这种局面严重影响着粉末冶金技术的提高与发展。

（5）出口产品创汇方面
粉末冶金制品企业主要为国主机配套，能够出口创汇的企业较少。

（6）企业技术经济效益与国外同类企业相比差距较大
与粉末冶金连杆相比，C70S6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，胀断后连杆与连杆盖接触面不无需机械加工，省去了机械加工费用，装配后连杆体与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，大改善了发动机的性能。

减轻连杆的重量一直都是连杆制造上讨论的一个主题，如果采用粉末冶金技术，在不改变连杆形状结构的前提之下会导致连杆的重量增加15%～30%，这样使得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连杆，就必须重新设计连杆的形状结构，以减轻连杆的重量。

综上所述，考虑了各种因素，并经过组成员的共同讨论，最后决定采用C70S6钢作为本次设计中连杆的材料。

3.3.2 C70S6钢的成分和力学性能
C70S6 材料中主要各化学成分质量百分比分别为：C为0. 72 % ，Mn为0. 5 % ，S 为0. 06 % ， P为0. 009 % ，V为0. 04 %；其金相组织为珠光体加断续的铁素体，抗拉强度为：900MPa～1 050 MPa，屈服极限为520 MPa，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。

胀断工艺要求连杆裂解后的塑性变形最小，又要保证材料有良好的可切削加工性能。

C70S6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，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”，促进了裂解时的断裂。

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。

C70S6材料的力学性能:
表3.1
极限抗拉强度
/MPa 屈服强度
/MPa
伸长率
（%）
压缩屈服强度
/MPa
剪切强度
/MPa
990 580 14 610 655
3.3.3 毛坯的制造方法
由于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，保证连杆可靠地工作。

而且该零件的年产量是6000，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。

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

用于胀断工艺的C70S6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，围窄，纯度高。

胀断连杆工艺现有的模锻工艺主要有以下三种：
（1）辊锻（楔横轧）制坯——热模锻生产线
工艺：下料→加热→辊锻→成型（预锻，终锻）→切边冲孔→热校正→BY处理→喷丸处理→探伤处理→精压处理。

设备配置：下料机（带锯机）→中频感应加热炉（300KW)→辊锻机（Φ460型）→热模锻压力机（25000KN）→闭式单点压力机→BY控冷设备→喷丸机→探伤机→精压机该生产线比较先进，以载货车连杆为主导产品，其采用了中频感应加热，辊锻或楔模轧制坯，在国被广泛采用。

这种生产线便于实现自动化生产，具有噪声小，劳动环境好等优点。

可生产各种类型的发动机连杆。

（2)辊锻（楔横轧）制坯——锤上模锻生产线
工艺：下料→加热→辊锻→成型（预锻，终锻）→切边冲孔→热校正→BY处理→喷丸处理→探伤处理→精压处理。

设备配置：下料机（带锯机或棒料剪切机床）→中频感应加热炉（300KW）→辊锻机（Φ370型）→液压精锻锤（25～50KJ）→开式压力机（1000KN）→BY控冷设备→抛丸机（600～1200kg/h)→荧光探伤机600WE型）→电动螺旋压力机（400KW）。