連桿機械加工工藝及夾具設(shè)計【連桿脹斷】【說明書+CAD】
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畢業(yè)論文題目
學校代碼：10410
序 號：050439
本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計
題目： 連桿工藝及夾具設(shè)計
學 院： 工 學 院
姓 名： 潘益興
學 號： 20050439
專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
年 級： 2005級
指導(dǎo)教師： 楊衛(wèi)平
二OO九年 五 月
- 23 -
連桿工藝及夾具設(shè)計
摘 要
連桿是發(fā)動機的主要傳動件之一，本文主要論述了連桿裂解的加工工藝及其夾具設(shè)計。連桿裂解是對連桿桿身和連桿蓋結(jié)合面進行無屑斷裂剖分加工的新技術(shù)，具有構(gòu)思新穎、操作經(jīng)濟、效益顯著的特點。闡述了連桿裂解加工原理、主要工藝流程以及裂解加工方法對材料和鍛造毛坯的要求。介紹了加工裂解槽、有控裂解、裝配螺栓等核心工序與設(shè)備，探討了裂解加工常見缺陷及預(yù)防措施。連桿的尺寸精度、形狀精度以及位置精度的要求都很高，而連桿的剛性比較差，容易產(chǎn)生變形，因此在安排工藝過程時，就需要把各主要表面的粗精加工工序分開。逐步減少加工余量、切削力及內(nèi)應(yīng)力的作用，并修正加工后的變形，就能最后達到零件的技術(shù)要求。
關(guān)鍵詞：連桿 裂解加工工藝 變形 夾具設(shè)計
The Processing Technology and Fixture Design for Connecting Rod
Abstract:The connecting rod is one of the main driving medium of engine,this text expounds mainly the machining technology and the design of clamping device of the connecting rod.Connecting rod splitting decomposition is a new technology of chipless splitting of connecting rod and connecting rod cap at their junction plane. It has advantages of creative design,economical application and remarkable benefits.Machining principle,main processes of connecting rod splitting decomposition and requirements of splitting decomposition on material and forging stock are dictated.Key working procedures and facilities,such as splitting decomposition groove machining ,controlled splitting decomposition and bolt assembling,etc.,
are introduced ,and frequent defects and preventive measures in splitting decomposition are discussed.
Key words:Connecting rod Processing technology for splitting decomposition Determi-ation Fixture Design
目 錄
摘要........................................................................................................................................... I
Abstract......................................................................................................................................II
引言............................................................................................................................................1
1 連桿加工工藝過程設(shè)計........................................................................................................2
1.1 工藝規(guī)程的制定.............................................................................................................3
1.1.1 制訂工藝規(guī)程的原始資料................................................................................4
1.2 連桿工藝過程的準備工作.............................................................................................5
1.2.1 連桿的功用及結(jié)構(gòu)特點概述............................................................................6
1.2.2 連桿的技術(shù)要求分析........................................................................................7
1.2.3 連桿的功用及結(jié)構(gòu)特點概述............................................................................8
1.3 連桿的工藝規(guī)程設(shè)計.....................................................................................................9
1.3.1 連桿加工工藝的主要特點..............................................................................10
1.3.2 連桿工藝方案的比較及確定..........................................................................11
1.4 連桿的機械加工工藝過程...........................................................................................14
2 夾具設(shè)計..............................................................................................................................15
2.1 連桿脹斷工藝夾具設(shè)計...............................................................................................15
2.1.1 連桿脹斷工藝性分析......................................................................................15
2.1.2 定位方案設(shè)計..................................................................................................17
2.1.3 導(dǎo)引方案設(shè)計..................................................................................................17
2.1.4 夾緊方案設(shè)計..................................................................................................18
2.1.5 夾具體設(shè)計......................................................................................................19
2.1.6 其他裝置設(shè)計..................................................................................................20
2.1.7 夾具精度分析..................................................................................................21
2.1.8 夾具工作原理簡介..........................................................................................21
2.2 繪總裝配圖和零件圖...................................................................................................22
結(jié)束語......................................................................................................................................23
參考文獻..................................................................................................................................24
致謝..........................................................................................................................................25
引 言
1.選題的依據(jù)及課題的意義
隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們的生活和工作節(jié)奏的加快，汽車作為現(xiàn)代交通運輸工具，它的作用及重要性越來越被人們所重視。從1886年第一輛汽車的出現(xiàn)到如今汽車成為現(xiàn)代社會不可缺少的交通工具，汽車工業(yè)已經(jīng)成為融合先進技術(shù)最多，結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的產(chǎn)業(yè)之一。而汽車工業(yè)的發(fā)展在很大程度上依賴于機械制造技術(shù)的進步，其中機械加工工藝及夾具對加工精度的影響尤為明顯。
本課題研究的是連桿工藝及夾具設(shè)計。連桿是發(fā)動機的主要零件之一，它連接活塞和曲軸，把作用于活塞頂面的膨脹氣體的壓力傳給曲軸；將活塞壓縮的往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍男D(zhuǎn)運動，又受曲軸的驅(qū)動而帶動活塞壓縮缸中的氣體。由于連桿在工作中承受著呈周期交變的壓縮、拉伸及彎曲應(yīng)力，這些交變載荷具有很大沖擊特性。因此，連桿在機械加工中工藝性的好壞直接影響到連桿的使用壽命，而夾具是保證良好工藝性的必要手段。它是在機床上用于裝夾工件的一種裝置，其作用是使工件相對于機床或刀具有一個正確的位置，并在加工過程中保持這個加工位置不變。在本課題中，使用夾具主要是為了保證連桿在加工后，連桿的加工表面能夠滿足尺寸、幾何形狀和相互位置精度的要求。
2.國內(nèi)外研究及發(fā)展趨勢
隨著計算機、機械、材料等工業(yè)的發(fā)展及汽車的結(jié)構(gòu)、設(shè)計、動力等的變化，汽車的現(xiàn)代制造工藝與傳統(tǒng)的制造工藝有了顯著的不同。例如，最初采用拉法加工連桿大頭孔的兩條槽子，由于拉刀隨著加工時間要磨損，因此被拉削的槽子的形狀也隨之而變化。槽子形狀的變化又要影響連桿大頭孔在脹斷后的變形。最近幾年，美國Kaycon、德國Alfing和Mauser等機床公司開發(fā)了一種新工藝，采用激光加工連桿大頭孔的兩條槽子。這種工藝可保持形狀是一致的，這也就保證了連桿大頭孔在脹斷后的變形也是一致的。現(xiàn)在很多汽車公司都傾向采用激光加工連桿斷裂槽。
又如在國內(nèi)，上海大眾汽車公司發(fā)動機廠連桿總成兩側(cè)平面的磨削工藝1990年采用德國Diskus立式雙軸圓盤平面磨床加工。
此外，連桿大小頭孔傳統(tǒng)的最后光正加工是采用普通珩磨工藝來實現(xiàn)的。近幾年來國外已廣泛采用鉸珩（Ream Honing）工藝來取代普通珩磨工藝。由于鉸珩工藝在提高加工精度（圓度、圓柱度及尺寸等），縮短加工循環(huán)時間和節(jié)約費用等方面均比普通珩磨工藝有較大優(yōu)勢。
因此，我們在編制連桿工藝時，應(yīng)該從質(zhì)量和經(jīng)濟等角度出發(fā)，盡可能的采用現(xiàn)代先進制造工藝，因為這符合精益生產(chǎn)的原則，是一種精益制造工藝。
1 連桿加工工藝過程設(shè)計
1.1工藝規(guī)程的制訂
1.1.1 制訂工藝規(guī)程的原始資料
下列原始資料是制訂工藝規(guī)程的依據(jù)：
1. 零件工作圖，包括必要的裝配圖。
在本課題中，有連桿部件、連桿體和連桿蓋零件圖各一張。
2. 零件的生產(chǎn)綱領(lǐng)和生產(chǎn)類型
⑴ 生產(chǎn)綱領(lǐng)
生產(chǎn)綱領(lǐng)是指在一定計劃期內(nèi)應(yīng)當生產(chǎn)的產(chǎn)品的產(chǎn)量。按下式可計算某一零件的年生產(chǎn)綱領(lǐng)：
N=Qn﹙1+α﹚﹙1+β﹚
式中:N為生產(chǎn)綱領(lǐng)﹙件/年﹚;Q為產(chǎn)品產(chǎn)量﹙臺/年﹚;n為每臺產(chǎn)品中該零件的數(shù)量﹙件/臺﹚;α為備品的百分率;β為殘品的百分率。α、β之值根據(jù)經(jīng)驗選取。
需要指出的是，隨著汽車制造新工藝、新技術(shù)的不斷發(fā)展，以及現(xiàn)代物流管理水平的不斷提高，現(xiàn)在許多汽車公司正在向生產(chǎn)的零庫存和產(chǎn)品的零缺陷方向邁進。
⑵ 生產(chǎn)類型
根據(jù)產(chǎn)品大小和年生產(chǎn)綱領(lǐng)的不同，可以將生產(chǎn)分為單件生產(chǎn)、成批生產(chǎn)和大量生產(chǎn)三種類型。
① 單件生產(chǎn)
每年生產(chǎn)的產(chǎn)品品種很多，每個品種的生產(chǎn)數(shù)量很少，每一設(shè)備或工作的常年不重復(fù)或很少重復(fù)生產(chǎn)同種零件。
② 成批生產(chǎn)
產(chǎn)品的年產(chǎn)量較多，可以在一段時間內(nèi)比較固定的生產(chǎn)某一品種的產(chǎn)品。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點、生產(chǎn)綱領(lǐng)和批量等，成批生產(chǎn)又可分為大批、中批和小批生產(chǎn)。
③ 大量生產(chǎn)
每一產(chǎn)品的年產(chǎn)量很大，產(chǎn)品生產(chǎn)可以連續(xù)進行。
單件生產(chǎn)的工藝特點是按零件類型劃分車間或工段，產(chǎn)品改型對生產(chǎn)影響不大，零件生產(chǎn)無流水線，通常采用試切法加工，廣泛采用通用機床、標準刀具、萬能量具、通用夾具或組合夾具，也可采用加工中心等柔性加工設(shè)備。
大量生產(chǎn)的工藝特點是按部件組織生產(chǎn)，采用流水線或自動生產(chǎn)線。由于通常采用高效率的專用設(shè)備進行加工，故產(chǎn)品改型后原來的設(shè)備很難改裝，廣泛采用專用復(fù)合刀具、成形刀具、專用量具和專用夾具，用調(diào)整法進行加工。
中批生產(chǎn)的特點是每臺設(shè)備完成多種零件的相同工序。產(chǎn)品改型對生產(chǎn)有影響。部分零件按流水線生產(chǎn)，部分按同類零件組織生產(chǎn)，采用通用機床、專用機床和柔性加工設(shè)備進行加工?？梢圆捎脴藴实毒?、通用刀具、夾具，也可以采用專用刀具、量具、夾具，大部分采用調(diào)整法加工，個別用試切法加工。小批生產(chǎn)與單件生產(chǎn)的工藝特征相近，而大批生產(chǎn)的工藝與大量生產(chǎn)相似。
在本課題中，連桿是大量生產(chǎn)。
1.2連桿工藝規(guī)程的準備工作
1.2.1連桿的功用及結(jié)構(gòu)特點概述
一、連桿的功用
連桿是發(fā)動機的主要零件之一，由連桿小頭，連桿桿身和連桿大頭三部分組成，它連桿活塞和曲軸，把作用于活塞頂面的膨脹氣體的壓力傳給曲軸，將活塞壓縮的往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍男D(zhuǎn)運動，又受曲柄的驅(qū)動而帶動活塞壓縮汽缸中的氣體。因此，連桿工作中承受著呈周期交變的壓縮，拉伸及彎曲應(yīng)力，這些交變載荷具有很大的沖擊特性。發(fā)動機正常工作時，連桿大頭約以3000R/MIN的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，線速度達10M/S所以連桿 在工作時，形成巨大的離心力。由于連桿橫向竄動和形位誤差引起連桿受壓時產(chǎn)生彎曲，使連桿很容易斷裂，斷裂是連桿的主要損壞形式。
二、連桿的結(jié)構(gòu)特點
1．連桿小頭
連桿小頭形狀為薄壁筒壯，有的連桿小頭中間突起，一方面是拔模需要，另一方面是加強中部強度。
① 全浮式連桿小頭孔內(nèi)裝有青銅襯套，襯套潤滑若是飛濺潤滑，則在小頭上銑出或鉆出集油孔，收集的飛濺潤滑油直接引到襯套內(nèi)。若是壓力潤滑，則從桿身來的壓力潤滑進入襯套，同時從小頭的孔中噴出，對活塞內(nèi)腔進行冷卻。
② 半浮式連桿，則小頭與活塞銷采用過盈配合或者將小頭銑開，然后用螺絲將小頭夾緊在活塞銷上，半浮式連桿不在用小頭襯套和活塞銷卡環(huán)。
連桿小頭用用大圓弧過渡到連桿桿身圓弧與小頭切點間的夾角為固定角，固定角小，小頭表應(yīng)力小，固定角最小可到90°圓弧與連桿相切點是連桿桿身危險截面。
2.連桿桿身
連桿桿身端面是工字形，在保證剛度的情況下，工字形端面桿身質(zhì)量較小。若小頭襯套采用壓力潤滑，則桿身上鉆出油道，桿身軸形狀上小下大。
桿身在氣壓力和往復(fù)慣性力的拉壓作用下及在擺動附加彎矩的彎曲作用下，容易彎曲，彎曲力矩在桿身X-X方向上是不相同的。為了保證桿身在Y-Y和Z-Z方向上有相同的拉彎性能，桿身在X軸的截面慣性矩約是Y軸的4倍。
3.連桿大頭
當曲軸采用整體式或組合式時，為了將活塞和連桿從汽缸抽出，連桿大頭采用部分形式。汽油機連桿大頭采用平切口。柴油機采用連桿大頭既有平切口也有斜切口。
柴油機連桿大頭斜部分對進一步加大曲柄銷有利。大頭部分方向從反動機前端看，在直角坐標系的I～II象限，與連桿軸線成30～60夾角。這樣當功沖程時，大頭上蓋承受最大爆發(fā)壓力部分的強度可加強一些，排氣沖程時，更大的連桿螺釘能夠承受的拉應(yīng)力會小一些。為了減小連桿螺釘承受的剪切應(yīng)力，斜切口連桿大頭蓋要進行定位。大頭蓋的斷面有多種形式，帶加強筋的蓋質(zhì)量較輕，剛度也好。
連桿螺釘工作時，承受很大拉力，若斷裂，可能產(chǎn)生嚴重后果。因此連桿螺釘必須有足夠的抗疲勞強度，常采用中碳合金鋼制造，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。
為了防止連桿螺釘松動，在螺釘尾部采用特殊結(jié)構(gòu)，螺母采用花槽螺母，再穿上開口銷或鎖緊鐵絲防松。防松也可采用鎖緊片。若無螺母，則螺釘螺紋部分采用特殊結(jié)構(gòu)，并進行鍍銅等防松處理。汽車機平切口連桿的大頭定位，用連桿螺釘中部直徑較大、表面光滑的定位圓柱面，圓柱面與大頭上下蓋孔有精密的配合關(guān)系。
1.2.2 連桿的技術(shù)要求分析
連桿是一種難以鍛造成形的鍛件，最大截面與最小截面之比很大，桿部細長為工字形，厚度尺寸公差較?。B桿成型要求有較高的鍛造水平。連桿材料為40Cr，下料規(guī)格：63mm×154mm．其工序過程為；切料一加熱一道輥鍛制坯一予鍛、終鍛一切邊、沖孔一余熱淬火一回火一拋丸一測硬一冷校正一探傷一壓印一檢查入庫。根據(jù)連桿鍛件圖規(guī)定，毛坯錯差不大于lmm；表面缺陷深度不太于0.8mm 鍛件殘余飛刺不大于0.8mm；表面拋丸清理；調(diào)質(zhì)硬度為3．7～4.0dHBS；特殊要求：兩端頭部放在同一平面檢查時，其間隙不大于0.5mm。
1.2.3 連桿材料與毛坯的確定
在編寫本研究課題中的連桿工藝時，采用了連桿裂解連桿技術(shù)，故對材料有著特殊的要求。裂解加工工藝要求大頭孔不能產(chǎn)生明顯的塑性變形，以保證精加工后大頭孔的圓度要求。因此在保證連桿強韌綜合性能指標的前提下，限制連桿的韌性指標，使斷口呈現(xiàn)脆性斷裂特性，以便具有良好的嚙合性。目前連桿材料主要有粉末冶金、高碳鋼、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵。
粉末冶金材料具有良好的脆性斷裂性能，用裂解方法加工連桿廣泛采用此種材料。其優(yōu)點是鍛造毛坯的精確度高，可取消連桿毛坯粗加工，減少了材料費用和加工工序。粉末冶金鍛造連桿甚至在燒結(jié)成型時就可預(yù)壓出裂紋槽，從而可取消缺口加工工序。粉末冶金技術(shù)的發(fā)展使獲得高密度、高強度的粉末冶金材料變得更容易也更廉價，促進了連桿裂解加工技術(shù)的發(fā)展和使用范圍 。鑄造連桿的低塑性和易脆斷極適宜裂解加工技術(shù)的應(yīng)用。但鑄造連桿重量偏差大，機械性能較差，其使用受到限制。
鍛鋼連桿尺寸精度高、組織結(jié)構(gòu)與力學性能好，在傳統(tǒng)連桿制造業(yè)中應(yīng)用最為廣泛，尤其用于負荷大、轉(zhuǎn)速高的發(fā)動機以及要求連桿具有高疲勞強度和可靠性的場合。目前廣泛用于制造轎車連桿的C70S6高碳微合金非調(diào)質(zhì)鋼，鍛造后直接空冷機械性能即可達到要求，可取消常規(guī)熱處理以及校直和消除應(yīng)力的工序，尤其是可裂性好，極適合裂解加工 。
1.3 連桿工藝規(guī)程設(shè)計
1.3.1 連桿加工工藝的主要特色
一、 連桿傳統(tǒng)的加工工藝．
傳統(tǒng)加工工藝流程：
毛坯鍛造→銑兩端面→粗磨兩端面→鉆小頭孔→鉆大頭孔→粗鏜小頭 孔→粗鏜大頭孔→半精鏜小頭孔→半精鏜大頭孔→切連桿大頭分開面→粗銑離面→精銑分離面→鉆鉸定位銷孔→攻螺紋孔→磨分離面→精磨兩端面壓銅
套→精鏜火頭孔→精鏜銅套孔→珩磨大頭孔。
1.用鑄造法生產(chǎn)可鍛鑄鐵和球鐵連桿
鑒于鍛造法生產(chǎn)的連桿比鑄造法成本高，故采用鑄造法大批生產(chǎn)珠光體可鑄鐵連桿，1965年由美國通用汽車公司使用后，相繼有德國Opel汽車公司、Vauxhall汽車公司等用于轎車發(fā)動機，均成功地取代了部分鍛造連桿。此后，又采用球墨鑄鐵制造連桿，以取代可鍛鑄鐵。僅德國的鑄造行業(yè)，每年供應(yīng)歐洲汽車制造業(yè)需用的鑄造連桿約達1000萬根以上“其中Opel汽車公司就是其最大用戶之一。確定鑄造連桿形狀和尺寸的主要因素是疲勞強度，它須通過107周次循環(huán)負荷的疲勞強度試驗。鑄造連桿經(jīng)噴丸強化處理后，其疲勞的質(zhì)量偏差為3％～4％。近來可采用“裂痕撐斷法”剖分連桿體與蓋的新切斷工藝，從而減少了機加工工序，降低了生產(chǎn)成本。
2.用模鍛法生產(chǎn)連桿
鍛造是使鋼鐵或有色金屬材料產(chǎn)生塑性變形，從而變成具有一定形狀和尺寸的鍛件，并改善其組織結(jié)構(gòu)而獲得高的力學性能?，F(xiàn)今汽車鍛造行業(yè)幾乎都是采用模鍛法，主要用以制造形狀復(fù)雜和性能要求高的零部件或毛坯，諸如曲軸、前粱、連桿、轉(zhuǎn)向節(jié)等。全球主要汽車制造業(yè)每年需用發(fā)動機連桿約達2億根，其中87.4％ 為模鍛連桿 。為滿足發(fā)動機連桿的大量需求，多采用錘上熱模鍛法在自動化鍛造生產(chǎn)線上大批量生產(chǎn)。其主要制造工藝過程是：首先將鋼坯加熱(如感應(yīng)加熱)到鍛造溫度，然后將此鋼坯送人自動軋鋼機進行初軋，使其延伸成一定要求的幾何形狀和尺寸的預(yù)制坯，最后，將此預(yù)制坯送人鍛壓機的鍛模中進行終鍛， 以獲得最終產(chǎn)品形狀和尺寸精度?；蛘卟捎枚嗄ｅ懺旆椒ň筒恍枰M行軋制，但與連續(xù)鍛造相比，則有更多的材料浪費在毛刺上；與初軋到終鍛的鍛造相比，纖維狀取向更惡化。關(guān)于模鍛連桿的材料選擇，以往多使用傳統(tǒng)的可熱處理鋼(如42Cr4Mn鋼等)，現(xiàn)可
選用控制軋制的微合金化鋼。通常模鍛毛坯的質(zhì)量損失為其總質(zhì)量的4％～7％ ，鍛造成品連桿的質(zhì)量偏差為3％～5％。
3.連扦分離面加工的傳統(tǒng)方法—— “切斷法”
發(fā)動機連桿分離面加工的傳統(tǒng)方法可以稱為有屑切削法．即在對整體毛坯連扦的兩端面及大、小頭孔進行粗加工之后。用切削的方法(銑削或鋸削)將整體連桿切斷．分成連桿體廈連桿蓋兩個零件。然后再用拉削磨削或精銑的方 法。對連桿體及連扦蓋這兩個零件的分離面分別進行精加工，以滿足設(shè)計的尺寸、表面粗糙度、平面度和垂直度的要求------這是一種帶切屑的切削加工方法， 一般可稱為切斷法(CUT OFF) (見圖1-1)。
在分離面進行精加工之后，將連桿體及蓋成對合在一起，再加工連桿螺栓孔；隨后，已加工完螺拴孔的連桿體及蓋再成對地、不可互換地用連桿螺栓臺裝在一起，并按規(guī)定扭矩擰緊，轉(zhuǎn)入其它情加工工序。不論連桿的毛是鍛造的還是鑄造的，這種傳統(tǒng)的連桿切斷法在汽車制造業(yè)以及一切內(nèi)燃機制造業(yè)界一直沿用至今，幾乎有近百年的歷史.
圖1-1 切斷法
二、連桿現(xiàn)代的加工工藝
在連桿的現(xiàn)代加工工藝中，最具有現(xiàn)代特色的就是采用了對連桿桿身和連桿蓋結(jié)合面進行無屑斷裂剖分加工的先進加工技術(shù)------“連桿裂解”工藝。
1.連桿裂解加工原理
連桿裂解加工技術(shù)的基礎(chǔ)是斷裂理論。根據(jù)斷裂力學原理，裂紋表面通常有張開型、前后滑移型和平面剪切型三種位移形式。當物體受到垂直于斷裂平面的正應(yīng)力作用時，發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂，即張開型斷裂。其特點是斷裂時承受的工作應(yīng)力較低，通常遠遠低于材料的屈服強度，塑性變形小，斷口方向與正應(yīng)力垂直。
連桿裂解加工的原理是通過在大頭適當位置設(shè)計并預(yù)制缺口，形成應(yīng)力集中，再主動施加垂直于預(yù)定斷裂面的載荷進行引裂。當滿足發(fā)生脆性斷裂的條件時，在幾乎不發(fā)生塑性變形的情況下，在缺口處規(guī)則斷裂，實現(xiàn)連桿體與連桿蓋的無屑斷裂剖分。其加工原理如圖1－2所示。由于斷裂面呈犬牙交錯自然形態(tài)，具有極高的配合精度，無需再加工。在后續(xù)的大頭孔精加工及裝配過程中，以斷裂剖分的三維曲面定位，分離后的連桿蓋與連桿體在斷裂面處自然嚙合、精確合裝。
圖1－2 裂解加工原理
連桿裂解加工屬于精密加工技術(shù)。斷裂剖分后大頭孔僅需精鏜，因此在定向裂解過程中，大頭孔不能有較大的失圓與變形，以免造成后續(xù)精加工的余量不足；由于斷裂面將作為后續(xù)加工及裝配的基準，所以要求斷裂面具有較好的三維凹凸曲面形態(tài)，以滿足精確嚙合的要求；同時，連桿作為發(fā)動機的重要零件，工作狀態(tài)惡劣，在高溫環(huán)境下承受交變載荷的作用，運動速度極高，因此要求斷裂面(接觸面)強度高、承載能力強。
2.連桿裂解部分工藝
鍛造的連桿毛坯，在實施斷裂剖分之前，先粗鏜連桿大頭孔，然后在其預(yù)定斷裂處加工兩個對置的溝槽，為應(yīng)力集中點，見圖1－3a。隨后，將連桿
a） 開槽的連桿 b)斷裂剖分工藝示意
圖1－3 連桿斷裂剖分工藝示意圖
大頭孔套裝到一臺進行斷裂剖分的裝置的兩個半芯軸上，并將連桿進行定位和夾緊。然后利用沖擊力，將用來脹裂連桿的楔插入上述半芯軸中，此時在楔的沖擊下，連桿的大頭孔在溝槽處被斷裂剖分為連桿體和連桿蓋，見圖1－3b。這種新工藝，使分離后的連桿和連桿蓋能直接在斷裂面處自然精確合裝，無需加工配合面，達到了減少加工工序和減少加工機床的目的。此外，除連桿剖分面具有較高的配合精度外，還由于其剖分接觸面是凸凹不平的，大大提高了接觸面積，從而提高了連桿承載能力。
因此，在融入裂解技術(shù)之后，本課題所采用的連桿工藝規(guī)程為：
0 鍛造
10 粗磨連桿兩端面
20 粗鏜連桿大小頭孔
30 半精鏜連桿大小頭孔
40 清洗
50 加工螺栓孔
60 加工裂解槽
70 裂解
80 裝配螺栓
90 壓銅套并精整
100 精磨連桿兩端面
110 精鏜連桿大小頭孔
120 稱重并取重
130 清洗
140 終檢
1.3.2 連桿工藝方案的比較及確定
對于任何產(chǎn)品的工藝過程，通常應(yīng)制訂出幾套不同的、能夠滿足加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率的工藝方案，最后，以經(jīng)濟性評比來決定它們的取舍。經(jīng)濟性評比可以對整個工藝過程來進行，也可以針對某個或幾個工序來進行。如果兩個工藝過程截然不同，則應(yīng)進行全面的分析比較。如果只是個別工序不同，則對不同的工序進行分析比較，最后選擇較為經(jīng)濟的方案。
一、工藝成本
制造一個零件所必需的一切費用的總和，稱為零件的生產(chǎn)成本。生產(chǎn)成本中有一部分是與工藝過程有關(guān)的，稱為工藝成本；另一部分則與工藝過程無關(guān)，例如行政總務(wù)人員的工資及辦公費用、廠房折舊和維持費用等。在工藝方案的經(jīng)濟性評比中，只考慮生產(chǎn)成本中的工藝成本這一部分。
工藝成本由以下兩種費用組成：
1.可變費用V（元/件）
可變費用是指與零件產(chǎn)量直接有關(guān)的費用。如毛坯材料和制造的費用，操作工人的 工資和獎金，通用機床和通用夾具的折舊費和維修費，通用刀具的折舊費及維持費，加工消耗的電費等。
2.不變費用S（元）
不變費用是指與零件年產(chǎn)量無之間關(guān)系的費用，如專用機床和專用夾具的折舊費和維修費，專用刀具的折舊費，機床調(diào)整工人的工資等。
若零件的全年產(chǎn)量為N（件），則全年工藝成本C可由下式確定：
C = VN + S （元）
單個零件的工藝成本Cd為
Cd = V + S/N （元）
二、工藝方案的比較及確定
1.連桿加工的兩種主要工藝流程為如下所示：
方案一 方案二
0 鍛造 0 鍛造
10 粗磨連桿體兩側(cè)面 10 粗磨連桿兩端面
20 拉削連桿體分離面、 20 粗鏜連桿大小頭孔
大小頭定位點
30 拉連桿體與蓋半圓、 30 半精鏜連桿大小頭孔
側(cè)定位點、螺栓座面、分離面
40 粗加工連桿小頭孔 40 清洗
50 粗、半精、精加工螺栓孔 50 加工螺栓孔
60 銑連桿體和蓋的鎖瓦槽 60 加工裂解槽
70 磨分離面一壓襯套并精整 70 裂解
80 裝配連桿 80 裝配螺栓
90 精磨連桿體兩側(cè)面 90 壓銅套并精整
100 半精鏜、精鏜大小頭孔 100 精磨連桿兩端面
110 研磨大小頭孔 110 精鏜連桿大小頭孔
120 稱重并取重 120 稱重并取重
130 清洗 130 清洗
140 終檢 140 終檢
由前面的介紹可知，連桿裂解技術(shù)的基礎(chǔ)是裂紋技術(shù)，即通過主動設(shè)計敏感應(yīng)力場、施加載荷充分引裂和催裂、控制裂紋走向并實現(xiàn)規(guī)則斷裂。首先在整體鍛造的連桿毛坯大頭孔內(nèi)側(cè)加工裂解槽，形成初始斷裂源；然后施加垂直于預(yù)定斷裂面的正應(yīng)力，滿足脆性斷裂的發(fā)生條件，在幾乎不發(fā)生塑性變形的情況下連桿體與蓋分離，完成無屑斷裂剖分，見圖1－4所示。由于斷裂面呈犬牙交錯自然形態(tài)，具有極高的配合精度，無需再加工。在后續(xù)的大頭孔精加工及裝配過程中，以斷裂剖分的三維曲面定位，分離后的連桿蓋與連桿體在斷裂面處自然精確合裝、完全嚙合，可保證連桿大頭孔的圓度。
裂解工藝改變了連桿加工的關(guān)鍵生產(chǎn)工序。斷裂剖分面作為接合面，配合精度很高，可省去分離面的拉削與磨削等工藝，簡化螺栓孔結(jié)構(gòu)設(shè)計和整體加工工藝，降低螺栓孔的加工精度要求。具有加工工序少、節(jié)省精加工設(shè)備、產(chǎn)品質(zhì)量高、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高等顯著優(yōu)點。此外，剖分接合面凸凹不平，大大提高了接觸面積，可使連桿承載能力，抗剪能力，桿、蓋的定位精度，裝配質(zhì)量大幅度提高，對提高發(fā)動機整體生產(chǎn)技術(shù)水平具有重要作用。圖1－5給出傳統(tǒng)加工與裂解加工在螺栓孔結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工工藝上的比較。
圖1－4 裂解加工技術(shù)
圖1－5 螺栓孔結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工工藝的比較
2.結(jié)論
與傳統(tǒng)加工方法相比，連桿分離面裂解工藝的優(yōu)點是：
連桿大頭采用裂解工藝后，它們分離面是最完全的吻合。所以沒有分離面及螺栓孔加工誤差等影響，而這些加工誤差以0.01單位計算。采用裂解工藝時連桿大頭孔亦有變形，但是比較小，其誤差以0.001單位來計算。例如德國的Alfing公司的Volker Ohrnberger和Michael Haehnel兩位工程師的研究：在粗加工后連桿大頭孔不圓度大約在12μm左右，在裂解后大約在40μm左右。其變形約為28μm。
3.減少連桿生產(chǎn)的設(shè)備投資和生產(chǎn)面積以及其制造費用
①可省掉連桿蓋與連桿分離面的拉削加工，磨削加工和螺栓孔的精加工及其設(shè)備投資費用和這些機床占有生產(chǎn)面積以及其制造費用。
②在傳統(tǒng)工藝中，切斷后的連桿蓋需要單獨自動運輸裝置，而采用裂解工藝后，由于連桿蓋從連桿本體裂解后，即行裝配，不再單獨出現(xiàn)連桿蓋的零件，所以在機加工生產(chǎn)線中亦不再需要連桿蓋單獨自動運輸裝置。
裂解加工工藝可使機械加工工序減少60％,設(shè)備投資節(jié)省25％,刀具費用減少35％,能源節(jié)省40％，生產(chǎn)成本降低15％～20％，其經(jīng)濟效益和社會效益十分顯著。此外，由于剖分接合面為三維凸凹曲面，增大了接觸面積，可使連桿承載能力、抗剪能力、桿與蓋的定位精度、裝配質(zhì)量大幅度提高，對提高發(fā)動機整體生產(chǎn)技術(shù)水平具有重要作用。
綜上所述，連桿加工的最終工藝方案為方案二：
0 鍛造
10 粗磨連桿兩端面
20 粗鏜連桿大小頭孔
30 半精鏜連桿大小頭孔
40 清洗
50 加工螺栓孔
60 加工裂解槽
70 裂解
80 裝配螺栓
90 壓銅套并精整
100 精磨連桿兩端面
110 精鏜連桿大小頭孔
120 稱重并取重
130 清洗
140 終檢
1.4 連桿的機械加工工藝過程
由上述技術(shù)條件的分析可知，連桿的尺寸精度、形狀精度以及位置精度的要求都很高，但是連桿的剛性比較差，容易產(chǎn)生變形，這就給連桿的機械加工帶來了很多困難，必須充分的重視。
連桿的機械加工工藝過程如下表1－1所示：
表1－1
2 夾具設(shè)計
2.1 連桿脹斷工藝夾具設(shè)計
2.1.1 連桿脹斷工藝性分析
1.裂解加工原理
根據(jù)斷裂力學理論，裂紋表面的位移有張開型（Ι型）、滑移型（II型）和撕開型（III型）三種形式如圖2－1所示。其中，張開型裂紋是低應(yīng)力脆斷的最基本形式，即在溫度和應(yīng)變速率相同的情況下，拉應(yīng)力狀態(tài)對脆性斷裂的發(fā)生最為敏感。其特點是斷裂時承受的工作應(yīng)力較低（遠遠低于材料的屈服強度）、塑性變形小、斷口方向與正應(yīng)力相垂直。
Ι型 II型 III型
圖2－1 斷裂形式
而張開型斷裂發(fā)生的基本條件是物體受到垂直于預(yù)定斷裂平面的拉應(yīng)力，如圖2－1Ι型所示。
根據(jù)上述原理，在整體鍛造的連桿毛坯大頭軸承孔設(shè)定剖分位置，加工具有高缺口敏感性的尖銳裂紋，并按張開型斷裂條件施加裂解力，滿足脆性斷裂的發(fā)生條件，在幾乎不發(fā)生塑性變形的情況下實現(xiàn)連桿本體與連桿蓋的斷裂剖分，如圖2－2所示。由于裂解后斷裂面呈犬牙交錯形態(tài)，具有極高的嚙合性和配合精度，因此無需再進行切削加工。在裝配時，以斷裂剖分的三維曲面定位，分離后的連桿蓋與連桿桿身在斷裂處可自然精確裝合，完全嚙合，確保了后續(xù)連桿大頭軸承孔的精加工及連桿裝配質(zhì)量。
圖2－2 傳統(tǒng)連桿與裂解連桿
2. 裂解截面的設(shè)計
連桿斷裂截面的形狀影響裂解的結(jié)果。裂紋首先在連桿大頭孔內(nèi)表面開始起裂，然后向兩側(cè)的螺栓孔及外側(cè)表面擴展，當裂紋擴展至螺栓孔處時由一條裂紋分成上下兩條裂紋，越過螺栓孔后上下兩條裂紋重新匯合。接近于圓形的截面有利于上下兩條裂紋在同一點匯合，從而提高裂解質(zhì)量。相反，斷裂截面越接近于矩形，上下兩條裂紋不在同一點匯合的風險就越大，結(jié)果會產(chǎn)生暴口缺陷，如圖2-3所示。所以斷裂截面的設(shè)計要盡量接近于圓形而避免矩形截面，如圖2-4所示。
圖2-3 暴口缺陷
圖2-4 裂解截面
2.1.2 定位方案設(shè)計
采用裂解技術(shù)加工連桿的核心工序為加工裂解槽及有控裂解、定扭矩裝配螺栓，如1－4圖所示。
連桿脹斷工藝的技術(shù)要求：（1）在裂解過程中，連桿桿身和連桿蓋只能反向直線運動，二者之間的任何相對轉(zhuǎn)動都會影響加工質(zhì)量，導(dǎo)致無法進行正常的裝合。（2）連桿裂解過程中要求連桿體不能發(fā)生垂直于裂解力方向的位移,故對連桿體下底面上所有節(jié)點在垂直于裂解力方向上施加0位移約束。（3）連桿裂解過程中,連桿小頭端固定不動,
所以對連桿體桿部施加固定約束。
綜上，可知在脹斷過程中，以大頭孔，小頭孔，大小頭孔端面還有分離面為主要加工定位面。如圖2－5所示：
圖2－5
2.1.3 導(dǎo)引方案設(shè)計
連桿裂解過程中涉及到動套、定套、拉桿、連桿4個實體,實際裂解過程中,拉桿向下運動,通過楔面推動動套水平運動。如圖2－6所示：
圖2－6
裂解工藝是一種力學加工方法。從圖1－4中可看出，該工藝中首先要在連桿大頭孔內(nèi)側(cè)加工兩個同樣形狀和尺寸的對稱分布的“V”型槽，由于應(yīng)力集中效應(yīng)在兩個槽處形成初始裂紋源。然后以一定的速度向下拉動楔形塊，楔形塊推動大頭孔的動套，致使大頭孔從裂解槽處發(fā)生脆性斷裂、分離，形成連桿蓋和連桿體，最后，在專用設(shè)備上用螺栓將斷開的兩部分裝配起來，以便進行后續(xù)加工。
所以，綜上可知，導(dǎo)引的方案主要由楔形塊與定、動套的配合精度來保證。在裝配螺栓的導(dǎo)引方案由分離面，大頭孔和導(dǎo)軌的精度來保證。
2.1.4 夾緊方案設(shè)計
1.為保證斷面嚙合性必須限制斷裂面的塑性變形量,同時為減小裝配后大頭孔的精加工余量,裂解前后連桿大頭孔直徑的平均變化量要控制在0.05 mm以下。為保證裂解加工質(zhì)量,采用背壓裂解加工方法,即裂解前向連桿蓋端螺栓孔處及桿部圓弧過渡處施加背壓力P,所以裂解過程的夾緊方案如圖2－7所示：
圖2－7
2.在裝配螺栓的過程中，為了確保分離面完全嚙合，除了大頭孔的定位之外，還得采取如圖2－8所示的夾緊裝置：
圖2－8 旋轉(zhuǎn)壓盤與機構(gòu)
2.1.5 夾具體設(shè)計
夾具體的作用是將定位、夾具裝置連接成一體，并能正確安裝在機床上，加工時，能承受一部分脹斷力。根據(jù)加工零件的定位需要以及加工連桿尺寸的大小，設(shè)計的夾具體輪廓尺寸440×253mm.如圖2－9所示：
圖2－9
夾具體為鑄造件，安裝穩(wěn)定，剛度好，但制造周期較長。
1. 夾具體的強度校核：，查表可知。
2. 夾具體是利用4個內(nèi)六角螺栓固定在專用的連桿裂解機床上，為此需要校核螺栓的剪切強度：，查表可知。
2.1.6 其他裝置設(shè)計
1.由于連桿裂解工藝的特殊性，在裂解過程中需要采用背壓力來減小大頭孔的變形量，使其直徑變化量維持在0.05mm以內(nèi)。在本設(shè)計中采用了四個夾緊油缸來達到這個要求。采用鉸鏈頂頭的裝置有利于油缸充分地實現(xiàn)壓緊的效果。油缸在夾具體上的分布如圖2－10所示：
圖2－10 油缸分布示意
2. 連桿的裂解過程是一個短暫并勻速的過程，所以采用以上的液壓夾緊油缸。當楔形塊推動裂解動塊運動時，動塊也必須穩(wěn)定地在導(dǎo)軌上滑行。所以設(shè)計導(dǎo)軌如圖2－11所示：
圖2－11 導(dǎo)軌
2.1.7 夾具精度分析
1. 本設(shè)計連桿脹斷工藝采用的定位方案，小頭孔采用固定式菱形銷，大頭孔以動塊與定塊所組成的圓柱銷定位，定位誤差計算如下圖：
(1)小頭孔用菱形銷定位,其中菱形銷與夾具體的定位孔配合.大頭孔用動套與定套所組成的圓柱銷進行定位,兩者之間的配合.并查表可知:
,經(jīng)驗證此值也符合對稱度的要求.
2.1.8 夾具工作原理簡介
連桿裂解技術(shù)的原理是基于斷裂力學和應(yīng)力集中理論，其基本原理是利用液壓活塞帶動楔形塊運動，推動動套(放置在連桿大頭端內(nèi))，實現(xiàn)連桿裂解。首先將整體鍛造的毛坯大頭孔內(nèi)側(cè)人為加工出預(yù)制裂解槽，形成初始裂紋源，以提高裂解過程的應(yīng)力集中系數(shù)；然后利用特定的方法使初始裂紋源啟裂并快速擴展，達到連桿本體與連桿蓋分離的目的。其裂解過程如圖1-2所示：在連桿鍛造毛坯大頭孔內(nèi)，預(yù)先加工出裂解槽，形成初始斷裂源；在裂解專用設(shè)備上首先對連桿大頭內(nèi)孔側(cè)面施加徑向力，使裂紋由內(nèi)孔向外不斷擴展直至完全裂解如圖2-2(b)所示,利用斷裂面犬牙交錯的特征，在裂解專用設(shè)備上，再將裂解分離后的連桿蓋與本體精確復(fù)位；最后在斷裂面完全嚙合的條件下，完成上螺栓工序及其他后續(xù)與傳統(tǒng)工藝相同的切削加工工序?？傇砗唸D如2－10所示：
圖2－10 1－定位銷 2－輔助定塊 3－定塊 4－楔塊 5－動塊 6－背壓機構(gòu)
2.2 繪總裝配圖和零件圖
繪制夾具總裝配1張，零件圖4張，工序路線卡1張，工序卡2張。附于論文之后。
結(jié)束語
為期短短一個月的畢業(yè)設(shè)計，我所獲良多，此次的畢業(yè)設(shè)計，我的所得如下：
1． 基礎(chǔ)的專業(yè)知識儲備是第一要素，只是具備了這一點才有能力去談設(shè)計。
2． 有序的，良好的，合乎邏輯的思維習慣，對于問題的解決是十分重要的。養(yǎng)成良好的數(shù)據(jù)、資料處理習慣是設(shè)計必不可少的，這樣有助于在設(shè)計過程中思路的理清，以提高設(shè)計的質(zhì)量。
3． 在設(shè)計中，應(yīng)學會多角度的看待，剖析問題，在知識的擴散與延伸的同時，還應(yīng)當及時的進行總結(jié)，回歸到問題的本質(zhì)。
4． 發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，與人交流所得，更能發(fā)現(xiàn)自己所思的不足之處。充分地利用已有的資源，如一些權(quán)威書籍、網(wǎng)絡(luò)資源等。
5． 以認真嚴謹?shù)膽B(tài)度去對待設(shè)計的問題，在設(shè)計過程中點點滴滴的細節(jié)，使我深切地體會到了想成為并作為一名專業(yè)的設(shè)計人是那么的不容易。
鑒于學生的對知識的理解把握還較為粗淺和實踐經(jīng)驗所限，以及在設(shè)計過程中考慮問題的不全面，所以設(shè)計出來的裝置必然存在著不足之處，結(jié)構(gòu)上也有需要改正的地方，敬請各位老師批評指正。
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致謝
這次畢業(yè)設(shè)計可以圓滿地完成，是在指導(dǎo)老師楊衛(wèi)平老師的悉心指導(dǎo)下完成的。從論文選題、結(jié)構(gòu)布局、數(shù)據(jù)估值到論文撰寫無不凝聚著老師的心血。在老師的言傳身教中，不僅使我開闊了思路，領(lǐng)會了不少的設(shè)計思路及方法，掌握了一些設(shè)計技巧。而且讓我悟出了許多為人處事的真諦，受益匪淺。老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，清晰敏捷的科研思路，踏實的作風，謙和的為人，寬容和大度值得我認真學習和效仿。值此論文完成之際，謹向我的指導(dǎo)老師致以崇高的敬意和誠摯的感謝！
值此論文完成之際，我只能以筆達意來表達我誠摯的謝意，并祝愿多年來在學習、工作、生活等方面給予我關(guān)心、支持和幫助的老師、同學和家人身體健康、工作順利、萬事如意！
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