224 連桿工藝及夾具設(shè)計2,連桿,工藝,夾具,設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計答辯,課題名稱: 連桿工藝及夾具設(shè)計 課題類型： 設(shè)計應(yīng)用 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 班 級： 機(jī)制052 姓 名： 潘益興 指導(dǎo)老師： 楊衛(wèi)平 提交時間: 2009年5月,前言,連桿是發(fā)動機(jī)的主要傳動件之一，本論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(jìn)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(jì)、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(dá)到零件的技術(shù)要求。,連桿的運動及斷裂分析,發(fā)動機(jī)連桿由大頭、小頭和桿身組成，是活塞和曲軸的連接零件，小頭與活塞一起作往復(fù)運動，把作用于活塞頂部端面的膨脹氣體壓力傳遞給曲軸，使活塞的往復(fù)直線運動變?yōu)榍S的回轉(zhuǎn)運動，連桿在工作過程中把汽缸體氣體燃燒產(chǎn)生的壓力傳遞給曲軸，驅(qū)動回轉(zhuǎn)。連桿作為十分重要的零件要承受彎曲、扭轉(zhuǎn)或沖擊載荷的作用，因此要求具有良好的綜合力學(xué)性能。連桿的大頭和曲軸一起作旋轉(zhuǎn)運動，而桿身用作十分復(fù)雜的平面擺動等，因此連桿在工作過程中會受到交變的拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，同時承受急劇變化的動載荷的沖擊。其受力方式十分復(fù)雜，整個截面都要承受均勻的拉伸應(yīng)力、壓縮應(yīng)力以及脈動交變應(yīng)力的作用，具體如下:燃燒氣體膨脹壓力產(chǎn)生的壓縮載荷;活塞連桿作往復(fù)的慣性力（承載拉伸載荷）作用;連桿高速作往返運動產(chǎn)生的縱向和橫向慣性力（承載彎曲載荷）的作用。,綜上所述，可知連桿在工作過程中受到壓縮、拉伸、彎曲和沖擊交變載荷作用，考慮到連桿將活塞所承受的通過燃燒所產(chǎn)生的巨大推力傳遞到曲軸上，所以連桿和活塞一樣，要求具有重量輕、足夠的剛度和強(qiáng)度、高的疲勞生良好的沖擊韌性等，否則連桿螺栓、桿身的大端將發(fā)生斷裂，造成發(fā)動機(jī)的損壞，作為發(fā)動機(jī)容易損壞的零件，連桿的失效形式有以下兩種。 1.疲勞斷裂:發(fā)處部位在連桿的三個高應(yīng)力作用區(qū)，大頭與桿身和小頭與桿身的過渡區(qū)（在螺栓孔附近），以及桿身中間。 2.斷裂:原材料缺陷、鍛造折疊及淬火裂紋等造成的失效。,連桿的加工工藝發(fā)展,連桿的傳統(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。 融入裂解工藝的連桿加工工藝流程 毛坯鍛造→粗磨連桿兩端面→粗鏜連桿大小頭孔→半精鏜連桿大小頭孔→清洗→加工螺栓孔→加工裂解槽→裂解→裝配螺栓→壓銅套并精整→精磨連桿兩端面→精鏜連桿大小頭孔→稱重并取重→清洗→終檢 在實際生產(chǎn)過程中，兩種工藝的各方面能耗相比可得：,與傳統(tǒng)加工工藝對比可知，裂解工藝是以整體 加工代替分體加工，將原有連桿桿身與連桿蓋的半 圓加工變?yōu)榱呀庋b配螺栓后大頭孔整圓精加工，省 去了連桿桿身與連桿蓋結(jié)合面的拉削與磨削等傳統(tǒng) 加工工序，簡化了螺栓孔結(jié)構(gòu)設(shè)計和整體加工工藝， 降低了螺栓孔的加工精度要求。 與傳統(tǒng)連桿加工技術(shù)相比，采用裂解技術(shù)可減 少機(jī)加工工序60％，節(jié)省設(shè)備投資25％，減少刀具 費用35％，節(jié)省能源40％，生產(chǎn)成本可降低15％～ 20％，其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益十分顯著。 此外，斷裂剖分的結(jié)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、連桿桿身 和連桿蓋的定位精度、裝配質(zhì)量大幅度提高。,在本設(shè)計中，以裂解工藝加工的連桿尺寸如下所示：,連桿的機(jī)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(jī)械加工帶來了很多困難，必須充分的重視。連桿的機(jī)械加工工藝過程如下表所示：,連桿脹斷工藝夾具設(shè)計,一.連桿脹斷工藝性分析 1.裂解加工原理 根據(jù)斷裂力學(xué)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1－1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(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)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1－1,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Ι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1－2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(jìn)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1－2,2.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(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)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(fēng)險就越大，結(jié)果會產(chǎn)生暴口缺陷，如圖1-3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1-4所示。,圖1－3,圖1－4,二.定位方案設(shè)計 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1－5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(jìn)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1－6所示：,圖1－5,圖1－6,三.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1－7所示： 解工藝是一種力學(xué)加工方法。從圖1－5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(jìn)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。,圖1－7,四.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1－8所示： 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1－9所示的夾緊裝置：,圖1－8,圖1－9 轉(zhuǎn)壓盤與機(jī)構(gòu),五.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(jī)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1－10所示： 夾具體為鑄造件，安裝穩(wěn)定，剛度好，但制造周期較長。,圖1－10,1.夾具體的強(qiáng)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(jī)床上，為此需要校核螺栓的剪切強(qiáng)度： ，查表可知。 六.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(dá)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1-11所示：,圖1-11,2.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(dāng)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1－12所示：,圖1-12,七.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1-13： (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(jìn)行定位,兩者之間的配合 .并查表可知:,圖1-13,o1,o2,,經(jīng)驗證此值也符合對稱度的要求. 八.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(xué)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(kuò)展，達(dá)到連桿本體與連桿蓋分離的目的。其裂解過程如圖1-5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(kuò)展直至完全裂解如圖1-2(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1-14所示：,圖1－14 1－定位銷 2－輔助定塊 3－定塊 4－楔塊 5－動塊 6－背壓機(jī)構(gòu),我的畢業(yè)設(shè)計說明完畢, 謝謝各位老師!,