典型零件(连杆)的工艺及工装毕业设计

摘要

连杆是汽车发动机里面的一种重要零件，一般为锻件。国内市场中，汽车发动机连杆的年需求量大约在5000万左右。

本次设计是连杆的加工工艺及精镗其大头孔的工装夹具。在精镗大头孔时，采用的定位方式是一面两销。因为是大批量生产，夹紧方式采用的是液压自动夹紧。连杆被夹紧后，取出大头孔的定位插销，然后对其进行加工，加工时应保持其精度。

关键字：连杆，需求，生产，定位，精度

ABSTRACT

Linkage is an automotive engine inside an important part, generally forgings. Domestic market, the car engine connecting rod in the annual demand of about 50 million or so.

The design of the connecting rod processing and precision boring big holes in its fixture. Precision Boring bulk of the hole, the position is a two way marketing. Because of mass production, clamping methods make use of automatic hydraulic clamping. Linkage was clamping, removal of the bulk of positioning bolt hole, then its processing, and processing should maintain its accuracy.

Keywords: linkage, demand, production, positioning, accuracy

前言

制造业特别是机械制造业是国民经济的支柱产业，现代制造业正在改变着人们的生产方式、生活方式、经营管理模式乃至社会的组织结构和文化。由于中国潜在的巨大市场和丰富的劳动力资源，世界的制造业正在向中国转移，中国正在成为世界的制造大国。我国在家电等若干产品的产量已居世界第一位。但是在自主知识产权的创新设计、先进制造工艺和装备及现代化管理等方面仍然存在很大差距，所以我们还不是制造强国。

近一个世纪以来，国内外专家和学者对培养制造工艺技术方面的应用型人才持有两种不同的观点：一种是偏重于掌握各种具体的工艺实践知识（典型零件加工方法），即工艺的个性；另一种是偏重于掌握工艺理论，即工艺的共性。因此，制造工艺教材也有两种与之相应模式。我们认为，这两种观点都有其正确的一面，最佳的方案应该是两者的有机结合。

传统的制造技术发展到了一个崭新的阶段。传统制造不断吸取机械、电子、信息、能源及现代管理等技术成果，并将其综合应用于产品整个生命周期，称为“市场----设计----制造----市场”的大的生产制造系统。在生产制造系统中，各个专业学科间不断交叉、融合，其界限逐渐淡化甚至消失。用人单位根据市场要求需要高技能的数控编程技术人员，要成为一名合格的机械加工技术人员必须掌握机械制造工艺，能够指定出合格的工艺规程和合格的数控程序，如何制定合理的加工路线和加工的参数直接影响着零件的加工质量和效率及成本。本次设计就在于通过毕业设计培养学生能够根据机械设备和零件的要求编制合理的加工工艺为以后从事机械加工的技术工作打下坚实的基础。

目录

中文摘要 (Ⅰ)

英文摘要 (Ⅱ)

前言 (Ⅲ)

第1章零件的分析 (1)

绪论 (1)

1.1 连杆的功用 (1)

1.2 连杆的结构特点 (1)

1.3 连杆裂纹主要原因剖析 (2)

1.3.1 技术要求 (2)

1.3.2 热处理工艺参数的影响 (3)

1.3.3 原材料的影响 (4)

1.3.4 连杆断裂剖分工艺 (6)

1.3.5 断裂剖分机理 (6)

1.3.6 断剖装置的设计 (8)

1.3.7 结论 (9)

第2章工艺规程设计 (10)

2.1 毛坯制造形式的确定 (10)

2.2 基面的选择 (10)

2.3 工艺路线的制定 (10)

2.4 机械加工余量、工序尺寸

及毛坯尺寸的确定 (13)

2.4.1 机械加工余量的分析 (13)

2.4.2 工序余量的确定 (13)

2.4.3 切削用量及工时的确定 (14)

第3章夹具的设计 (24)

3.1 夹具的基本概念 (24)

3.1.1 机床夹具的定义和组成 (24)

3.1.2 机床夹具的作用 (24)

3.1.3 工件在夹具中的加工误差 (25)

3.1.4 误差值的估算 (25)

3.2 定位及夹紧 (25)

3.2.1 问题的提出 (25)

3.2.2 工件的定位 (25)

3.2.3 工件的夹紧 (26)

总结 (28)

参考文献 (29)

致谢 (30)

附录A：机械加工工艺过程卡 (31)

附录B：机械加工工序卡 (33)

第一章零件的分析

绪论

连杆的生产属于机械制造工业的一个范畴，而机械制造工业是国民经济中一个十分重要的产业，它为国民经济各部门科学研究、国防建设和人民生活提供各种技术装备，在社会主义建设事业中起着中流砥柱的作用。从农业机械到工业机械，从轻工业机械到重工业机械，从航空航天设备到机车车辆、汽车、船舶等设备，从机械产品到电子电器、仪表产品等，都必须有机械及其制造。

连杆是很多些设备中所不可缺少的，它广泛运用于汽车、压缩机中，其作用是把活塞和曲轴连接起来，使活塞的往复直线运动变为曲轴的回转运动，以输出动力。在设计连杆加工时，要合理选择加工刀具，进给量，切削速度、功率，扭矩提高加工精度，来提连杆加工精度，保证加工质量。因此，我们应该深刻地了解连杆的机械制造工艺过程，从而才能更好地制造出连杆产品。

本设计是为西南地区大中型企业的生产而做，年产量为5万件。

1.1 连杆的功用

连杆是活塞式压缩机运动机构中的一个重要零件。它的大头通过轴瓦与曲柄的曲轴销相连，小头通过衬套，十字头销（或活塞销）与十字头（或活塞销）相连，从而将曲柄的旋转运动变为十字头或活塞的直线往复运动。在其中，连杆在空间作转动与平移合成的平面运动，沿杆身轴线交替地传递很大的拉伸或压缩力，所以它受到的是反复作用的交变应力。

1.2连杆的结构特点

连杆通常由大头，小头及杆身三部分组成。连杆小头为整体结构，内孔压入青铜衬套，以减少小头与活塞销的磨损，同时也便于修理和更换。连杆大头为剖分式结构，内孔装有轴瓦，轴瓦有厚壁和薄壁两种形式，当用厚壁轴瓦时，必须在连杆大头的剖分面上加一组垫片，以补偿轴瓦磨损及调整轴瓦与曲柄销之间的配合间隙；当用薄壁瓦时，因无垫片故连接刚度较高，但薄壁瓦本身的刚度较小，受力后易产生变形，其变形大小

取决于连杆打头孔的加工精度，因此，在使用薄壁瓦时，应提高连杆大头孔的尺寸精度，形状精度和位置精度。

1.3连杆裂纹主要原因剖析

连杆是柴油机、压缩机等的主要零件，所选用的材质为45#钢。在传统制造工艺中，连杆体和盖的制造依赖两种方法：1)连杆体和盖整体锻造→锯切分离→接触面机加工→装配。2)连杆体—盖分别锻造→接触面机加工→装配。采用上述两种工艺，不仅需对连杆体和盖的联接面进行铣削和磨削，并且在该联接面上还要钻铰螺栓定位孔和攻螺纹孔，或者切制端面齿，钻铰定位销孔和钻螺栓孔等，以便将来能使连杆体—盖实现精确合装。为此，需要较多的加工机床，经过十几道工序，耗费大量的加工工时。

针对连杆传统制造工艺中的缺点，为了降低制造费用和工时，提高配合精度，连杆断裂剖分工艺被提出，并首先于80年代中，由Alfling公司在德国申请专利。其后，有关研究不断在美、德获得进展。进入90年代，该工艺在工业发达国家进入实际应用生产阶段。适用的毛坯由最初的粉末锻造连杆，发展到中高碳钢锻造连杆，使用的厂家覆盖了美国三大汽车公司，以及德国奔驰、宝马等著名企业。目前国内应用该技术的厂家是一汽大众发动机厂，引进德国技术装备，适用于每缸五气门新型发动机连杆。

它的工艺流程为：锻造成型—正火—粗加工—调质处理—精加工—组装。

要保证连杆的使用性能，要求它具有较高的强度，较好的耐磨性，足够的塑性、韧性以及相应的抗疲劳性等。多年实践表明，通过调质处理，可以满足以上的要求。因为调质处理可以细化晶粒，获得均匀的具有一定弥散度和综合机械性能的细密球状珠光体—回火索氏体。

然而，连杆在调质过程中，有时产生裂纹，其废品率最多可达12%，裂纹的位置分别在小头部、杆侧面、槽内圆角处。为了保证连杆的质量，下面从热处理工艺的选择、钢的原材料、断裂剖分工艺以及断裂剖分机理等几个方面进行剖析。

1.3.1技术要求

(1)化学成份 C:0.42～0.50%；Si:0.17～0.37%;Mn:0.50～0.80%;P≤0.04%;S≤0.04%；Cr≤0.25%;Ni≤0.25%

(2)机械性能 HB217~~293

(3)金相组织为较均匀的索氏体，允许有少量断续、网状分布的铁素体。

1.3.2热处理工艺参数的影响

在现实生产中，选择连杆的调质工艺如图1所示。

图1 45#钢连杆调质工艺曲线

（1）加热温度

45#钢是低淬透性钢，且由于它的MS点较高，淬火后，组织应力很大。而且，淬火时片状马氏体也占了相当的数量，所以，很容易淬裂。如果热处理不当，极易有裂纹产生。但是，淬火开裂的原因是多种多样的，过热是主要原因之一，所以选择淬火温度很主要。

制定淬火加热规范的主要依据是材料的AC3点温度。我们将《热处理手册》第四分册中各中碳钢的AC3点联成曲线，即AC3线如图2所示。我们又选用了35钢、40钢、45钢、50钢、55钢加热，5～10%盐水淬火做试验，然后用金相法结合硬度值确定相应钢种的AC3温度，见图2。从图2中看出：含碳量从0.45～0.50%范围内出现了一个陡降的低谷，最低点在0.48%C处。此时，AC3约为750～760℃，而0.42%C钢AC3=780℃，所以45#钢含碳量在下限时选用840℃加热淬火，而含碳量在上限时仍选用840℃加热淬火，就容易因过热而产生淬火裂纹。

A线

图2 部分钢的

3c

加热温度过低，奥氏体晶粒均匀化程度不好，而且部分铁素体不能溶解于奥氏体，淬火后得到马氏体加块状铁素体混合组织，硬度不高，机械性能不好，达不到淬火的目的。

由以上分析我们可以看出，同样是45#钢，由于批次不同，其含碳量有差异。所以，同为45#钢的零部件，在淬火前要进行化学成份分析，根据其变化，选择最为适当的加热温度。我们把这种做法称之为连杆淬火工艺的跟踪分析，通过采用这种方法，使连杆的裂纹大大减少。

（2）保温时间

淬火是为了得到均匀一致的组织和所要求的机械性能，除了严格控制加热温度外，正确地确定保温时间也是一个极为重要的问题，它取决于工件的大小、形状、钢的化学成份，原始组织及装炉情况等，但保温时间的选择应能保证组织转变的完成并能使奥氏体成份均匀。因此，保温时间要足够长，保温时间过短，奥氏体晶粒均匀化程度不好，影响淬火质量。不过，保温时间又不能过长，否则，零件表面氧化脱碳程度加大，同样影响了淬火质量。实际生产中，连杆保温时间我们选择为60～90min。

（3）冷却速度

热处理工序有两个重要的组成环节，即加热与冷却。工件冷却时所采用的冷却介质及冷却方式对热处理后的工件质量起着重要作用。许多热处理缺陷如：变形、开裂、硬度不足等，往往因冷却介质和冷却方式选择不当所致。因此，冷却介质的选择也是连杆产生裂纹的重要因素。

由于加热至奥氏体状态的工件必须在冷速大于临界淬火速度情况下，才能得到预期马氏体组织，即希望在C曲线鼻子附近的冷速越大越好。但在MS点以下，为了减少因马氏体形成而造成组织应力，又希望冷却小些，图3为几个淬火介质的淬火冷却曲线，其中A为理想淬火冷却曲线，它既能保持工件淬火，又不致于引起太大的变形，能减少淬火裂纹的产生。

图3几种介质淬火冷却曲线

A为理想淬火介质冷却曲线；B为水的淬火冷却曲线；C为油的淬火冷却曲线

在连杆调质处理中我们选用的是40℃，5～10%的盐水溶液，这种淬火介质，在鼻子附近的冷却速度较大，完全满足理想要求。但在低温200～300℃之间的冷速大些(大于理想要求)，由于实际生产的一些原因，没有改变。在此，建议用114淬火剂为宜。

1.3.3原材料的影响

为了分析原材料的影响，我们首先回顾一下淬透性的内容，所谓钢的淬透性，是钢经过加热奥氏体化后，接受淬火的能力，它表示钢淬火后从表面到心部的硬度分布情况，钢的淬透性是钢本身所固有的属性，它与钢的化学成份、原始组织、晶粒度以及零件的尺寸等有关，但主要与钢的化学成份有关。

钢的淬透性已成为选用钢材及生产上制订工艺规程的主要依据之一，这是因为钢淬火时

完全淬透，则沿其截面的性能将是一致的，如果淬火时不能完全淬透则自表面向中心的性能就会不同，但是钢的淬透性愈大，转变为马氏体的体积变化也愈大，即在淬火时工件发生的变形及应力也愈大。当淬火应力超过其断裂极限时，就会产生裂纹。

（1）化学成份的影响

我们生产的L195柴油机连杆的材质为45#钢、45#钢属优质碳素结构钢，实际生产中，化学成份超标现象也偶有发生，其中起主要作用的元素有Si.Mn.P.S.Cr.Ni。合金元素基本上不影响马氏体的硬度，对于强度的影响也不大，合金元素对马氏体的主要作用是明显地提高马氏体的塑性。实践表明，碳钢马氏体中碳的分布是不均匀的，这会引起应力的不均匀分布，从而降低塑性，加入合金元素以后，可以使马氏体中的碳分布均匀化，因此，改善塑性。但大多数合金元素(Cr.Mn.Si)只是在含量不超过一定的极限时，才增加马氏体的塑性，超过极限后，将降低马氏体的均匀性，使塑性和断裂强度降低［1］，所以我们既希望钢中有合金元素，但又不可过多。

Si.Mn.Cr.Ni都能增加钢的淬透性，对淬透性的作用依次为：Mn.Cr.Si.Ni。不过，越提高钢的淬透性，钢的淬裂危险性越大，并且，当合金元素含量超过一定量时，则会降低钢的淬透性。S.P是钢中有害杂质，钢中含有这两种元素要尽可能降低。

（2）显微组织的影响

这里主要探讨钢的晶粒度、魏氏组织及带状组织的影响。

从马氏体形成原理看出，显微裂纹主要是在粗大的马氏体中形成的，而当马氏体非常细小时，则很少出现显微裂纹，细小奥氏体晶粒可减少钢的显微裂纹。在奥氏体比较均匀的情况下，初期形成的马氏体片的长度和奥氏体的晶粒大小有关，粗大的奥氏体晶粒形成粗大马氏体，易促成显微裂纹形成。

生产中，我们要求连杆在调质处理之前的预备处理为正火，这样做的目的是在调质处理前获得比较均匀、细小的原始组织，减少甚至避免显微裂纹的产生。

在亚共析钢中分布特殊而呈片状的铁素体称为魏氏组织，魏氏组织及与其伴生的粗晶组织会使钢的机械性能，尤其是塑性和冲击韧性显著降低，所以我们要求魏氏组织不大于2级。

另外，钢中显微缺陷—带状组织、非金属夹杂物的存在是淬火裂纹的根源，所以生产中连杆调质之前，不希望存在这些缺陷。

（3）宏观缺陷的影响

工艺要求连杆纵剖面的宏观组织中，纤维方向应沿着连杆中心线并与外形相符，不得有紊乱及间断，但实际生产中，有许多连杆从杆侧面形成横向裂纹，出现这种裂纹的连杆其落刺量很大。正常正火、淬火后，落刺部位的纤维流向出现的紊乱、间断不能消