連桿機械加工工藝及夾具設(shè)計【連桿脹斷】【說明書+CAD+PROE+仿真】

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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)：機械設(shè)計制造及其自動化班級：機制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、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)動機的損壞，作為發(fā)動機容易損壞的零件，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1520，其經(jīng)濟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，這就給連桿的機械加工帶來了很多困難，必須充分的重視。連桿的機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（型）、滑移型（II型）和撕開型（III型）三種形式如圖11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)低于材料的屈服強度）、塑性變形小、斷口方向與正應(yīng)力相垂直。,型,II型,III型,圖11,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12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12,2.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)表面擴展，當(dāng)裂紋擴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13,圖14,二.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15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16所示：,圖15,圖16,三.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17所示：解工藝是一種力學(xué)加工方法。從圖15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17,四.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0.05mm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18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19所示的夾緊裝置：,圖18,圖19轉(zhuǎn)壓盤與機構(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440253mm.如圖110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110,1.夾具體的強度校核：,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床上，為此需要校核螺栓的剪切強度：，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112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1141定位銷2輔助定塊3定塊4楔塊5動塊6背壓機構(gòu),我的畢業(yè)設(shè)計說明完畢,謝謝各位老師!,