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機械原理 基于局部平均分解的階次跟蹤分析及其在齒輪故障診斷中的應(yīng)用 Junsheng Cheng, Kang Zhang, Yu Yang 關(guān)鍵詞： 階次跟蹤分析 局部平均分解 解調(diào) 齒輪 故障診斷 摘要： 局部平均分解(LMD)是一種新的自適應(yīng)時頻分析方法,這種方法特別適合處理多分量的調(diào)幅信號和調(diào)頻(AM-FM)信號。通過使用LMD方法,可以將任何復(fù)雜的信號分解為一系列的產(chǎn)品功能PF分量(PFs),每個PF分量都是純調(diào)頻信號和包絡(luò)信號的乘積，且通過純調(diào)頻信號可以獲得具有物理意義的瞬時頻率。從理論上講,每個PF分量都是一個單分量的AM-FM信號。 因此,可以將LMD的過程看作是信號解調(diào)的過程。齒輪發(fā)生故障時,振動信號呈現(xiàn)明顯的AM-FM特征。因此，針對齒輪升降速過程中故障振動信號為多分量的調(diào)制信號，以及故障特征頻率隨轉(zhuǎn)速變化的特點，提出了一種基于LMD和階次跟蹤分析的齒輪故障診斷方法。齒輪箱的故障診斷實驗表明本文提出的方法能有效地提出齒輪故障診斷特征。 1 引言 齒輪傳動是機械設(shè)備中常見的傳動方式, 故對齒輪進行故障診斷具有重要意義。 齒輪故障診斷的關(guān)鍵一步是故障特征的提取。一方面，傳統(tǒng)的齒輪故障診斷方法的重點在一個固定的旋轉(zhuǎn)速度檢測振動信號的頻譜分析。 而齒輪作為一種旋轉(zhuǎn)部件, 其升降速過程的振動信號往往包含了豐富的狀態(tài)信息, 一些在平穩(wěn)運行時不易反映的故障特征在升降速過程中可能會充分地表現(xiàn)出來[1],此外，來自齒輪振動信號的暫態(tài)過程中，速度依賴性總是顯示非平穩(wěn)特征。如果頻譜分析直接應(yīng)用于非平穩(wěn)振動信號，混頻將不可避免的發(fā)生，這將對故障特征提取帶來不良影響。在以往的研究中，為了跟蹤技術(shù)，通常利用振動信號中添加旋轉(zhuǎn)機械軸轉(zhuǎn)速信息，已經(jīng)成為一個在旋轉(zhuǎn)機械故障診斷[2,3]的重要途徑。從本質(zhì)上講，階次跟蹤分析技術(shù)可以在時域非平穩(wěn)信號轉(zhuǎn)換成角域靜止，可以突出的旋轉(zhuǎn)速度相關(guān)的振動信息和抑制無關(guān)的信息。因此，階次跟蹤分析是在助跑過程中齒輪的故障特征提取和運行了一個可取的方法 另一方面，當(dāng)發(fā)生故障的齒輪振動信號，拿起在運行和運行過程中始終存在的振幅特性調(diào)制和頻率調(diào)制（AM–FM）。為了提取齒輪故障振動信號的調(diào)制特征，解調(diào)分析是最流行的方法之一[ 4,5 ]。然而，傳統(tǒng)的解調(diào)方法，如希爾伯特變換解調(diào)和傳統(tǒng)包絡(luò)分析有其自身的局限性[ 6 ]。這些缺點包括兩個方面：（1）在實踐中大多數(shù)的齒輪故障振動信號都是多組分是–調(diào)頻信號。這些信號，在傳統(tǒng)的解調(diào)方法，他們通常是通過帶通濾波器分解成單組分是–調(diào)頻信號的解調(diào)，然后提取的頻率和振幅信息。然而，這兩個數(shù)載波頻率的載波頻率成分和幅值都難以在實踐中被確定，所以帶通濾波器的中心頻率的選擇具有主體性，將解調(diào)誤差和使它提取機械故障振動信號的特征是無效的；（2）由于希爾伯特不可避免的窗口效應(yīng)變換，當(dāng)使用希爾伯特變換提取調(diào)制信息，目前的非瞬時響應(yīng)特性，即，在調(diào)制信號被解調(diào)以及打破中間部分的兩端會再次產(chǎn)生調(diào)制，使振幅指數(shù)衰減的方式得到的波動，然后解調(diào)誤差將增加[ 7 ]。為了克服第一個缺點，一個合適的分解方法應(yīng)尋找獨立的多分量信號為多個單組分是–調(diào)頻信號的包絡(luò)分析之前。由于EMD（經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解）自適應(yīng)復(fù)雜多分量信號分解為一系列固有模態(tài)函數(shù)（IMF）的瞬時頻率的物理意義[ 8,9 ]，基于EMD的階比跟蹤方法已廣泛應(yīng)用于齒輪故障診斷[ 13 ]。然而，仍然存在許多不足之處[ 14 ]，如在EMD的端點效應(yīng)和模態(tài)混 [ 15 ]，仍在進行。此外，對原信號通過EMD分解，產(chǎn)生了由希爾伯特變換（上面提到的）缺點是不可避免的在IMF進行希爾伯特變換的包絡(luò)分析。此外，有時無法解釋的負瞬態(tài)頻率時會出現(xiàn)瞬時頻率計算每個IMF進行希爾伯特變換[ 16 ] 局部均值分解（LMD）是一種新型的解調(diào)分析方法，特別適合于處理多組分的幅度調(diào)制和頻率調(diào)制（AM–調(diào)頻）信號[ 16 ]。用LMD，任何復(fù)雜的信號可以分解成許多產(chǎn)品功能（PFS），每一種產(chǎn)品的包絡(luò)線信號（獲得直接由分解）的PF瞬時振幅可以得到一個純粹的頻率調(diào)制信號從一個良好定義的瞬時頻率可以計算。在本質(zhì)上，每個PF正是一種單組分我–調(diào)頻信號。因此，LMD的程序可以，事實上，作為解調(diào)過程。調(diào)制信息可以通過頻譜分析的瞬時振幅（包絡(luò)信號，直接獲得通過分解）每個PF分量進行希爾伯特變換，而不是由PF分量。因此，當(dāng)LMD和EMD方法分別應(yīng)用到解調(diào)分析，與EMD，LMD的突出優(yōu)點是避免希爾伯特變換。此外，LMD迭代過程中所采用的手段和當(dāng)?shù)氐姆炔黄交牡胤接肊MD的三次樣條的方法，這可能帶來的包絡(luò)的誤差和影響的精度瞬時頻率和振幅。此外，與EMD端點效應(yīng)相比并不明顯，因為在LMD方法更快的速度和算法的迭代次數(shù)更少[ 17 ]。 基于以上分析，階次跟蹤和解調(diào)技術(shù)，LMD最近的發(fā)展，科學(xué)相結(jié)合，并應(yīng)用于齒輪故障診斷過程中各軸速度。首先，訂單跟蹤技術(shù)被用于將從時間域的齒輪振動信號角域。其次，分解角域重采樣信號的PF系列LMD，因此組件和相應(yīng)的瞬時振幅和瞬時頻率可以得到的。最后，進行頻譜分析的故障信息含有顯性PF分量的瞬時幅值。從實驗的振動信號，表明該方法能有效地提取故障特征和分類準(zhǔn)確齒輪工作狀態(tài)的分析結(jié)果。 本文的組織如下。第2節(jié)是一個給定的LMD方法理論。在第3節(jié)中的齒輪故障診斷方法中，以技術(shù)和LMD跟蹤相結(jié)合的提出和實踐應(yīng)用表明，提出的方法。此外，LMD和基于EMD的比較也在第3節(jié)提到了基礎(chǔ)的方法。最后，我們得出了第4部分的結(jié)論。 2 LMD 方法 LMD方法的本質(zhì)是通過迭代從原始信號中分離出純調(diào)頻信號和包絡(luò)信號,然后將純調(diào)頻信號和包絡(luò)信號相乘便可以得到一個瞬時頻率具有物理意義的PF分量,循環(huán)處理直至所有的PF分量分離出來對任意信號x(t),其分解過程如[16]: ( 1) 確定原始信號第i個局部極值及其對應(yīng)的時刻,計算相鄰兩個局部極值和的平均值 (1) 將所有平均值點mi在其對應(yīng)的時間段[,]內(nèi)伸一線段,然后用滑動平均法進行0平滑處理,得到局均值m11(t) 。 ( 2) 采用局部極值點計算局部幅值 : =| -|/2 (2) 將所有局部幅值點ai在其對應(yīng)的時間段[,]內(nèi)伸成一條線段,然后采用滑動平均法進行平滑處理,得到包估計函數(shù)a11(t) 。 ( 3) 將局部均值函數(shù)m11(t)從原始信號x(t)中分離來, 即去掉一個低頻成分,得到 h11(t)=x(t)-m11(t) (3) ( 4)用h11(t)除以包絡(luò)估計函數(shù)A11( t)以對h11(t)進行解調(diào),得到 s11(t)=h11(t)/A11(t) (4) 對s11( t)重復(fù)上述步驟便能得到s11(t)的包絡(luò)估計函數(shù)A12(t),若A12(t)不等于1,則s11( t)不是一個純調(diào)頻信號需要重復(fù)上述迭代過程n次,直至s1n(t)為一個純調(diào)頻信號,即 s1n(t)的包絡(luò)估計函數(shù) A1(n+1)(t)=1,所以,有 (5) (6) 為理論上, 迭代終止的條件 (7) 在實踐中,一種變體δ會提前確定。如果1?δ≤a1(n + 1)(t)≤1 +δand?1≤s1n(t)≤1,然后迭代過程將停止 ( 5) 把迭代過程中產(chǎn)生的所有包絡(luò)估計函數(shù)相乘便可以得到包絡(luò)信號( 瞬時幅值函數(shù)) : （8） ( 6) 將包絡(luò)信號A1(t)和純調(diào)頻信號s1n(t)相乘便可以得到原始信號的第一個PF分量: PF1(t）=a1(t)s1n(t) ( 9) PF1(t)包含了原始信號中頻率值最高的成分,是一個單分量的調(diào)幅-調(diào)頻信號,PF1(t)的瞬時幅值就是包絡(luò)信號A1(t),PF1(t)的瞬時頻率f1(t)則可由純調(diào)頻信號s1n(t)求出,即: (10) ( 7)將第一個PF分量PF1(t)從原始信號x(t)中分離出來, 得到一個新的信號u1(t),將u1( t)作為原始數(shù)據(jù)重復(fù)以上步驟,循環(huán)k次,直到 uk為一個單調(diào)函數(shù)為止,即: (11) 原始信號x(t)能夠被所有的PF分量和uk重構(gòu),即: (12) 產(chǎn)品功能p的數(shù)量在哪里.此外,相應(yīng)的完整的時頻分布可以通過組裝瞬時幅度和瞬時頻率的PF組件。 3 基于階次跟蹤分析與 L M D 的齒輪故障診斷 3.1 階次跟蹤分析 階次跟蹤分析首先根據(jù)參考軸的轉(zhuǎn)速信息對時域信號進行等角度重采樣, 將時域非平穩(wěn)信號轉(zhuǎn)換為角域平穩(wěn)信號, 再對角域平穩(wěn)信號進行譜分析得到階次譜。階次跟蹤分析能夠提取信號中與參考軸轉(zhuǎn)速有關(guān)的信息, 同時抑制與轉(zhuǎn)速無關(guān)的信號, 因此非常適合分析旋轉(zhuǎn)機械在變轉(zhuǎn)速過程下的振動信號。實現(xiàn)階次跟蹤分析技術(shù)的關(guān)鍵在于, 如何實現(xiàn)被分析信號相對于參考軸的等角度重采樣, 即階次重采樣。常用的階次重采樣方法有硬件階次跟蹤法[ 6]、計算階次跟蹤法[ 7]和基于瞬時頻率估計的階次跟蹤法[ 8]等。硬件階次跟蹤法直接通過專用的模擬設(shè)備實現(xiàn)信號的等角度重采樣,實時性好,但只適用于軸轉(zhuǎn)速較穩(wěn)定的情況,且成本很高;基于瞬時頻率估計的階次跟蹤法不需要專門的硬件設(shè)備,無需考慮硬件安裝問題,且成本較低, 但是不適用于分析多分量信號,而實際工程信號大多為多分量信號, 因此其實際應(yīng)用意義不大;COT法通過軟件的形式實現(xiàn)等角度重采樣,分析精度高, 對被分析的信號沒有特別的要求,并且無需特定的硬件, 因此是一種應(yīng)用廣泛的階次跟蹤分析方法。 根據(jù)試驗條件采用COT法實現(xiàn)信號的階次重采樣,其具體步驟如下: 1. 對振動信號和轉(zhuǎn)速信號分兩路同時進行等時間間隔(間隔為$t)采樣,得到異步采樣信號; 2. 通過轉(zhuǎn)速信號計算等角度增量 $H 所對應(yīng)的時間序列ti ; 3. 根據(jù)時間序列ti的值,對振動信號進行插值,求出其對應(yīng)的幅值,得到振動信號的同步采樣信號,即角域平穩(wěn)信號; 4.使用LMD分解平衡角重采樣信號,因此sPF系列組件和相應(yīng)的瞬間振幅和瞬時頻率可以獲得 5.光譜分析應(yīng)用于每個PF的瞬時振幅組件,然后我們有訂單譜 3.2 齒輪故障診斷實例 升降速過程中的齒輪故障振動信號通常是多分量的調(diào)幅-調(diào)頻信號,并且故障特征頻率會隨著轉(zhuǎn)速的變化而改變。針對升降速過程齒輪故障振動信號的這些特點, 提出了基于階次跟蹤分析和 LM D 的齒輪故障診斷方法。首先采用階次跟蹤分析將齒輪升降速過程的時域振動信號轉(zhuǎn)換成角域平穩(wěn)信號;然后對角域信號進行LMD分解,得到一系列PF分量,以及各個PF分量的瞬時幅值和瞬時頻率; 最后對各個PF分量的瞬時幅值進行頻譜分析,便可以有效地提取出齒輪故障特征。為了驗證方法的正確性,在旋轉(zhuǎn)機械試驗臺上進行了齒輪正常和齒根裂紋兩種工況的試驗。該系統(tǒng)中, 電機輸入軸齒輪齒數(shù)z1=55, 輸出軸齒輪齒數(shù)z2 = 75。在輸入軸齒輪齒根上加工出小槽,以模擬齒根紋故 障, 因此齒輪嚙合階次xm=55,故障特征階次xc=1。圖1和圖2所示分別為由轉(zhuǎn)速傳感器測得的輸入軸瞬時轉(zhuǎn)速n(t),以及由振動傳感器測得的齒輪故障 振動加速度a(t),其中采樣頻率為8192H z,采樣時間為20s從圖1可以看出,輸入軸轉(zhuǎn)速首先從150r/min逐漸加速至1410r/min, 然后再減速到820r/min,而加速度信號的幅值也隨著作出了相應(yīng)的變化。不失一般性,截取圖2中5~ 7s升速過程的信號 a1(t)進行分析。 圖 1 輸 入軸的瞬時轉(zhuǎn)速 n ( t ) 圖 2 齒輪故障振動加速度信號 a( t ) 值在秩序O=55和O=110相應(yīng)的齒輪嚙合秩序和雙。因此這意味著頻率混淆現(xiàn)象已經(jīng)在很大程度上消除。然而,為j1(θ)仍然是一個多個組件MA-MF信號。因此,一邊頻帶反映故障特征頻率模糊。有效地提取故障特征,應(yīng)用LMD j - 1(θ),因此七PF組件和殘渣可以得到圖6所示,這意味著LMD解調(diào)的進展。因此,它是可以提取齒輪故障特性,利用頻譜分析的瞬時振幅PF組件包含主要故障信息。通過分析,我們知道失敗的主要信息包括在第一個PF組件。因此,無花果。7和8給瞬時振幅a1(θ)的第一個PF組件PF 1(θ)和相應(yīng)的秩序光譜的a1(θ),很明顯,有不同的光譜峰值在第一順序(O = 1)對應(yīng)齒輪階次跟蹤功能,符合齒輪的實際工況。 圖9和圖10顯示轉(zhuǎn)速信號的n(t)和振動加速度信號的時域波形s(t)齒輪分別與破碎的牙齒,采樣率為8192 Hz和總樣品時間是20年代。斷齒故障引入輸入軸上的齒輪與激光切割槽的牙根。首先,一段信號s1(t)5 s-7年代為進一步分析的進步是攔截;其次,假設(shè)樣本點每旋轉(zhuǎn)400;第三,角域信號為j1(θ)圖11所示可以通過執(zhí)行命令重采樣s1(t);第四,LMD適用于j-1(θ);最后,相應(yīng)的秩序頻譜圖12所示的瞬時振幅首先PF組件PF 1(θ)可以了,很明顯,有不同的光譜峰值(比在圖8)在第一順序(O = 1)階次跟蹤分析對應(yīng)于齒輪故障功能,符合齒輪的實際工況。 同樣的,我們同樣可以做正常的齒輪。轉(zhuǎn)速信號n(t)和振動的時域波形加速度信號s(t)的正常齒輪分別列在無花果。13和14,采樣率為8192 Hz和總樣品時間是20多歲。在上述相同的方法應(yīng)用于原始信號圖14所示,結(jié)果無花果所示。15和16。圖15顯示了角域j - 1(θ)執(zhí)行順序重采樣后的信號部分(5s-7年代在籌備進展)的原始信號。圖16顯示了相應(yīng)的瞬時振幅譜第一個PF組件,很難找到齒輪故障特征,也符合實際的工作狀態(tài)的裝備。 目前,多組分的另一個競爭解調(diào)方法AM-FM信號,即經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?EMD)存在,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于信號解調(diào)分析(7、22)。為了比較兩個EMD方法,取代LMD,我們能做的同樣使用EMD進行重采樣信號無花果所示。圖4、11和15 圖 3 齒輪故障振動加速度信號的頻譜 圖 4 階次重采樣后的齒輪故障振動 加速度信號 圖5 j1(θ)的階次譜 分別,因此可以獲得一系列國際貨幣基金組織(IMF)組件。此外,相應(yīng)的瞬時振幅和國際貨幣基金組織每個組件的瞬時頻率可以通過希爾伯特變換計算。通過分析,我們知道,IMF主要特征信息包含在第一個組件。因此,只有應(yīng)用于瞬時頻譜分析第一個國際貨幣基金組織(IMF)組件的振幅。無花果。17日至19日給訂單頻譜對應(yīng)三種振動信號的破解斷層、斷齒故障和正常的齒輪,分別,很明顯,訂單跟蹤分析基于EMD也可以提取齒輪故障特性,確定齒輪的工作狀態(tài)。盡管EMD和LMD都可以分解原始信號實際上,兩種方法之間的差異仍然存在。EMD方法比較,如第一節(jié)中所述,LMD有更多迭代次數(shù)少等優(yōu)點,不明顯的效果和更少的瞬時頻率的虛假成分,可以使用更多的應(yīng)用在實踐中。 圖 6 角域信號j1( θ )的LMD分解結(jié)果 圖 7 PF1(θ)的瞬時幅值A(chǔ)1(θ) 圖 8 第1個PF分量的幅值譜 圖 9 輸入軸的瞬時轉(zhuǎn)速 n(t) 圖 1 0 正常齒輪的振動加速度信號 a(t) 圖11 階次重采樣后的正常齒輪振動加速度信號j1(θ） 圖 12 第一個PF分量的幅值譜 圖13 輸入軸轉(zhuǎn)速r(t)正常齒輪前和過程中 圖圖14 齒輪的振動加速度信號(t)在正常狀態(tài) 圖15 相應(yīng)的振動加速度信號為j1(θ)角域通過應(yīng)用順序重采樣tos(t)圖14所示。 圖17 第一個IMF分量的幅值譜 圖 18 第一個IMF分量的幅值譜 3 結(jié)論 在齒輪故障診斷技術(shù)、階次跟蹤是一個著名的技術(shù),可用于故障檢測的旋轉(zhuǎn)機器采用振動信號。針對齒輪故障振動信號的調(diào)制特點在助跑和破敗的和缺點在齒輪經(jīng)?？梢园l(fā)相關(guān)軸轉(zhuǎn)速在瞬態(tài)過程中,階次跟蹤和技術(shù)LMD相結(jié)合用于齒輪故障診斷。從理論分析和實驗結(jié)果以下幾點得出結(jié)論: ( 1) 在分析齒輪變轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的振動信號時,轉(zhuǎn)速波動會引起頻譜圖出現(xiàn)頻率混疊, 而階次跟蹤分析通過對信號進行階次重采樣能夠在很大程度上消除頻率混疊, 使頻譜圖的譜線清晰可讀。 ( 2) 齒輪故障時的振動信號為一多分量的調(diào)幅- 調(diào)頻信號, 采用LMD方法能將其分解為若干個PF分量之和,同得到各個PF分量的瞬時幅值和瞬時頻率, 實現(xiàn)了原信號的解調(diào)。對含有齒輪故障特征的PF分量的瞬時幅值進行頻譜分析, 能夠準(zhǔn)確地提取出齒輪故障特征信息。 圖19 階次的第一個國際貨幣基金組織(IMF)組件的正常使用EMD齒輪 ( 3) 對齒輪正常和齒根裂紋兩種工況的振動信號進行了分析,分析結(jié)果表明, 本文方法能夠準(zhǔn)確地反映出齒輪的實際工況。 References [1] S.K. 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Batista, On the HHT, its problems, and some solutions, Mechanical Systems and Signal Processing 22 (6) (2008) 1374–1394. 廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 題目名稱 連桿加工工藝設(shè)計 系 部 機電及信息工程學(xué)部 專業(yè)班級 機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè) 11級第4班 姓 名 彭文杰 學(xué) 號 12011104030 一、 畢業(yè)設(shè)計（論文）的內(nèi)容 本課題對連桿進行加工工藝設(shè)計 可對連桿進行工藝過程設(shè)計、連桿結(jié)構(gòu)工藝性分析、工序尺寸確定及計算、工藝過程設(shè)計分析、工藝的關(guān)鍵點及其解決方法的分析等。 二、畢業(yè)設(shè)計（論文）的要求與數(shù)據(jù) 完成連桿加工工藝過程卡片設(shè)計、設(shè)計說明書的撰寫。 設(shè)計說明書：字數(shù)及說明書寫作要求符合學(xué)校相關(guān)規(guī)定。 設(shè)計后交付的紙質(zhì)、子文檔及其他文件數(shù)量符合學(xué)校相關(guān)規(guī)定。 三、畢業(yè)設(shè)計（論文）應(yīng)完成的工作 本課題要求完成： 1. 編制連桿加工工藝過程卡片 2、重要工序尺寸計算。 3、連桿零件結(jié)構(gòu)工藝性分析 4. 設(shè)計說明書 序號 設(shè)計（論文）各階段內(nèi)容 地點 起止日期 1 完成設(shè)計開題 學(xué)校 第1周-第2周 2． 完成調(diào)研、方案設(shè)計 各設(shè) 計點 第3周 3 教師對論文檢查、指導(dǎo) 如果某學(xué)生感到很難入手，請主動與輔導(dǎo)老師聯(lián)系， 網(wǎng)上進行 第4周 4 完成各部結(jié)構(gòu)設(shè)計、裝配圖設(shè)計、零件圖及其他技術(shù)資料。 各設(shè) 計點 第4周—第7周 5 期中檢查 學(xué)校 第7周 6 完成論文撰寫 出圖 各設(shè) 計點 第8周—第9周 7 交畢業(yè)設(shè)計 學(xué)校 第9周 8 檢查、評閱、修改畢業(yè)設(shè)計 學(xué)校 第9周—第10周 9 畢業(yè)答辯（含準(zhǔn)備）（2周） 學(xué)校 第11周—第12周 四、畢業(yè)設(shè)計（論文）進程安排 五、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻 1.楊可楨、程光薀 主編《機械設(shè)計基礎(chǔ)》 高等教育出版社2013年5月重印 2.模具制造工藝學(xué) 郭鐵良主編 高等教育出版社 2008年12月 3.模具制造工藝學(xué) 騰宏春主編 大連理工大學(xué)出版社 2007年6月 4.數(shù)控編程與加工技術(shù) 張麗華 馬立克主編 大連理工大學(xué)出版社 2007年7月第2版。 5.數(shù)控加工工藝及編程 劉萬菊主編 機械工業(yè)出版社 2007年7月 6. 數(shù)控加工工藝課程設(shè)計指導(dǎo)書 趙長旭主編 西安電子科技大學(xué)出 版社 2007年7月 7.宋建麗 主編 《模具制造技術(shù)》 機械工業(yè)出版社 2012年9月第1版 8.胡石玉 主編 《模具制造技術(shù)》 東南大學(xué)出版社 2003年9月31版 發(fā)出任務(wù)書日期： 2015 年 3 月 22 日 指導(dǎo)教師簽名： 預(yù)計完成日期： 2015年 5 月 28 日 專業(yè)負責(zé)人簽章： 系部主任簽章： XX 學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(論文) 連桿加工工藝設(shè)計 所在學(xué)院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)老師 年 月 日 摘 要 本文是對連桿零件加工應(yīng)用及加工的工藝性分析，主要包括對零件圖的分析、毛坯的選擇、零件的裝夾、工藝路線的制訂、刀具的選擇、切削用量的確定、加工工藝文件的填寫。選擇正確的加工方法，設(shè)計合理的加工工藝過程。 關(guān)鍵詞：連桿，加工工藝，加工方法，工藝文件 27 Abstract This paper is the analysis of technology of automobile connecting parts processing application and processing, mainly including the parts diagram analysis, the choice of blank, parts of the clamping, the craft route formulation, tool selection, the determination of cutting conditions, process documents. Choose the correct methods for processing, processing process design reasonable. In addition, processing of two processes of automobile connecting rod parts of the design of the fixture. Key Words: connecting rod, processing technology, processing method, process documents, fixture 目 錄 摘 要 II Abstract III 目 錄 IV 第1章 緒論 5 1.1 機械加工工藝概述 5 1.2機械加工工藝流程 5 第2章 連桿分析 6 2.1 連桿零件的作用 6 2.2零件的工藝分析 7 第3章　機械加工工藝規(guī)程設(shè)計 9 3.1 生產(chǎn)綱領(lǐng)的確定 9 3.2 連桿的材料選擇與毛坯的制造方法 10 3.2.1 連桿的材料選擇 10 3.2.2 45鋼的成分和力學(xué)性能 11 3.2.3 毛坯的制造方法 11 3.3 機械加工余量，工序尺寸及毛坯尺寸確定 12 3.4 指定工序定位基準(zhǔn)的選擇 13 3.5 加工工藝階段的劃分和加工順序的安排 14 3.6 連桿加工工藝過程的擬定 14 3.7 連桿加工工藝設(shè)計應(yīng)考慮的問題 15 3.7.1　工序安排 15 3.7.2　定位基準(zhǔn) 15 3.7.3　夾具使用 15 3.8 切削用量的選擇原則 15 3.8.1 粗加工時切削用量的選擇原則 15 3.8.2 精加工時切削用量的選擇原則 16 3.9 工時定額的計算 17 總 結(jié) 25 參考文獻 26 致謝 27 第1章 緒論 1.1 機械加工工藝概述 機械加工工藝就是在流程的基礎(chǔ)上，改變生產(chǎn)對象的形狀、尺寸、相對位置和性質(zhì)等，使其成為成品 或半成品，是每個步驟，每個流程的詳細說明，比如，上面說的，粗加工可能包括毛坯制造，打磨等等，精加工可能分為車，鉗工，銑床，等等，每個步驟就要有詳 細的數(shù)據(jù)了，比如粗糙度要達到多少，公差要達到多少。 技術(shù)人員根據(jù)產(chǎn)品數(shù)量、設(shè)備條件和工人素質(zhì)等情況，確定采用的工藝過程，并將有關(guān)內(nèi)容寫成工藝文件，這種文件就稱工藝規(guī)程。這個就比較有針對性了。每個廠都可能不太一樣，因為實際情況都不一樣。 總的來說，工藝流程是綱領(lǐng)，加工工藝是每個步驟的詳細參數(shù)，工藝規(guī)程是某個廠根據(jù)實際情況編寫的特定的加工工藝。 1.2機械加工工藝流程 制訂工藝規(guī)程的步驟 1) 計算年生產(chǎn)綱領(lǐng)，確定生產(chǎn)類型。 2) 分析零件圖及產(chǎn)品裝配圖，對零件進行工藝分析。 3) 選擇毛坯。 4) 擬訂工藝路線。 5) 確定各工序的加工余量，計算工序尺寸及公差。 6) 確定各工序所用的設(shè)備及刀具、夾具、量具和輔助工具。 7) 確定切削用量及工時定額。 8) 確定各主要工序的技術(shù)要求及檢驗方法。 9) 填寫工藝文件。 在制訂工藝規(guī)程的過程中，往往要對前面已初步確定的內(nèi)容進行調(diào)整，以提高經(jīng)濟效益。在執(zhí)行工藝規(guī)程過程中，可能會出現(xiàn)前所未料的情況，如生產(chǎn)條件的變化，新技術(shù)、新工藝的引進，新材料、先進設(shè)備的應(yīng)用等，都要求及時對工藝規(guī)程進行修訂和完善。 第2章 連桿分析 2.1 連桿零件的作用 圖2-1 連桿實物圖 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(yīng)在工作中承受的急劇變化的動載荷。 其形狀也比較復(fù)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(chǎn)生變形。 連桿是將活塞上下的直線運動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)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(zhì)量要求。 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(yīng)對稱面之間的偏移≤0.6，桿身橫向?qū)ΨQ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。 2.2零件的工藝分析 由零件圖可知。 可將其分為三組加工表面。它們相互間有一定的位置要求?，F(xiàn)分析如下： 首先連桿的加工表面如下： （1）以端面互為基準(zhǔn)加工的兩端面，尺寸為，以其中一加工端面為基準(zhǔn)的小頭孔Φ36，大頭孔Φ70。 （2）以小頭孔為中心的加工有：銑連桿體卡挖槽，加工側(cè)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，加工螺栓孔，和連桿蓋上螺釘光孔。 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(shù)參數(shù)如下表： 表2.1 技術(shù)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(nèi) 在連桿軸線平面內(nèi)：≤0.03 在垂直連桿軸線平面內(nèi)：≤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：0.02~0.04 對結(jié)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(nèi)的重量差 ±30g 保證運轉(zhuǎn)平穩(wěn) 第3章　機械加工工藝規(guī)程設(shè)計 3.1 生產(chǎn)綱領(lǐng)的確定 生產(chǎn)綱領(lǐng)的大小對生產(chǎn)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(chǎn)綱領(lǐng)計算:N=Qn（1+α%）（1+β%） 式中 N──零件的年生產(chǎn)綱領(lǐng)（件/年）; Q──產(chǎn)品的年產(chǎn)量（臺/年）; n──每臺產(chǎn)品中,該零件的數(shù)量(件/臺); α%──備品率; β%──廢品率。 根據(jù)教材中生產(chǎn)綱領(lǐng)與生產(chǎn)類型及產(chǎn)品大小和復(fù)雜程度的關(guān)系，確定其生產(chǎn)類型。假設(shè)某連桿零件。該連桿用于6105柴油機，年產(chǎn)量為5000臺。設(shè)其備品率為10%，機械加工廢品率選擇為0.5%，每臺產(chǎn)品中該零件的數(shù)量為1件 N=Qn（1+α%）（1+β%） =5000×1（1+10%）（1+0.5%） = 5527件/年 假設(shè)連桿零件的年產(chǎn)量為5000件，現(xiàn)已知該產(chǎn)品屬于中型機械，根據(jù)生產(chǎn)類型與生產(chǎn)綱領(lǐng)的關(guān)系查閱參考文獻 ，確定其生產(chǎn)類型為大量生產(chǎn)。 大量生產(chǎn)的工藝特征： （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(diào)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(shè)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(shè)備。 （4） 工藝裝備：廣泛采用高效夾具，復(fù)合刀具，專用量具或自動檢驗裝置，靠調(diào)整法達到精度要求。 （5） 對工人的技術(shù)要求：對調(diào)整工的技術(shù)水平要求高，對操作工的技術(shù)水平要求較低。 （6） 工藝文件：有工藝過程卡或工序卡，關(guān)鍵工序要調(diào)整卡和檢驗卡。 （7） 成本：較低。 （8） 生產(chǎn)率：高。 （9） 工人勞動條件：較好。 3.2 連桿的材料選擇與毛坯的制造方法 3.2.1 連桿的材料選擇 考慮到在該工藝方案中采用銑結(jié)合面工藝，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(jīng)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(diào)質(zhì)鋼并用與生產(chǎn)，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(xué)性能，省去了淬火和高溫回火，從而降低了成本。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(zhì)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(chǎn)連桿。實際上它是一種含0.7%左右的高碳鋼。 連桿的主要材料為粉末燒結(jié)材料、高碳微合金非調(diào)質(zhì)鋼、球墨鍛鐵以及可鍛鍛鐵，其中45和粉末燒結(jié)材料應(yīng)用最廣。 與粉末冶金連桿相比，45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；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(chǎn)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(shù)，在不改變連桿形狀結(jié)構(gòu)的前提之下會導(dǎo)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(shè)計連桿的形狀結(jié)構(gòu)，以減輕連桿的重量。 綜上所述，考慮了各種因素，并經(jīng)過組內(nèi)成員的共同討論，最后決定采用45鋼作為本次設(shè)計中連桿的材料。 3.2.2 45鋼的成分和力學(xué)性能 45 材料中主要各化學(xué)成分質(zhì)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。 銑結(jié)合面工藝要求連桿切斷后的塑性變形最小，又要保證材料有良好的可切削加工性能。45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(dāng)途徑降低含Mn量。 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”，促進了銑削時的斷裂。Mn和S結(jié)合時含Mn量又不能過低，至少要高于S三 倍的含量。 45材料的力學(xué)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 3.2.3 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(yīng)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(chǎn)量是5000，已經(jīng)達到了大量生產(chǎn)的水平，要求其生產(chǎn)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45系列高碳非調(diào)質(zhì)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(chǎn)線 工藝：下料→加熱→輥鍛→成型（預(yù)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(shè)備配置：下料機（帶鋸機）→中頻感應(yīng)加熱爐（300KW)→輥鍛機（Φ460型）→熱模鍛壓力機（25000KN）→閉式單點壓力機→BY控冷設(shè)備→噴丸機→探傷機→精壓機 該生產(chǎn)線比較先進，以載貨車連桿為主導(dǎo)產(chǎn)品，其采用了中頻感應(yīng)加熱，輥鍛或楔模軋制坯，在國內(nèi)被廣泛采用。這種生產(chǎn)線便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，具有噪聲小，勞動環(huán)境好等優(yōu)點。可生產(chǎn)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(chǎn)線 工藝：下料→加熱→輥鍛→成型（預(yù)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(shè)備配置：下料機（帶鋸機或棒料剪切機床）→中頻感應(yīng)加熱爐（300KW）→輥鍛機（Φ370型）→液壓精鍛錘（25～50KJ）→開式壓力機（1000KN）→BY控冷設(shè)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(chǎn)線主要柴油機連桿為主，鍛件厚度公差基本在±0.2mm以內(nèi)，錯差在0.4mm以內(nèi)，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(nèi) （3）輥鍛制坯——摩擦壓力機模鍛（高能螺旋壓力機）生產(chǎn)線 工藝：下料→加熱→輥鍛→預(yù)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(shè)備配置：下料機（帶鋸機）→中頻感應(yīng)加熱爐（250W)→輥鍛機（Φ460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(chǎn)線以柴油機連桿為主，在摩擦壓力機上進行預(yù)鍛、終鍛、熱校正，其工藝過程較為穩(wěn)定，生產(chǎn)效率也比較高，適合中小型企業(yè)。 3.3 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(chǔ)上單面加2mm，一些特殊表面如螺釘座面上加2mm，側(cè)面工藝凸臺加工精度不是很高，在其表面加1mm。（如圖3.2，詳細尺寸請查閱柴油機連桿毛坯圖圖紙） 3.4 指定工序定位基準(zhǔn)的選擇? 定位基準(zhǔn)有粗基準(zhǔn)和精基準(zhǔn)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(zhǔn)，則該表面稱為粗基準(zhǔn)；利用已加工表面作為定位基準(zhǔn)，則稱為精基準(zhǔn)。其基準(zhǔn)的選擇也是工藝規(guī)程設(shè)計之中的重要問題之一，定位基準(zhǔn)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(zhì)量?；鶞?zhǔn)選擇不當(dāng)，往往會增加工序，或使工藝路線不合理，或使夾具設(shè)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(zhǔn)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(zhǔn)具體選擇時參考下列原則： （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(yīng)選擇非加工表面作為粗基準(zhǔn)。 （2） 對于具有較多加工表面的工件，選擇粗基準(zhǔn)時，應(yīng)考慮合理分配各加工表面的加工余量。 （3） 粗基準(zhǔn)應(yīng)避免重復(fù)使用。在同一尺寸方向上，粗基準(zhǔn)通常只能使用一次，以免產(chǎn)生較大的定位誤差。 精基準(zhǔn)的選擇應(yīng)從保證零件加工精度出發(fā)，同時考慮裝夾方便、夾具結(jié)構(gòu)簡單。選擇精基準(zhǔn)一般應(yīng)考慮如下原則： （1） “基準(zhǔn)重合”原則 為了較容易地獲得加工表面對其設(shè)計基準(zhǔn)的相對位置精度要求，應(yīng)選擇加工表面的設(shè)計基準(zhǔn)為其定位基準(zhǔn)。這一原則稱為基準(zhǔn)重合原則 。 如果加工表面的設(shè)計基準(zhǔn)與定位基準(zhǔn)不重合，則會增大定位誤差。 （2 ）“基準(zhǔn)統(tǒng)一”原則 當(dāng)工件以某一組精基準(zhǔn)定位可以比較方便地加工其它表面時，應(yīng)盡可能在多數(shù)工序中采用此組精基準(zhǔn)定位，這就是“基準(zhǔn)統(tǒng)一”原則。 采用“基準(zhǔn)統(tǒng)一”原則可減少工裝設(shè)計制造的費用，提高生產(chǎn)率，并可避免因基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換所造成的誤差。 （3） “自為基準(zhǔn)”原則 當(dāng)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(yīng)選擇加工表面本身作為定位基準(zhǔn)，這就是“自為基準(zhǔn)”原則。例如磨削床身導(dǎo)軌面時，就以床身導(dǎo)軌面作為定位基準(zhǔn)。 （4） “互為基準(zhǔn)”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(zhǔn)反復(fù)加工的原則。 （5 ）精基準(zhǔn)選擇應(yīng)保證工件定位準(zhǔn)確、夾緊可靠、操作方便。 3.5 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(biāo)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(zhǔn)，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(zhǔn)的基礎(chǔ)之上加工其他面或者其他精基準(zhǔn)，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(zhǔn)就基本出來了。那么在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(zhǔn)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(jié)合面之間的塵屑，最后還要來一道清洗。 3.6 連桿加工工藝過程的擬定? 經(jīng)組內(nèi)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： 粗銑第一端面→粗銑第二端面→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→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。 3.7 連桿加工工藝設(shè)計應(yīng)考慮的問題 3.7.1　工序安排 連桿加工工序安排應(yīng)注意兩個影響精度的因素：（1）連桿的剛度比較低，在外力作用下容易變形；（2）連桿是模鍛件，孔的加工余量大，切削時會產(chǎn)生較大的殘余內(nèi)應(yīng)力。因此在連桿加工工藝中，各主要表面的粗精加工工序一定要分開。 3.7.2　定位基準(zhǔn) 精基準(zhǔn)：以桿身對稱面定位，便于保證對稱度的要求，而且采用雙面銑，可使部分切削力抵消。 統(tǒng)一精基準(zhǔn)：以大小頭端面，小頭孔、大頭孔一側(cè)面定位。因為端面的面積大，定位穩(wěn)定可靠；用小頭孔定位可直接控制大小頭孔的中心距。 3.7.3　夾具使用 應(yīng)具備適應(yīng)“一面一孔一凸臺”的統(tǒng)一精基準(zhǔn)。而大小頭定位銷是一次裝夾中鏜出，故須考慮“自為基準(zhǔn)”情況，這時小頭定位銷應(yīng)做成活動的，當(dāng)連桿定位裝夾后，再抽出定位銷進行加工。 保證螺栓孔與螺栓端面的垂直度。為此，精銑端面時，夾具可考慮重復(fù)定位情況，如采用夾具限制7個自由度（其是長圓柱銷限制4個，長菱形銷限制2個）。長銷定位目的就在于保證垂直度。但由于重復(fù)定位裝御有困難，因此要求夾具制造精度較高，且采取一定措施，一方面長圓柱銷削去一邊，另一方面設(shè)計頂出工件的裝置。 3.8 切削用量的選擇原則 正確地選擇切削用量，對提高切削效率，保證必要的刀具耐用度和經(jīng)濟性，保證加工質(zhì)量，具有重要的作用。 3.8.1 粗加工時切削用量的選擇原則 粗加工時加工精度與表面粗糙度要求不高,毛坯余量較大。因此，選擇粗加工的切削用量時，要盡可能保證較高的單位時間金屬切削量（金屬切除率）和必要的刀具耐用度，以提高生產(chǎn)效率和降低加工成本。 金屬切除率可以用下式計算： Zw ≈V.f.ap.1000 式中：Zw單位時間內(nèi)的金屬切除量（mm3/s） V切削速度（m/s） f 進給量（mm/r） ap切削深度（mm） 提高切削速度、增大進給量和切削深度，都能提高金屬切除率。但是，在這三個因素中，影響刀具耐用度最大的是切削速度，其次是進給量，影響最小的是切削深度。所以粗加工切削用量的選擇原則是：首先考慮選擇一個盡可能大的吃刀深度ap,其次選擇一個較大的進給量度f，最后確定一個合適的切削速度V. 選用較大的ap和f以后，刀具耐用度t 顯然也會下降，但要比V對t的影響小得多，只要稍微降低一下V便可以使t回升到規(guī)定的合理數(shù)值，因此，能使V、f、ap的乘積較大，從而保證較高的金屬切除率。此外，增大ap可使走刀次數(shù)減少，增大f又有利于斷屑。因此，根據(jù)以上原則選擇粗加工切削用量對提高生產(chǎn)效率，減少刀具消耗，降低加工成本是比較有利的。 1）切削深度的選擇： 粗加工時切削深度應(yīng)根據(jù)工件的加工余量和由機床、夾具、刀具和工件組成的工藝系統(tǒng)的剛性來確定。在保留半精加工、精加工必要余量的前提下，應(yīng)當(dāng)盡量將粗加工余量一次切除。只有當(dāng)總加工余量太大，一次切不完時，才考慮分幾次走刀。 2）進給量的選擇： 粗加工時限制進給量提高的因素主要是切削力。因此，進給量應(yīng)根據(jù)工藝系統(tǒng)的剛性和強度來確定。選擇進給量時應(yīng)考慮到機床進給機構(gòu)的強度、刀桿尺寸、刀片厚度、工件的直徑和長度等。在工藝系統(tǒng)的剛性和強度好的情況下，可選用大一些的進給量；在剛性和強度較差的情況下，應(yīng)適當(dāng)減小進給量。 3）切削速度的選擇： 粗加工時，切削速度主要受刀具耐用度和機床功率的限制。切削深度、進給量和切削速度三者決定了切削功率，在確定切削速度時必須考慮到機床的許用功率。如超過了機床的許用功率，則應(yīng)適當(dāng)降低切削速度。 3.8.2 精加工時切削用量的選擇原則 精加工時加工精度和表面質(zhì)量要求較高，加工余量要小且均勻。因此，選擇精加工的切削用量時應(yīng)先考慮如何保證加工質(zhì)量，并在此基礎(chǔ)上盡量提高生產(chǎn)效率。 1）切削深度的選擇： 精加工時的切削深度應(yīng)根據(jù)粗加工留下的余量確定。通常希望精加工余量不要留得太大，否則，當(dāng)吃刀深度較大時，切削力增加較顯著，影響加工質(zhì)量。 2）進給量的選擇： 精加工時限制進給量提高的主要因素是表面粗糙度。進給量增大時，雖有利于斷屑，但殘留面積高度增大，切削力上升，表面質(zhì)量下降。 3）切削速度的選擇： 切削速度提高時，切削變形減小，切削力有所下降，而且不會產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺。一般選用切削性能高的刀具材料和合理的幾何參數(shù)，盡可能提高切削速度。只有當(dāng)切削速度受到工藝條件限制而不能提高時，才選用低速，以避開積屑瘤產(chǎn)生的范圍。 由此可見，精加工時選用較小的吃刀深度ap和進給量f，并在保證合理刀具耐用度的前提下，選取盡可能高的切削速度V，以保證加工精度和表面質(zhì)量，同時1.8 確定各工序的加工余量、計算工序尺寸及公差 1.8.1 確定加工余量 用查表法確定機械加工余量： （根據(jù)《機械加工工藝手冊》第一卷 表3.2—25 表3.2—26 表3.2—27） （1）、平面加工的工序余量（mm） 單面加工方法 單面余量 經(jīng)濟精度 工序尺寸 表面粗糙度 毛坯 4 12.5 粗銑 1.5 IT12() 40() 12.5 精銑 0.6 IT10() 38.8() 3.2 粗磨 0.3 IT8() 38.2() 1.6 精磨 0.1 IT7() 40() 0.8 則連桿兩端面總的加工余量為： A總= =（A粗銑+A精銑+A粗磨+A精磨）2 =（1.5+0.6+0.3+0.1）2 =mm 3.9 工時定額的計算 3.9.1 銑連桿大小頭平面 選用X52K機床 根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計手冊》表2.4—81選取數(shù)據(jù) 銑刀直徑D = 100 mm 切削速度Vf = 2.47 m/s 切削寬度 ae= 60 mm 銑刀齒數(shù)Z = 6 切削深度ap = 3 mm 則主軸轉(zhuǎn)速n = 1000v/D = 475 r/min 根據(jù)表3.1—31 按機床選取n = 500 /min 則實際切削速度V = Dn/（1000×60） = 2.67 m/s 銑削工時為：按表2.5—10 L= 3 mm L1 = +1.5 =50 mm L2 = 3 mm 基本時間tj = L/fm z = (3+50+3)/(500×0.36×6) = 0.11 min 按表2.5—46 輔助時間ta = 0.4×0.45 = 0.36 min 3.9.2 粗磨大小頭平面 選用M7350磨床 根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計手冊》表2.4—170選取數(shù)據(jù) 砂輪直徑D = 40 mm 磨削速度V = 0.33 m/s 切削深度ap = 0.3 mm fr0 = 0.033 mm/r Z = 8 則主軸轉(zhuǎn)速n = 1000v/D = 158.8 r/min 根據(jù)表3.1—48 按機床選取n = 100 r/min 則實際磨削速度V = Dn/（1000×60） = 0.20 m/s 磨削工時為：按表2.5—11 基本時間tj = zbk/nfr0z = (0.3×1)/(100×0.033×8) = 0.01 min 按表3.1—40 輔助時間ta = 0.21 min 3.9.3 加工小頭孔 (1) 鉆小頭孔 選用鉆床Z525 根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計手冊》表2.4—38(41)選取數(shù)據(jù) 鉆頭直徑D = 20 mm 切削速度V = 0.99 mm 切削深度ap = 10 mm 進給量f = 0.12 mm/r 則主軸轉(zhuǎn)速n = 1000v/D = 945 r/min 根據(jù)表3.1—30 按機床選取n = 1000 r/min 則實際鉆削速度V = Dn/（1000×60） = 1.04 m/s 鉆削工時為：按表2.5—7 L = 10 mm L1 = 1.5 mm L2 = 2.5mm 基本時間tj = L/fn = (10+1.5+2.5)/(0.12×1000) = 0.12 min 按表2.5—41 輔助時間ta = 0.5 min 按表2.5—42 其他時間tq = 0.2 min (2) 擴小頭孔 選用鉆床Z525 根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計手冊》表2.4—53選取數(shù)據(jù) 擴刀直徑D = 30 mm 切削速度V = 0.32 m/s 切削深度ap = 1.5 mm 進給量 f = 0.8 mm/r 則主軸轉(zhuǎn)速n =1000v/D = 203 r/min 根據(jù)表3.1—30 按機床選取n = 250 r/min 則實際切削速度V = Dn/（1000×60） = 0.39 m/s 擴削工時為：按表2.5—7 L = 10 mm L1 = 3 mm 基本時間tj=L/fn=(10+3)/(0.8×250)=0.07 min 按表2.5—41 輔助時間ta=0.25 min (3) 鉸小頭孔 選用鉆床Z525 根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計手冊》表2.4—81選取數(shù)據(jù) 鉸刀直徑D = 30 mm 切削速度V = 0.22 m/s 切削深度ap = 0.10 mm 進給量f = 0.8 mm/r 則主軸轉(zhuǎn)速n = 1000v/D = 140 r/min 根據(jù)表3.1—31 按機床選取n = 200 r/min 則實際切削速度V = Dn/（1000×60） = 0.32 m/s 鉸削工時為： 按表2.5—7 L=10 mm L1 =0 L2=3 mm 基本時間tj = L/fn = (10+3)/(0.8×200) = 0.09 min 按表2.5—41 輔助時間ta = 0.25 min 3.9.4 銑大頭兩側(cè)面 選用銑床X52K 根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計手冊》表2.4—77(88)選取數(shù)據(jù) 銑刀直徑D = 20 mm 切削速度V = 0.64 m/s 銑刀齒數(shù)Z = 3 切削深度ap = 4 mm af = 0.10 mm/r 則主軸轉(zhuǎn)速n = 1000v/D = 611 r/min 根據(jù)表3.1—74 按機床選取n=750 r/min 則實際切削速度V = Dn/（1000×60） = 0.78 m/s 銑削工時為：按表2.5—10 L=40 mm L1=+1.5=8.5 mm L2=2.5 mm 基本時間tj = L/fmz = (40+8.5+2.5)/(750×0.10×3)=0.23 min 按表2.5—46 輔助時間ta = 0.4×0.45 = 0.36 min 3.9.5、擴大頭孔 選用鉆床床Z525 刀具:擴孔鉆 根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計手冊》表2.4—54選取數(shù)據(jù) 擴孔鉆直徑D = 60 mm 切削速度V = 1.29 m/s 進給量f = 0.50 mm/r 切削深度ap =3.0 mm 走刀次數(shù)I = 1 則主軸轉(zhuǎn)速n = 1000v/D=410 r/min 根據(jù)表3.1—41 按機床選取n=400 r/min 則實際切削速度V=Dn/（1000×60）=1.256 m/s 擴削工時為： 按表2.5—7 L = 40 mm L1 = 3 mm L2 =3 mm 基本時間: (3) 粗锪連桿兩螺栓底面 選用鉆床Z3025 根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計手冊》表2.4—67選取數(shù)據(jù) 锪刀直徑D = 28 mm 切削速度V = 0.2 m/s 锪刀齒數(shù)Z = 6 切削深度ap = 3 mm 進給量f = 0.10 mm/r 則主軸轉(zhuǎn)速n = 1000v/D = 50.9 r/min 根據(jù)表3.1—30 按機床選取n = 750 r/min 則實際切削速度V = Dn/（1000×60） = 2.94 m/s 锪削工時為： 按表2.5—7 L = 28 mm L1 = 1.5 mm 基本時間tj = L/fn = (28+1.5)/(0.10×750×8) = 0.04 min (5) 精銑螺栓座面 選用銑床X52K 根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計手冊》表2.4—90選取數(shù)據(jù) 銑刀直徑D = 63 mm 切削速度V = 0.47 m/s 銑刀齒數(shù)Z = 24 切削深度ap = 2 mm 切削寬度ae = 5 mm af=0.015 mm/r 則主軸轉(zhuǎn)速n = 1000v/D = 142 r/min 根據(jù)表3.1—31 按機床選取n = 150 r/min 則實際切削速度V = Dn/（1000×60） = 0.49 m/s 銑削工時為： 按表2.5—10 L = 28 mm L1 = +1.5 = 19 mm L2 = 3 mm 基本時間tj=L/fmz = (28+19+3)/(150×24) = 0.02 min 按表2.5—46 輔助時間ta = 0.4×0.45 = 0.36 min (7) 精磨結(jié)合面 選用磨床M7130 根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計手冊》表2.4—170選取數(shù)據(jù) 砂輪直徑D = 40 mm 切削速度V = 0.330 m/s 切削深度ap = 0.1 mm 進給量fr0 = 0.006 mm/r 則主軸轉(zhuǎn)速n = 1000v/D = 157 r/min 根據(jù)表3.1—48 按機床選取n = 100 r/min 則實際切削速度V = Dn/（1000×60） = 0.20 m/s 磨削工時為： 按表2.5—11 基本時間tj= =0.02 min (=0.1 k=1 z=8) 3.9.8 銑、磨連桿蓋結(jié)合面 (1) 粗銑連桿上蓋結(jié)合面 選用銑床X52K 根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計手冊》表2.4—74（84）選取數(shù)據(jù) 銑刀直徑D = 75 mm 切削速度V = 0.35 m/s 切削寬度ae = 3 mm 銑刀齒數(shù)Z = 8 af = 0.12 mm/r 則主軸轉(zhuǎn)速n = 1000v/D = 89 r/min 根據(jù)表3.1—74 按機床選取n = 100 r/min 則實際切削速度V = Dn/（1000×60） = 0.39 m/s 銑削工時為：按表2.5—10 L = 38 mm L1 = +1.5 = 16 mm L2 = 2.5 mm 基本時間tj = L/fmz=(38+16+2.5)/(100×8) = 0.07 min 按表2.5—46 輔助時間ta=0.4×0.45=0.36 min (2) 精銑連桿上蓋結(jié)合面 選用銑床X52K 根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計手冊》表2.4—84選取數(shù)據(jù) 銑刀直徑D = 75 mm 切削速度V = 0.42 m/s 切削寬度ae = 0.5 mm 銑刀齒數(shù)Z = 8 進給量f = 0.7 mm/r 則主軸轉(zhuǎn)速n = 1000v/D = 107 r/min 根據(jù)表3.1—74 按機床選取n = 110 r/min 則實際切削速度V = Dn/（1000×60） = 0.43 m/s 銑削工時為： 按表2.5—10 L = 38 mm L1 = +1.5 = 7.5 mm L2 = 2.5 mm 基本時間tj = L/fmz = (38+7.5+2.5)/(110×8) = 0.6 min 按表2.5—46 輔助時間ta=0.4×0.45=0.36 min (3) 粗銑螺母座面 選用銑床X52K 根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計手冊》表2.4—88選取數(shù)據(jù) 銑刀直徑D = 63 mm 切削速度V = 0.34 m/s 銑刀齒數(shù)Z = 24 切削寬度ae = 5 mm af = 0.15 mm/r 則主軸轉(zhuǎn)速n = 1000v/D = 103 r/min 根據(jù)表3.1—74 按機床選取n = 100 r/min 則實際切削速度V = Dn/（1000×60） = 0.39 m/s 銑削工時為：按表2.5—10 L = 28mm L1 = +1.5 = 17.5 mm L2 = 2.5 mm 基本時間tj = L/fmz = (28+17.5+2.5)/(100×24) = 0.02 min 按表2.5—46 輔助時間ta=0.4×0.45=0.36 min (5) 精磨結(jié)合面 選用磨床M7350 根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計手冊》表2.4—170選取數(shù)據(jù) 砂輪直徑D = 40 mm 切削速度V = 0.330 m/s 切削深度ap = 0.1 mm 進給量fr0 = 0.006 mm/r 則主軸轉(zhuǎn)速n = 1000v/D = 157 r/min 根據(jù)表3.1—48 按機床選取n = 100 r/min 則實際切削速度V = Dn/（1000×60） = 0.20 m/s 磨削工時為： 按表2.5—11 基本時間tj = = 0.02 min (=0.1 k=1 z=8) 3.9.9 銑、鉆、鏜（連桿總成體） （1）、從連桿上方鉆、擴、鉸螺栓孔 a) 鉆螺栓孔 選用鉆床Z3025 根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計手冊》表2.4—38（41）選取數(shù)據(jù) 切削速度V = 0.99 m/s 切削深度ap = 5 mm 進給量f = 0.08 mm/r 鉆頭直徑D = 10 mm 則主軸轉(zhuǎn)速n = 1000v/D = 1910 r/min 根據(jù)表3.1—30 按機床選取n = 910 r/min 則實際切削速度V = Dn/（1000×60） = 0.99 m/s 鉆削工時為： 按表2.5—7 L = 34 mm L1 = 1.5 mm L2 = 2 mm 基本時間tj = L/fn = (34+1.5+2)/(0.08×1910) = 0.23 min 按表2.5—41 輔助時間ta = 0.5 min 按表2.5—42 其他時間tq=0.2 min b) 擴螺栓孔 選用鉆床Z3025 根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計手冊》表2.4—53選取數(shù)據(jù) 擴刀直徑D = 10 mm 切削速度V = 0.40 m/s 切削深度ap = 1.0 mm 進給量f = 0.6 mm/r 則主軸轉(zhuǎn)速n = 1000v/D = 764 r/min 根據(jù)表3.1—30 按機床選取n=764 r/min 則實際切削速度V = Dn/（1000×60） = 0.40 m/s 擴削工時為： 按表2.5—7 L = 34 mm L1 = 2 mm 基本時間tj = L/fn = (34+2)/(0.6×764) = 0.07 min 按表2.5—41 輔助時間ta=0.25 min c）鉸螺栓孔 根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計手冊》表2.4—81選取數(shù)據(jù) 鉸刀直徑D = 12.2 mm 切削速度V = 0.22 m/s 切削深度ap = 0.10 mm 進給量f = 0.2 mm/r 則主軸轉(zhuǎn)速n = 1000v/D = 140 r/min 根據(jù)表3.1—31 按機床選取n = 200 r/min 則實際切削速度V =Dn/（1000×60） = 0.127 m/s 鉸削工時為： 按表2.5—7 L = 34 mm L1 = 2 mm L2 = 3 mm 基本時間tj = L/fn = (34+2+3)/(0.8×200) = 0.23 min (3) 從連桿蓋上方給螺栓孔口倒角 根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計手冊》表2.4—67選取數(shù)據(jù) 切削速度V = 0.2 m/s 切削深度ap = 3 mm 進給量f = 0.10 mm/r Z = 8 根據(jù)表3.1—30 按機床選取n = 750 r/min 切削工時為： 按表2.5—7 基本時間tj = L/fn = （0.5+1.5）/750×0.10 = 0.03 min 3.9.10 粗鏜大頭孔 選用鏜床T68 根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計手冊》表2.4—66選取數(shù)據(jù) 銑刀直徑D = 65 mm 切削速度V = 0.16 m/s 進給量f = 0.30 mm/r 切削深度ap = 3.0 mm 則主軸轉(zhuǎn)速n = 000v/D = 47 r/min 根據(jù)表3.1—41 按機床選取n = 800 r/min 則實際切削速度V = Dn/（1000×60） = 2.72 m/s 鏜削工時為： 按表2.5—3 L = 38 mm L1 = 3.5 mm L2 = 5 mm 基本時間tj = Li/fn = (38+3.5+5)/(0.30×800) = 0.19 min 按表2.5—67 輔助時間ta = 0.50 min 3.9.11 大頭孔兩端倒角 選用機床X52K 根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計手冊》表2.4—67選取數(shù)據(jù) 切削速度V = 0.2 m/s 切削深度ap = 3 mm 進給量f = 0.10 mm/r Z = 8 根據(jù)表3.1—30 按機床選取n = 750 r/min 切削工時為： 按表2.5—7 基本時間tj = L/fn = （0.5+1.5）/750×0.10 = 0.03 min 3.9.12精磨大小頭兩平面（先標(biāo)記朝上） 選用磨床M7130 根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計手冊》表2.4—170選取數(shù)據(jù) 切削速度V = 0.413 m/s 切削深度ap = 0.10 mm 進給量f = 0.006 mm/r 磨削工時為： 按表2.5—7 基本時間 tj = =0.1×70×0.02×1.1/（1000×60）×0.413×0.006×20×0.1 =0.03 min 3.9.13 半精鏜大頭孔及精鏜小頭孔 選用鏜床T68 （1）根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計手冊》表2.4—66選取數(shù)據(jù) 鏜刀直徑D = 65.5 mm 切削速度V = 0.20 m/s 進給量f = 0.2 mm/r 切削深度ap = 1 mm 根據(jù)表3.1—39 按機床選取n = 1000 r/min 鏜削工時為： 按表2.5—3 L = 38 mm L1 = 3.5 mm L2 = 5 mm 基本時間tj= Li/fn = (38+3.5+5)/(0.20×1000) = 0.23 min （2）根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計手冊》表2.4—66選取數(shù)據(jù) 鏜刀直徑D = 30 mm 切削速度V = 3.36 m/s 進給量f = 0.10 mm/r 切削深度ap = 1.0 mm 根據(jù)表3.1—39 按機床選取n = 2000 r/min 鏜削工時為：