機械畢業(yè)設計1105高速柴油機連桿脹斷工藝設計說明書1

畢業(yè)設計 夾具設計 834308595 第 I 頁 目錄 摘要 Abstract 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 國內外發(fā)動機連桿工藝發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 3 1.3 連桿工藝研究方向和研究的關鍵問題 3 第二章 連桿零件的分析 5 2.1 連桿的結構功能分析 5 2.2 連桿的主要技術要求 6 第三章 連桿零件機械加工工藝規(guī)程的編制 7 3.1 生產綱領的確定 7 3.2 連桿的工藝分析 8 3.3 連桿的材料選擇與毛坯的制造方法 8 3.3.1 連桿的材料選擇 8 3.3.2 C70S6 鋼的成分和力學性能 10 3.3.3 毛坯的制造方法 11 3.4 機械加工余量，工 序尺寸及毛坯尺寸確定 13 3.5 指定工序定位基準的選擇 13 畢業(yè)設計 夾具設計 834308595 第 II 頁 3.6 加工工藝階段的劃分和加工順序的安排 15 3.7 連桿加工工藝過程的擬定 16 3.8 填寫機械加工工藝過程卡和機械加工工序卡 16 第四章 指定工序的工裝設計 17 4.1 機床夾具設計的基本要求 17 4.2 專用夾具設計步驟 17 4.3 激光開應力槽工裝設計 19 4.3.1 應力槽的設計 19 4.3.2 設備的選擇與改裝 20 4.3.3 擬定定位方案 20 4.4 脹斷工裝設計 21 4.4.1 設備選擇 21 4.4.2 擬定定位方案 21 4.4.3 夾具 使用說明 21 4.4.4 脹斷參數(shù)的計算 23 總結 24 參考文獻 25 致謝 26 畢業(yè)設計 夾具設計 834308595 第 III 頁 105 系列高速柴油機連桿工藝總體方案及指定工裝設計 摘要 連桿是柴油發(fā)動機的主要部件之一，它決定著發(fā)動機的性能和運行的穩(wěn)定性。隨著科學技術的發(fā)展與進步，連桿的制造被注入了現(xiàn)代化的加工手段。“脹斷工藝”成為了連桿工藝中的又一新名詞。連桿脹斷工藝的應用，使連桿在加工質量、生產率和生產成本等諸多方面都發(fā)生了顯著變化，柴油發(fā)動機的性能得到了進一步提升。 本文以柴油機連桿制造工藝的總體方案為主要研究內容，以連桿的脹斷工藝為主 要研究方向?？傮w方案涉及從連桿材料的選擇到加工為成品的全部工藝過程。方案特別對脹斷工藝的原理及過程做了深入淺出的論述，并在認真分析連桿技術要求、廣泛查閱相關文獻的基礎之上，制定出了一條基本適于連桿實際生產的新型工藝方案和路線。同時，筆者還重點設計了“激光開應力槽”、“脹斷”兩工序的夾具和工藝裝備。 關鍵詞： 柴油機連桿，工藝方案，脹斷工裝 畢業(yè)設計 夾具設計 834308595 第 IV 頁 The General Planning of 105 Series High Speed Diesel Engine Products Connecting Rods 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 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 1 頁 第一章 緒論 1.1 前言 連桿在發(fā)動機中作為改變力的傳遞方向和方式最重要的零部件之一，用于各種發(fā)動機上，其大頭孔與曲軸連接，小頭孔通過活塞銷與活塞連接，將作用于活塞的氣體膨脹壓力的直線運 動傳給曲軸轉變?yōu)樾D運動（圖 1.1）。在工作過程中，其承受著較高的周期性沖擊力、慣性力、壓縮應力、縱向彎曲應力、拉應力、動載荷等，因此要求連桿重量要輕，必須有較高的強度、韌性和疲勞性能。 圖 1.1 連桿動力轉化圖 發(fā)動機的可靠性在很大程度上取決于連桿的可靠程度，在連桿的總成可靠性的因素之中分合面質量與定位關系是主要因素，因此解決好連桿體與連桿蓋之間的定位問題，可以降低連桿的生產成本，提高發(fā)動機的可靠性。 但由于連桿的外形比較復雜、容易變形、剛性差，尺寸精度、位置精度以及表面質量等要求較高，在制造上具有一 定難度。而其連桿制造技術的好壞直接影響著連桿的使用性能和經濟性能以及一個企業(yè)的生存和發(fā)展，隨著生產技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的制造技術漸漸不能適應現(xiàn)在生產的要求。先后在國外很多連桿生產廠家提出了“脹斷技術”（又漲斷技術或裂解技術），國內少部分連桿生產廠家也已采用該技術。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 2 頁 據(jù)相關文章介紹， 發(fā)動機連桿 脹斷 加工技術是目前國際上連桿生產的最新技術， 隨著連桿生產技術的發(fā)展，連桿體與蓋的分離不再采用 銑、鋸或拉這類傳統(tǒng)切削加工方法 ，而是采用了最新的脹斷技術。該技術是以整體加工代替分體加工，用切口 (用機械方法或激光技術等方法制造預裂 紋 ) 斷裂，使大端連桿蓋從連桿體移去，使連桿體與蓋的分離達到理想的脆性斷裂，并能很容易達到其連桿使用性能要求的一門先進技術 (圖 1.2)。 圖 1.2 脹斷過程示意簡圖 采用脹斷工藝有如下優(yōu)點： 1.簡化了連桿及連桿蓋的設計要求； 2.采用連桿脹斷工藝后，連桿與連桿蓋的分離面是最完全的嚙合，所以其無需再進行機加工，省略了分離面的磨削加工； 3.連桿體與連桿蓋裝配時無需額外的精確定位，如螺栓孔定位（或定位環(huán)孔），只需螺栓拉緊即可，這樣省去了螺栓孔的精加工（如鉸或鏜）。 與 傳統(tǒng)連桿加工方法 相比，脹斷工藝的優(yōu)勢很大 ：減少了 加工工序、節(jié)省精加工設備、 節(jié)省刀具磨損、 節(jié)材 料和 能 源 、 降低生產 成本 等， 連桿 脹斷 加工技術還可 提高 連桿承載能力、抗剪能力、桿和蓋的定位精度及裝配質量，對提高發(fā)動機生產技術水平和整機性能具有 很 重要作用 。 綜上所述，以體現(xiàn)自己大學四年來所學理論知識與實際生產聯(lián)系的綜合，鍛煉自己的獨立思考、自我創(chuàng)新的意識和能力為目的，在采用脹斷技術的基礎上，探索和制定出 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 3 頁 一條能提高連桿的質量和減少連桿制造成本，并基本適應實際生產的方案，故選擇該課題作為本次畢業(yè)設計的題目 。 1.2 國內外發(fā)動機連桿工藝發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 在毛坯 材料方面： 國內傳統(tǒng)工藝連桿毛坯材料一般采用 42CrMo 、 35CrMo 、 40MnVB、45CrMnB、 40Cr 、 40CrMnB S40C等調質鋼和 S43CVS1 (進口 ) 、 35MnV、 40MnS等非調質鋼。 康明斯 生產線采用 調質鋼毛坯 40MnBH(GB5216-85),1995年全面轉用非調質鋼材料毛坯 38MnV。 60年代中期粉末熱鍛技術開始發(fā)展起來，從 80年代以來粉末冶金注射成型（ PIM） 成功的得到應用，大多數(shù)連桿制造中使用的中碳 鋼和低合金鋼逐步由新鋼種和粉末 冶金的鍛造材料所代替。而 德國發(fā)動機系統(tǒng)和 零部件的專家 MahleGmbH公司 先后推出了 C70S6BY鋼 、 36MnVS4BY鋼 、 70MnVS4BY 鋼 等可用于脹斷的材料。 在加工工藝方面：國內外連桿生產方式大致有：鍛造、鑄造、粉末冶金等，進入 90年代后， 90%以上的連桿制造都采用了模鍛工藝；傳統(tǒng)鍛造有將連桿體和蓋分開鍛造、連桿整體鍛造兩種，連桿體與連桿蓋分離方式一般采取鋸斷、銑斷等工藝。 國外很多連桿生產廠家提出關于連桿體與蓋分離最新工藝是使用斷裂分開，即脹斷工藝（又漲斷工藝或裂解工藝），該工藝是用切口 (用機械方法或用激光等方法制造預裂紋 , 國內常 用的裂解槽加工方法有機械拉削、線切割，國外采用水刀和激光加工 )，形成應力集中，主動施加垂直預定斷裂面載荷進行引裂，在幾乎不發(fā)生變形的情況之下，在缺口處規(guī)則脆性斷裂，實現(xiàn)連桿體與連桿蓋的無屑斷裂剖分，使大端連桿蓋從連桿體移去。 國內 部分 汽車廠及設備制造廠 如 一汽 大眾、上海大眾和上海通用等 都 采用 了該技術。 1.3 連桿工藝研究方向和研究的關鍵問題 本設計的目的主要是制定一條適合脹斷工藝的工藝方案，基本需要解決以下問題： 首先是要確定毛坯的材料以及其毛坯的制造方法。目前 ,絕大多數(shù)連桿是由需要淬火和回火的中碳鋼和低合 金鋼經過鍛造加工制造的，但正不斷由新鋼種和粉末冶金的鍛造材料所代替。 脹斷連桿要求其材料塑性變形小、強度好、脆性適中、工藝性好，即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)脆性斷裂特征。而可用于 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 4 頁 連桿裂解的材料主要有粉末燒結材料、高碳鋼、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵。應用比較廣泛的材料是粉末燒結材料和高碳鋼。 提到粉末冶金， 粉末冶金是 利 用金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）作為原料，經過成形和燒結，制造金屬材料、復合以及各種類型制品的工藝技術。 對粉末冶金零件工業(yè)提出的主要要求是降低成本、改 進使用性能、減輕零件重量及保護環(huán)境。對其零件的使用性能而言 ,關鍵在于開發(fā)高強度、高精度材料，耐熱、耐磨材料及高性能材料。 在脹斷加工工序之中，其脹斷加工技術主要有三道關鍵核心工序，即加工初始應力槽、脹斷、裝配螺栓等。 初始應力槽設計主要問題： 1.脹斷槽的位置設計； 2.脹斷應力槽的幾何尺寸設計；3.脹斷槽的加工方法等。脹斷槽（應力槽）的位置的確定在一定程度上反應了斷裂的方向，斷裂的方向必須與螺釘安裝方向垂直，如果說不能準確的在這個角度和位置上斷裂的話，不但在安裝的時候會 產生很大的難度，也很難保證大頭孔的圓柱度 。所以合理設計脹斷應力槽，是有效提高缺口效應與應力集中系數(shù)、降低脹斷力、提高斷裂效率與質量關鍵因素，脹斷應力槽的目的就是制造缺口效應，提供應力集中，為脹斷提供條件，并保證其斷裂發(fā)生在在設定的位置。脹斷槽形狀主要有機械加工而成的“ V”型槽與激光加工的矩形槽，其參數(shù)主要有張角、曲率半徑、槽深、槽長等。而脹斷槽的加工方法的選擇也是至關重要的，采用什么樣的加工方式才最合理、最能達到要求，并且最節(jié)省制造成本等都是必需要考慮的問題。 脹斷主要解決的問題是：如何核心設備的選擇以及其夾具的設計。設備的選擇，在沒有現(xiàn)有設備的 前提之下，應該如何選擇其設備，選用什么設備，或者如何選用現(xiàn)有的其他設備進行改裝，在脹斷時是否能真正的達到所謂的脆性斷裂等，以及在選定設備的基礎上如何來設計其工裝等都是有待去思考和解決的問題。 關于螺栓裝配，在裝配螺栓過程中必須保證裂解后的連桿桿身與連桿蓋完全嚙合、不錯位。為防止錯位或施加扭矩不一致，應同時進行兩側螺栓的裝配，裝配螺栓需要進行螺栓預裝配及定扭矩裝配。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 5 頁 第二章 連桿零件的分析 2.1 連桿的結構功 能分析 連桿是較細長的變截面非圓形桿件，其桿身截面從大頭到小頭逐步變小，以適應在工作中承受的急劇變化 的動載荷。 其形狀也比較復雜，很多表面并不容易加工，不管是在其工作過程之中還是在加工過程中也很容易產生變形。 連桿由連桿大頭、桿身和連桿小頭三部分組成，連桿大頭是分開的，一半與桿身為一體，一半為連桿蓋，連桿蓋用螺栓和螺母與曲軸主軸頸裝配在一起。為了減少磨損和磨損后便于修理，在連桿小頭孔中壓人青銅材套，大頭孔中裝有薄壁金屬軸瓦（如圖2.1）。 圖 2.1 襯套、軸瓦位置示意圖 連桿是將活塞上下的直線運動轉化為曲軸的旋轉運動的重要部件，所以要求要求有較高的強度、韌性和疲勞性能之外，對發(fā)動機連桿還有較高的位置精 度和尺寸形狀精度要求以及表面質量要求。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 6 頁 基本要求如：連桿桿身不垂直度 0.5，小頭、大頭兩端面對稱面與桿身相應對稱面之間的偏移 0.6，桿身橫向對稱面對大小頭孔中心偏移 1. 首先必須保證大頭中心孔中心線和小頭孔中心線之間的平行度，這樣才能保證連桿在工作過程中平穩(wěn)不刮曲軸和軸瓦；第二個就是保證兩個端面的平行度，以及兩端面中心線與兩孔中心線之間的垂直度，用于保證工作中不會刮傷曲軸平衡塊，可以減少噪聲，保持平穩(wěn)；第三個要保證的是連桿體和蓋的分和面之間的配合和吻合，以保證大頭孔的圓柱度，以免刮傷軸瓦；第四要確保大 小頭孔中心線之間的距離，如果其得不到保證，將保證不了發(fā)動機在工作時的氣體壓縮比等。 2.2 連桿的主要技術要求 連桿精度的參數(shù)主要有五個： 1.連桿大端中心面和小端中心面相對于連桿身中心面的對稱； 2.連桿大小頭空中心距尺寸精度； 3.連桿大小頭孔平行度； 4.連桿大小頭孔的 尺寸精度、形狀精度； 5.連桿大頭螺栓孔與接合面的垂直度。 其余技術參數(shù)如下表： 表 2.1 技術要求項目 具體要求或數(shù)值 滿足的主要性能 大、小頭孔的橢圓度，錐度 橢圓度 0.012 錐度 0.014 保證與襯套、軸瓦的良好配合 兩孔中心距 0.03 0.05 氣缸氣體的壓縮比 兩孔軸線在同一個平面內 在連桿軸線平面內： 0.03 在垂直連桿軸線平面內： 0.06 減少氣缸壁和曲軸頸磨損 大孔兩端面對軸線的垂直度 0.015 減少曲軸頸邊緣磨損 兩螺孔中心線（定位孔）的位置精度 在兩個在 45方向上的平行度：0.020.04 對結合面的垂直度 0.015 保證正常承載和軸頸與軸瓦的良好配合 同一組內的重量差 30g 保證運轉平穩(wěn) 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 7 頁 第三章 連桿零件機械加工工藝規(guī)程的編制 3.1 生產綱領的確定 生產綱領的大小對生產組織和零件加工 工藝過程起著重要的作用，它決定了各工序所需專業(yè)化和自動化的程度，以及所選用的工藝方法和工藝裝備。 零件生產綱領計算 :N=Qn（ 1+ %）（ 1+ %） 式中 N零件的年生產綱領（件 /年） ; Q產品的年產量（臺 /年） ; n每臺產品中 ,該零件的數(shù)量 (件 /臺 ); %備品率 ; %廢品率。 根據(jù)教材中生產綱領與生產類型及產品大小和復雜程度的關系，確定其生產類型。圖 3.1為某產品上的一個連桿零件。該連桿用于 6105柴油機，年產量為 1000臺。設其備品率為 10%，采用脹 斷技術后，其廢品率幾乎為零，所以機械加工廢品率 選擇為 0.1%，每臺產品中該零件的數(shù)量為 6件 N=Qn（ 1+ %）（ 1+ %） =1000 6（ 1+10%）（ 1+0.1%） = 6666件 /年 連桿零件的年產量為 6666件，現(xiàn)已知 該產品屬于中型機械，根據(jù)生產類型與生產綱領的關系查閱參考文獻 ，確定其生產類型為大量生產。 圖 3-1 連桿零件圖 大量生產的工藝特征 ： 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 8 頁 （ 1） 零件的互換性：具有廣泛的互換性，少數(shù)裝配精度較高處，采用分組裝配法和調整法。 （ 2） 毛坯的制造方法和加工余：廣泛采用金屬模機器造型，一般采用模鍛。毛坯精度高，加工余量小。 （ 3） 機床設備及其布置形式：廣泛采用專用機床及自動機床，按流水線和自動排列設備。 （ 4） 工藝裝備：廣泛采用高效夾具，復合刀具，專用量具或自動檢驗裝置，靠調整法達到精度要求。 （ 5） 對工人的技術要求：對調整工的技術水平要求高，對操作工的技術水平要求較低。 （ 6） 工藝文件：有工藝過程卡或工序卡，關鍵工序要調整卡和檢驗卡。 （ 7） 成本：較低。 （ 8） 生產率：高。 （ 9） 工人勞動條件：較好 。 3.2 連桿的工 藝 分析 首先連桿的加工表面如下： （ 1） 以端面互為基準加工的兩端面，尺寸為，以其中一加工端面為基準的小頭孔，大頭孔。 （ 2）以小頭孔為中心的加工有：鉆兩個 4 的油 孔，銑連桿體卡挖槽，加工側面工藝凸臺。 （ 3）以大頭孔為中心的加工表面有：加工連桿蓋卡挖槽 ，加工 M12 螺栓孔，和 12.5的連桿蓋上螺釘光孔。 3.3 連桿的材料 選擇 與毛坯 的制造方法 3.3.1 連桿的材料選擇 考慮到在該工藝方案中采用脹斷工藝，那么選擇材料也是很重要的。在過去其發(fā)動機連桿多采用中碳鋼或者中碳合金鋼，經過淬 火和高溫回火處理，處理后一般硬度在HBS288 HBS269之間 .后來為了減低成本研發(fā)了非調質鋼并用與生產，在鍛造后空冷，通過析出強化得到與淬火高溫回火一樣的力學性能，省去了淬火和高溫回火，從而降低 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 9 頁 了成本。后來為了減少機加工，更進一步降低成本，于是開發(fā)了用粉末冶金的方法來制造連桿，大大減少了機加工。而且粉末冶金連桿的質量公差小，更適合用于發(fā)動機連桿是的制造。美國就廣泛的運用粉末冶金的方法來生產連桿。在 20世紀 90年代中葉，鋼廠與汽車廠合作開發(fā)了裂解連桿用鋼，實際上它是一種含 0.7%左右的高碳鋼。 能用于脹 斷連桿的主要材料為粉末燒結材料、高碳微合金非調質鋼、球墨鑄鐵以及可鍛鑄鐵，其中 C70S6 高碳微合金非調質鋼和粉末燒結材料應用最廣。 那么在這種情況之下該如何來選擇材料呢？在粉末冶金和 C70S6之間做出一個選擇。 據(jù)相關資料報道， 我國粉末冶金行業(yè) 與國外相比有如下差距： （）產品水平低 在產品精度方面，少數(shù)企業(yè)尺寸精度可達 is07 8級，形位公差可達 8 9級，與國外水平相比低 1 2級，但一般企業(yè)約相差 2 3級。在產品質量方 面，最大的問題是質量不夠穩(wěn)定，產品內在重量和外觀質量均有較大的差距。而且高 檔粉末冶金零件國內還沒有辦法生產出來，即使生產出來，也是質量很差，所以很多高檔的粉末冶金零件還需要進口。 （ 2）工藝裝備落后 在粉末冶金設備方面，主要是通過企業(yè)引進，購置國外粉末成形壓機、燒結爐、模具加工和測試設備及消化吸收、改造設備的使用來提高產品質量。粉末冶金行業(yè)除少數(shù)企業(yè)引進了國外先進的專用壓機外，大多數(shù)企業(yè)仍采用通用壓機、生產效率低、質量不穩(wěn)定，由于壓機功能少，不能生產復雜結構件，后續(xù)加工量較大。在燒結爐方面也如此，多數(shù)企業(yè)仍采用性能較差的設備、能耗大、效率低、爐溫均勻性差，質量不穩(wěn)定。目前，國內雖 有少數(shù)設備制造企業(yè)在生產粉末冶金專用設備，但在性能及質量可靠性上與國外先進設備相比仍有較大差距，還不能完全滿足企業(yè)的要求。另外，模具、模架的設計制造力量較弱，目前國內還沒有形成一個專業(yè)生產粉末冶金模具、模架的企業(yè)，這導致粉末冶金新產品開發(fā)速度較慢，不能滿足需要。 （ 3）買方市場下的產需矛盾 受粉末冶金企業(yè)技術、設備及規(guī)模等諸方面的影響，目前的情況是，低檔產品多、生產過剩、市場競爭激烈，紛紛降低促銷，嚴重影響整個行業(yè)的經濟效益，而高檔產品上不去雖有市場，能夠勝任的廠家太少，市場供不應求，不能滿足主機配套 要求。 （ 4）科研跟不上產品發(fā)展需要 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 10 頁 粉末冶金制品技術含量高，是技術密集型產品。大量的共性技術和新材料、新產品需要進行試驗。如模具、模架的設計與制造、高性能、復雜結構件的成形工藝、后續(xù)處理工藝、粉末熱鍛、溫壓、注射成形等工藝的研究等。由于企業(yè)技術力量薄弱及忙于應付日常生產、經營等工作，無力研究，而研究單位科研經費緊張，自顧尚有問題，這種局面嚴重影響著粉末冶金技術的提高與發(fā)展。 （ 5）出口產品創(chuàng)匯方面 粉末冶金制品企業(yè)主要為國內主機配套，能夠出口創(chuàng)匯的企業(yè)較少。 （ 6）企業(yè)技術 經濟效益與國外同類企業(yè)相比差距較大 與粉末冶金連桿相比， C70S6鋼在成本和使用性能上都具有一定優(yōu)越性，首先鍛造后空冷不需要熱處理，脹斷后連桿與連桿蓋接觸面不無需機械加工，省去了機械加工費用，裝配后連桿體與連桿蓋的裂解面能緊密地接觸并相互鎖定，使其不產生錯位和移動，提高了與曲軸零件的配合，同時也提高了曲軸的剛度，大大地改善了發(fā)動機的性能。 減輕連桿的重量一直都是連桿制造上討論的一個主題，如果采用粉末冶金技術，在不改變連桿形狀結構的前提之下會導致連桿的重量增加 15% 30%，這樣使得連桿得重量有了很大的增加 ，那么發(fā)動機的重量也會在一定程度的增加，會影響其使用性能。如果用粉末冶金制造連桿，就必須重新設計連桿的形狀結構，以減輕連桿的重量。 綜上所述，考慮了各種因素，并經過組內成員的共同討論，最后決定采用 C70S6鋼作為本次設計中連桿的材料。 3.3.2 C70S6鋼的成分和力學性能 C70S6 材料中主要各化學成分質量百分比分別為： C為 0. 72 % ， Mn為 0. 5 % ， S為 0. 06 % ， P為 0. 009 % ， V為 0. 04 %；其金相組織為珠光體加斷續(xù)的鐵素體，抗拉強度為： 900MPa 1 050 MPa，屈服極限為 520 MPa，最大延伸率為 10 %。其中 Mn作為強化項而存在，用以提高材料的強度。 脹斷工藝要求連桿裂解后的塑性變形最小，又要保證材料有良好的可切削加工性能。 C70S6為高碳鋼，含 C量提高后，便增加了鋼材的淬透性能，假如保持含 Mn量不變，連桿鍛造空冷后硬度會提高，而且金相組織中可能會出現(xiàn)貝氏體，惡化可切削加工性能，須通過適當途徑降低含 Mn量。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 11 頁 為了改善可切削加工性，提高了含 S量，鋼中的 Mn和 S的親和力大于 Fe和 S的親和力，優(yōu)先形成 MnS，從而降低鋼的塑性，防止金相組織中可能會出現(xiàn)的貝氏體 ；另外 FeS會引起鋼的“熱脆”，促進了裂解時的斷裂。 Mn和 S結合時含 Mn量又不能過低，至少要高于 S三 倍的含量。 C70S6材料的力學性能 : 表 3.1 極限抗拉強度/MPa 屈服強度 /MPa 伸長率 （ %） 壓縮屈服強度/MPa 剪切強度 /MPa 990 580 14 610 655 3.3.3 毛坯的制造方法 由于連桿在發(fā)動機工作中要承受交變載荷以及沖擊性載荷，一次應選用鍛造，以使金屬纖維盡量不被切斷，保證連桿可靠地工作。而且該零件的年產量是 6000，已經達到了大量生產的水平，要求其生產率比較高， 零件尺寸不是很大，再者為了保證它的尺寸精度、加工精度，故選擇模鍛。 脹斷工藝要求連桿鍛件在脹斷過程之中不能有過大的塑性變形，因此模鍛連桿性能的合格就是保證連桿達到理想的脆性斷裂的因素。 用于脹斷工藝的 C70S6系列高碳非調質鋼，它的成分特點是低硅，低錳及添加了微量合金元素釩和易切削的 S元素，范圍窄，純度高。 脹斷連桿工藝現(xiàn)有的模鍛工藝主要有以下三種： （ 1）輥鍛（楔橫軋）制坯 熱模鍛生產線 工藝：下料加熱輥鍛成型（預鍛，終鍛）切邊沖孔熱校正 BY處理噴丸處理探傷處理精壓處理。 設備配置：下料機（帶鋸機）中頻感應加熱爐（ 300KW)輥鍛機（ 460型 ）熱模鍛壓力機（ 25000KN）閉式單點壓力機 BY控冷設備噴丸機探傷機精壓機 該生產線比較先進，以載貨車連桿為主導產品，其采用了中頻感應加熱，輥鍛或楔模軋制坯，在國內被廣泛采用。這種生產線便于實現(xiàn)自動化生產，具有噪聲小，勞動環(huán)境好等優(yōu)點。可生產各種類型的發(fā)動機連桿。 （ 2)輥鍛（楔橫軋）制坯 錘上模鍛生產線 工藝：下料加熱輥鍛成型（預鍛，終鍛）切邊沖孔熱校正 BY處理噴丸處理探傷處 理精壓處理。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 12 頁 設備配置：下料機（帶鋸機或棒料剪切機床）中頻感應加熱爐（ 300KW）輥鍛機（ 370型 ）液壓精鍛錘（ 25 50KJ）開式壓力機（ 1000KN） BY控冷設備拋丸機（ 600 1200kg/h)熒光探傷機 600WE型）電動螺旋壓力機（ 400KW） 該生產線主要轎車連桿為主，鍛件厚度公差基本在 0.2mm以 內，錯差在 0.4mm以內，切邊模具沒有氮氣缸，可使模鍛件定位后再切邊，切邊變性很小，精壓尺寸精度可以控制在 0.1mm以內 （ 3）輥鍛制坯 摩擦壓力機模鍛（高能螺旋 壓力機）生產線 工藝：下料加熱輥鍛預鍛終鍛切邊沖壓熱校正 BY處理拋丸處理探傷處理精壓處理。 設備配置：下料機（帶鋸機）中頻感應加熱爐（ 250W)輥鍛機（ 460型）摩擦壓力機（ 630t）摩擦壓力機（ 1000t）閉式單點壓力機（ 250t）摩擦壓力機。 該生產線以柴油機連桿為主，在摩擦壓力機上進行預鍛、終鍛、熱校正，其工藝過程較為穩(wěn)定，生產效率也比較高，適合中小型企業(yè)。 根據(jù)所生產的連桿類型和實際情況，故選擇第三種模鍛方式，即輥鍛制坯 摩擦壓力機模鍛（高能螺 旋壓力機）生產線 用于脹斷連桿制造的模鍛過程中應注意以下幾個問題： a.由于模鍛脹斷連桿采用 C70S6高碳非調質鋼材料，其中加熱溫度較高（ 1220 1290C），需注意生產節(jié)拍的控制，保證熱校正和去毛刺的溫度不低于 950 C。 b.通過控冷設備來調整鍛件在空氣之中的冷卻速度，以保證鍛件力學性能和纖維組織符合工藝要求。屈服強度不低于 550MPa,斷裂拉伸率不低于 10%，斷裂收縮率不低于 20%。該工序直接影響著脹斷連桿的斷裂效果，所以應該注意。 c.大頭斷裂部分硬度測量在 280 310HBS，冷校正的零件其硬 度檢驗前應去掉表面硬化層。 d.金相組織式樣應該從連桿體縱向取樣，組織為珠光體鐵素體組織，鐵素體的含量應約為 10%。 e.所有零件必須 100%通過縱橫磁化，進行磁粉探傷，檢查表面裂紋。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 13 頁 3.4 機械加工余量，工序尺寸及毛坯 尺寸 確定 根據(jù)模鍛的基本要求，在零件的基本尺寸上加上加工余量 2 4mm，所以在加工多數(shù)表面在基本尺寸的基礎上單面加 2mm，一些特殊表面如螺釘座面上加 2mm，側面工藝凸臺加工精度不是很高，在其表面加 1mm。（如圖 3.2，詳細尺寸請查閱 105 高速柴油機連桿毛坯圖圖紙） 圖 3.2 連桿毛坯圖 激光加工工序的加工余量及工序尺寸將會在工裝設計的脹斷槽設計中作詳細闡述；脹斷加工工序基本沒有加工余量。剩余加工工序的加工余量由組內其他成員負責。 3.5 指定工序 定位基準的選擇 定位基準有粗基準和精基準之分。在加工起始工序中 ， 只能用毛坯 尚 未曾加工過的表面作為定位基準，則該表面稱為粗基準 ； 利用已加工表面作為定位基準，則稱為精基準。 其基準的選擇也是工藝規(guī)程設計之中的重要問題之一， 定位基準的選擇合理與否，將直接影響所制訂的零件加工工藝規(guī)程的質量?；鶞蔬x擇不當，往往會增加工序，或使工藝路線不合理，或使 夾具設計困難，甚至達不到零件的加工精度（特別是位置精度）要求 ，造成零件報廢等情況。 選擇粗基準時主要考慮兩個問題：一是保證加工 表 面與 非 加工 表 面之間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、精基準 具體選擇時參考下列原則： 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 14 頁 （ 1） 對于同時具有加工表面和不加工表面的零件，為了保證不加工表面與加工表面之間的位置精度，應選擇 非 加工表面作為粗基準。 （ 2） 對于具有較多加工表面的工件，選擇粗基準時，應考慮合理分配各加工表面的加工余量。 （ 3） 粗基準應避免重復使用。在同一尺寸方向上，粗基準通常只能使 用一次，以免產生較大的定位誤差。 精基準的選擇應從保證零件加工精度出發(fā)，同時考慮裝夾方便、夾具結構簡單。選擇精基準一般應考慮如下原則： （ 1） “基準重合 ”原則 為了較容易地獲得加工表面對其設計基準的相對位置精度要求，應選擇加工表面的設計基準為其定位基準。這一原則稱為基準重合原則 。 如果加工表面的設計基準與定位基準不重合，則會增大定位誤差 。 （ 2 ） “基準統(tǒng)一 ”原則 當工件以某一組精基準定位可以比較方便地加工其它表面時，應盡可能在多數(shù)工序中采用此組精基準定位，這就是 “基準統(tǒng)一 ”原則。 采用 “基準統(tǒng)一 ”原 則可減少工裝設計制造的費用，提高生產率，并可避免因基準轉換所造成的誤差。 （ 3） “自為基準 ”原則 當工件精加工或光整加工工序要求余量盡可能小而均勻時，應選擇加工表面本身作為定位基準，這就是 “自為基準 ”原則。例如磨削床身導軌面時，就以床身導軌面作為定位基準。 （ 4） “互為基準 ”原則 為了獲得均勻的加工余量或較高的位置精度，可采用互為基準反復加工的原則。 （ 5 ） 精基準選擇應保證工件定位準確、夾緊可靠、操作方便。 在該設計中大部分工序由組內其他同學做，現(xiàn)在介紹一下我做的兩道工序的基準選擇： （ 1）激光開 應力槽加工工序：以第二端面，小頭孔作為定位基準（圖 3.3），在定位時，小頭孔一個定位銷，側面一個支承釘，加上一個端面，達到完美定位，限制了 5 個自由度。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 15 頁 圖 3.3 激光開應力槽工序基準示意圖 （ 2）脹斷加工工序的基準、定位與激光開應力槽加工工序一樣（圖 3.4）。 圖 3.4 脹斷加工工序基準示意圖 3.6 加工工藝階段的劃分和加工順序的安排 粗加工階段：粗磨連桿兩端面，粗、半精鏜大小頭孔，磨搭子面工藝凸臺，槍鉆螺紋底孔，鉸螺釘光孔，攻絲；锪螺釘座面、倒角，激光開槽、作標記，脹斷，銑卡瓦槽，壓襯套，鉆油 孔。首先要加工其他表面就必須先加工出精基準，端面的加工必須安排所以必須安排在第一，接著再在以端面為基準的基礎之上加工其他面或者其他精基準，那么接下來要安排的就是粗鏜大小頭孔，粗磨搭子面，這樣精基準就基本出來了。那么在 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 16 頁 精加工之前必須把所有的粗加工都做完，緊接著的粗加工工序都在這樣的一些基準上進行加工了。 精加工階段：精磨兩端面，精鏜大小頭孔，珩磨大頭孔，小頭銑落差。 在連桿的加工過程之中，其輔助工藝（去毛刺，倒角，清洗等）必須貫穿整個工藝過程，所以說必須在其中安排輔助工序。在連桿脹斷之前安排一道磁力探傷，在锪 螺釘座面、倒角之后安排了去毛刺、清洗，脹斷之后要立即用螺釘套住連桿體與蓋，以免錯位，連桿總裝時時必須要求清理連桿結合面之間的塵屑，最后還要來一道清洗。 3.7 連桿加工工藝過程的擬定 經組內成員共同探討和評比（其他方案略），最后得出最優(yōu)方案如下： 粗磨第一端面粗磨第二端面磁力探傷及去磁粗、半精鏜大、小頭孔粗磨搭子面工藝凸臺槍鉆螺紋底孔，鉸螺釘光孔，攻絲锪螺釘座面、倒角去毛刺、清洗激光開槽、作標記脹斷銑卡瓦槽連桿體、蓋裝配壓襯套鉆油孔精磨第一端面精磨第二端面精鏜大、小頭孔珩 磨大頭孔小頭銑落差倒角、去毛刺稱重、去重清洗終檢 一共 23道工序，從連桿使用性能的基本要求來看，該工藝方案能基本達到要求。 3.8 填寫機械加工工藝過程卡和機械加工工序卡 工藝過程綜合卡片。簡要寫明各道工序，作為生產管理使用。 工藝卡片。詳細說明整個工藝過程，除寫明工序內容外，還應填寫工序所采用的切削用量和工裝設備名稱、代號等。 工序卡片。用于指導工人進行生產的更為詳細的工藝文件，在大批量生產的關鍵零件的關鍵工序才使用。 （ 1）簡圖可按比例縮小，用盡量少的投影視圖表達。簡圖也可以只畫出與加工部 位有關的局部視圖，除加工面、定位面夾緊面、主要輪廓面，其余線條可省略，以必需、明了為度。 （ 2）被加工表面用粗實線（或紅線）表示，其余均用細實線。 應標明本工序的工序尺寸，公差及粗糙度要求。 （ 3）定位、夾緊表面應以規(guī)定的符號標明。 工藝文件詳見附件機械加工工藝過程卡片和機械加工工序卡片 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 17 頁 第四章 指定工序的工裝設計 4.1 機床夾具設計的基本要求 1.保證工件的加工精度 專用夾具應有合理的定位方案，標注合適的尺寸、公差和技術要求，并進行必要的精度分析，確保夾具能滿足工件的加工精度要求。 2.提高生產效率 應根據(jù) 工件生產批量的大小設計不同復雜程度的高效夾具，以縮短輔助時間，提高生產效率。 3.工藝性好 專用夾具的結構應簡單、合理，便于加工、裝配、檢驗和維修。 專用夾具的制造屬于單件生產。當最終精度由調整或修配保證時，夾具上應設置調整或修配結構，如設置適當?shù)恼{整間隙，采用可修磨的墊片等。 4.使用性好 專用夾具的操作應簡便、省力、安全可靠，排屑應方便，必要時可設置排屑結構。 5.經濟性好 除考慮專用夾具本身結構簡單、標準化程度高、成本低廉外。還應根據(jù)生產綱領對夾具方案進行必要的經濟分析，以提高夾具在生產中的經濟效益 。 4.2 專用夾具設計步驟 1.明確設計任務與收集設計資料 夾具設計的第一步是在已知生產綱領的前提下，研究被加工零件的零件圖、工序圖、工藝規(guī)程和設計任務書，對工件進行工藝分析。其內容主要是了解工件的結構特點、材料；確定本工序的加工表面、加工要求、加工余量、定位基準和夾緊表面及所用的機床、刀具、量具等。 其次是根據(jù)設計任務收集有關資料，如機床的技術參數(shù)，夾具零部件的國家標準、部頒標準和廠訂標準，各類夾具圖冊、夾具設計手冊等，還可收集一些同類夾具的設計圖樣，并了解該廠的工裝制造水平，以供參考。 2.擬訂夾具結 構方案與繪制夾具草圖 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 18 頁 1） 確定工件的定位方案，設計定位裝置。 2） 確定工件的夾緊方案，設計夾緊裝置。 3） 確定對刀或導向方案，設計對刀或導向裝置。 4） 確定夾具與機床的連接方式，設計連接元件及安裝基面。 5） 確定和設計其它裝置及元件的結構形式。如分度裝置、預定位裝置及吊裝元件等。 6） 確定夾具體的結構形式及夾具在機床上的安裝方式。 7） 繪制夾具草圖，并標注尺寸、公差及技術要求。 3.進行必要的分析計算 工件的加工精度較高時，應進行工件加工精度分析。有動力裝置的夾具，需計算夾緊力。當有幾種夾具方案時，可進行經濟分析，選用經濟效益較高的方 案。 4.審查方案與改進設計 夾具草圖畫出后，應征求有關人員的意見，并送有關部門審查，然后根據(jù)根據(jù)他們的意見對夾具方案作進一步修改。 5.繪制夾具裝配總圖 夾具的總裝配圖應按國家制圖標準繪制。繪圖比例盡量采用 1 1。主視圖按夾具面對操作者的方向繪制?？倛D應把夾具的工作原理、個種裝置的結構及其相互關系表達清楚。 夾具裝配圖繪制方法如下： 1）用雙點劃線將工件的外形輪廓、定位基面、夾緊表面及加工表面繪制在各個視圖的合適位置上。在總圖中，工件可看作透明體，不遮擋后面夾具上的線條。 2）依次繪出定位裝置、夾緊裝置、 對刀或導向裝置、其它裝置、夾具體及連接元件和安裝基面。 3）標注必要的尺寸、公差和技術要求。 4）編制夾具明細表及標題欄。 6.繪制夾具零件圖 夾具中的非標準零件均要畫零件圖，并按夾具總圖的要求，確定零件的尺寸、公差及技術要求。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 19 頁 4.3 激光開應力槽工裝設計 4.3.1 應力槽設計 應力槽開的位置應該是在與螺釘中心孔成 90 的方向上，距離螺釘座面 30mm的地方。 應力槽主要有機械加工和激光加工兩種加工方法 ,應力槽的形狀主要也有兩種：一種是利用機械加工方法加工出來的“ V”型槽，另一種是利用激光加工出來的矩形槽 （圖4.1）。 圖 4.1 兩種方法加工的應力槽 國內常用的裂解槽加工方法有機械拉削、線切割，而美國 RA YCON 、德國 AL FIN G 和 MAUSER 等公司采用水刀和激光加工。 利用機械加工 “V” 型槽，由于 C70S6BY 材料的屈服強度較低，硬度較高，在加工過程中其刀具容易磨損，刀尖會變鈍、變短，加工出來的槽的曲率半徑就會增大，槽的深度就會減小，因為其 “V” 型槽的曲率半徑越小，它的應力集中效果就越好，所需的脹斷力就越小，同時增加槽的深度 H也有利于減小脹斷力，但由于后續(xù)工序加工余量的限制，槽的深度不能超 過一定范圍。如果刀具磨損使其 “V” 槽的半徑增大，從應力集中系數(shù)變小，導致脹斷力增加，大頭塑性變形增大，會造成斷裂面撕裂等不良現(xiàn)象，所以在機械加工應力槽時需要經常檢查更換刀具，并在專用的磨刀儀上定期修磨刀具。 激光加工應力槽是一種非?？煽康募庸し椒?，具有切縫窄、速度快、無刀具磨損、易裂解、重復精度高等特點，該方法加工的矩形槽尺寸穩(wěn)定，同時槽寬 W 很小，可控制在 0. 15mm 之內，應力集中系數(shù)大，使得裂解質量進一步提高，而且激光可對裂紋槽缺口根部進行淬火處理，進一步提高缺口根部的應力集中系數(shù)，保證脆性斷裂由于 無刀具磨損，因此，該種方法目前得到了廣泛應用。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 20 頁 在參閱了大量關于脹斷工藝應力槽加工的資料并總結上述各自特點后，本設計中應力槽的加工采用激光開應力槽，所以采用矩形槽。 應力槽參數(shù)的確定：參看很多資料各自的經驗值有所不同，在沒有試驗作為依據(jù)的前提之下，只有采用資料的經驗數(shù)據(jù)并折中，由于矩形槽寬度對脹斷力影響不是很大，所以只要求確定其深度，取 0.5 0.6mm。 4.3.2 設備的選擇與改裝 根據(jù)相關資料介紹，激光加工應力槽的時候都采用 YAG固體激光器，但由于無法得到該設備的先關尺寸參數(shù)，所以在這種情況之下只有利 用其他機床來改裝，在這里我選擇了 Z525立式鉆床的工作臺作為改裝激光器的工作臺。 4.3.3 擬定定位方案 小頭孔、端面和側面定位凸臺作為定為基準，端面限制 Z方向上的移動和 X、 Y方向上的轉動，利用一個圓柱銷來限制 X方向上的移動，一個可調螺釘來限制一個 Z方向上的轉動，一共限制六個自由度。靠一個夾緊螺釘夾緊 (圖 4.2)，詳細情況請查閱圖紙。夾緊在這里為手動夾緊，夾緊力大小暫時無法估計，但看在實際操作中進行估計。由于該夾具采用的是一面兩銷，對該加工影響不是很大，所以定位誤差可以忽略不計。 圖 4.2 激光開應力槽 夾具裝配圖 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 21 頁 4.4 脹斷工裝設計 4.4.1 設備選擇 目前沒有現(xiàn)成的脹斷設備作為參考，那么在這種情況之下，只有采用改裝其他機床來作為該工序的設備，到學校實驗室參觀過后，根據(jù)自己的需要，于是決定采用壓力機，其型號為 YJ32-315AM。 4.4.2擬定定位方案 該方