柴油机连杆的工艺设计

第1章柴油机连杆分析

1.1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<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。

1.2零件的工艺分析

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：

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0.030.05 气缸气体的压缩比

两孔轴线在同一个平面在柴油机连杆轴线平面：

0.03，在垂直柴油机连

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）在两个在45方向上的平保证正常承载和轴颈与

的位置精度行度：0.020.04，对结合

轴瓦的良好配合

面的垂直度：0.015

第2章机械加工工艺规程设计

2.1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3.1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0.5%，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。

2.2柴油机连杆的材料选择与毛坯的制造方法

2.2.1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0.7%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。

2.2.2 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?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

2.2.3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，围窄，纯度高。

2.3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0.65%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 4 37

大头孔上下端面 2 37 小头孔14 39

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。

2.4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