连杆机械加工工艺及夹具设计【连杆胀断】【说明书+CAD】
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毕业设计答辩毕业设计答辩课题名称课题名称:连杆工艺及夹具设计 课题类型:课题类型:设计应用 专专 业:业:机械设计制造及其自动化 班班 级:级:机制052 姓姓 名:名:潘益兴 指导老师:指导老师:杨卫平 提交时间提交时间:2009年5月前言 连杆是发动机的主要传动件之一,本论文主要论述了连杆裂解的加工工艺及其夹具设计。连杆裂解是对连杆杆身和连杆盖结合面进行无屑断裂剖分加工的新技术,具有构思新颖、操作经济、效益显著的特点。阐述了连杆裂解加工原理、主要工艺流程以及裂解加工方法对材料和锻造毛坯的要求。介绍了加工裂解槽、有控裂解、装配螺栓等核心工序与设备,探讨了裂解加工常见缺陷及预防措施。连杆的尺寸精度、形状精度以及位置精度的要求都很高,而连杆的刚性比较差,容易产生变形,因此在安排工艺过程时,就需要把各主要表面的粗精加工工序分开。逐步减少加工余量、切削力及内应力的作用,并修正加工后的变形,就能最后达到零件的技术要求。连杆的运动及断裂分析 发动机连杆由大头、小头和杆身组成,是活塞和曲轴的连接零件,小头与活塞一起作往复运动,把作用于活塞顶部端面的膨胀气体压力传递给曲轴,使活塞的往复直线运动变为曲轴的回转运动,连杆在工作过程中把汽缸体气体燃烧产生的压力传递给曲轴,驱动回转。连杆作为十分重要的零件要承受弯曲、扭转或冲击载荷的作用,因此要求具有良好的综合力学性能。连杆的大头和曲轴一起作旋转运动,而杆身用作十分复杂的平面摆动等,因此连杆在工作过程中会受到交变的拉应力和弯曲应力,同时承受急剧变化的动载荷的冲击。其受力方式十分复杂,整个截面都要承受均匀的拉伸应力、压缩应力以及脉动交变应力的作用,具体如下:燃烧气体膨胀压力产生的压缩载荷;活塞连杆作往复的惯性力(承载拉伸载荷)作用;连杆高速作往返运动产生的纵向和横向惯性力(承载弯曲载荷)的作用。综上所述,可知连杆在工作过程中受到压缩、拉伸、弯曲和冲击交变载荷作用,考虑到连杆将活塞所承受的通过燃烧所产生的巨大推力传递到曲轴上,所以连杆和活塞一样,要求具有重量轻、足够的刚度和强度、高的疲劳生良好的冲击韧性等,否则连杆螺栓、杆身的大端将发生断裂,造成发动机的损坏,作为发动机容易损坏的零件,连杆的失效形式有以下两种。1.疲劳断裂:发处部位在连杆的三个高应力作用区,大头与杆身和小头与杆身的过渡区(在螺栓孔附近),以及杆身中间。2.断裂:原材料缺陷、锻造折叠及淬火裂纹等造成的失效。连杆的加工工艺发展连杆的传统加工工艺流程 毛坯锻造铣两端面粗磨两端面钻小头孔钻大头孔粗镗小头孔粗镗大头孔半精镗小头孔半精镗大头孔切连杆大头分开面粗铣离面精铣分离面钻铰定位销孔攻螺纹孔磨分离面精磨两端面压铜套精镗火头孔精镗铜套孔珩磨大头孔。融入裂解工艺的连杆加工工艺流程 毛坯锻造粗磨连杆两端面粗镗连杆大小头孔半精镗连杆大小头孔清洗加工螺栓孔加工裂解槽裂解装配螺栓压铜套并精整精磨连杆两端面精镗连杆大小头孔称重并取重清洗终检在实际生产过程中,两种工艺的各方面能耗相比可得:与传统加工工艺对比可知,裂解工艺是以整体加工代替分体加工,将原有连杆杆身与连杆盖的半圆加工变为裂解装配螺栓后大头孔整圆精加工,省去了连杆杆身与连杆盖结合面的拉削与磨削等传统加工工序,简化了螺栓孔结构设计和整体加工工艺,降低了螺栓孔的加工精度要求。与传统连杆加工技术相比,采用裂解技术可减少机加工工序60,节省设备投资25,减少刀具费用35,节省能源40,生产成本可降低1520,其经济效益和社会效益十分显著。此外,断裂剖分的结合面凸凹不平,大大提高了接触面积,可使连杆承载能力、抗剪能力、连杆杆身和连杆盖的定位精度、装配质量大幅度提高。在本设计中,以裂解工艺加工的连杆尺寸如下所示:连杆的机械加工工艺过程 由上述技术条件的分析可知,连杆的尺寸精度、形状精度以及位置精度的要求都很高,但是连杆的刚性比较差,容易产生变形,这就给连杆的机械加工带来了很多困难,必须充分的重视。连杆的机械加工工艺过程如下表所示:连杆胀断工艺夹具设计一.连杆胀断工艺性分析1.裂解加工原理 根据断裂力学理论,裂纹表面的位移有张开型(型)、滑移型(II型)和撕开型(III型)三种形式如图11所示。其中,张开型裂纹是低应力脆断的最基本形式,即在温度和应变速率相同的情况下,拉应力状态对脆性断裂的发生最为敏感。其特点是断裂时承受的工作应力较低(远远低于材料的屈服强度)、塑性变形小、断口方向与正应力相垂直。型II型III型图图1 11 1而张开型断裂发生的基本条件是物体受到垂直于预定断裂平面的拉应力,如图型所示。根据上述原理,在整体锻造的连杆毛坯大头轴承孔设定剖分位置,加工具有高缺口敏感性的尖锐裂纹,并按张开型断裂条件施加裂解力,满足脆性断裂的发生条件,在几乎不发生塑性变形的情况下实现连杆本体与连杆盖的断裂剖分,如图12所示。由于裂解后断裂面呈犬牙交错形态,具有极高的啮合性和配合精度,因此无需再进行切削加工。在装配时,以断裂剖分的三维曲面定位,分离后的连杆盖与连杆杆身在断裂处可自然精确装合,完全啮合,确保了后续连杆大头轴承孔的精加工及连杆装配质量。图图1 12 22.裂解截面的设计 连杆断裂截面的形状影响裂解的结果。裂纹首先在连杆大头孔内表面开始起裂,然后向两侧的螺栓孔及外侧表面扩展,当裂纹扩展至螺栓孔处时由一条裂纹分成上下两条裂纹,越过螺栓孔后上下两条裂纹重新汇合。接近于圆形的截面有利于上下两条裂纹在同一点汇合,从而提高裂解质量。相反,断裂截面越接近于矩形,上下两条裂纹不在同一点汇合的风险就越大,结果会产生暴口缺陷,如图1-3所示。所以断裂截面的设计要尽量接近于圆形而避免矩形截面,如图1-4所示。图图1 13 3图图1 14 4二.定位方案设计 用裂解技术加工连杆的核心工序为加工裂解槽及有控裂解、定扭矩装配螺栓,如15图所示。连杆胀断工艺的技术要求:(1)在裂解过程中,连杆杆身和连杆盖只能反向直线运动,二者之间的任何相对转动都会影响加工质量,导致无法进行正常的装合。(2)连杆裂解过程中要求连杆体不能发生垂直于裂解力方向的位移,故对连杆体下底面上所有节点在垂直于裂解力方向上施加0位移约束。(3)连杆裂解过程中,连杆小头端固定不动,所以对连杆体杆部施加固定约束。综上,可知在胀断过程中,以大头孔,小头孔,大小头孔端面还有分离面为主要加工定位面。如图16所示:图图1 15 5图图1 16 6三.引方案设计 连杆裂解过程中涉及到动套、定套、拉杆、连杆4个实体,实际裂解过程中,拉杆向下运动,通过楔面推动动套水平运动。如图17所示:解工艺是一种力学加工方法。从图15中可看出,该工艺中首先要在连杆大头孔内侧加工两个同样形状和尺寸的对称分布的“V”型槽,由于应力集中效应在两个槽处形成初始裂纹源。然后以一定的速度向下拉动楔形块,楔形块推动大头孔的动套,致使大头孔从裂解槽处发生脆性断裂、分离,形成连杆盖和连杆体,最后,在专用设备上用螺栓将断开的两部分装配起来,以便进行后续加工。所以,综上可知,导引的方案主要由楔形块与定、动套的配合精度来保证。在装配螺栓的导引方案由分离面,大头孔和导轨的精度来保证。图图1 17 7四.夹紧方案设计1.为保证断面啮合性必须限制断裂面的塑性变形量,同时为减小装配后大头孔的精加工余量,裂解前后连杆大头孔直径的平均变化量要控制在0.05 mm以下。为保证裂解加工质量,采用背压裂解加工方法,即裂解前向连杆盖端螺栓孔处及杆部圆弧过渡处施加背压力P,所以裂解过程的夹紧方案如图18所示:2.在装配螺栓的过程中,为了确保分离面完全啮合,除了大头孔的定位之外,还得采取如图19所示的夹紧装置:图图1 18 8图图1 19 9 转压盘与机构转压盘与机构五.夹具体设计 夹具体的作用是将定位、夹具装置连接成一体,并能正确安装在机床上,加工时,能承受一部分胀断力。根据加工零件的定位需要以及加工连杆尺寸的大小,设计的夹具体轮廓尺寸440253mm.如图110所示:夹具体为铸造件,安装稳定,刚度好,但制造周期较长。图图1 110101.夹具体的强度校核:,查表可知。2.夹具体是利用4个内六角螺栓固定在专用的连杆裂解机床上,为此需要校核螺栓的剪切强度:,查表可知。六.其他装置设计1.由于连杆裂解工艺的特殊性,在裂解过程中需要采用背压力来减小大头孔的变形量,使其直径变化量维持在0.05mm以内。在本设计中采用了四个夹紧油缸来达到这个要求。采用铰链顶头的装置有利于油缸充分地实现压紧的效果。油缸在夹具体上的分布如图1-11所示:图图1-111-11 2.连杆的裂解过程是一个短暂并匀速的过程,所以采用以上的液压夹紧油缸。当楔形块推动裂解动块运动时,动块也必须稳定地在导轨上滑行。所以设计导轨如图112所示:图图1-121-12七.夹具精度分析1.本设计连杆胀断工艺采用的定位方案,小头孔采用固定式菱形销,大头孔以动块与定块所组成的圆柱销定位,定位误差计算如下图1-13:(1)小头孔 用菱形销定位,其中菱形销与夹具体的定位孔配合 .大头孔 用动套与定套所组成的圆柱销进行定位,两者之间的配合 .并查表可知:图图1-131-13o1o2 ,经验证此值也符合对称度的要求.八.夹具工作原理简介 连杆裂解技术的原理是基于断裂力学和应力集中理论,其基本原理是利用液压活塞带动楔形块运动,推动动套(放置在连杆大头端内),实现连杆裂解。首先将整体锻造的毛坯大头孔内侧人为加工出预制裂解槽,形成初始裂纹源,以提高裂解过程的应力集中系数;然后利用特定的方法使初始裂纹源启裂并快速扩展,达到连杆本体与连杆盖分离的目的。其裂解过程如图1-5所示:在连杆锻造毛坯大头孔内,预先加工出裂解槽,形成初始断裂源;在裂解专用设备上首先对连杆大头内孔侧面施加径向力,使裂纹由内孔向外不断扩展直至完全裂解如图1-2(b)所示,利用断裂面犬牙交错的特征,在裂解专用设备上,再将裂解分离后的连杆盖与本体精确复位;最后在断裂面完全啮合的条件下,完成上螺栓工序及其他后续与传统工艺相同的切削加工工序。总原理简图如1-14所示:图114 1定位销 2辅助定块 3定块 4楔块 5动块 6背压机构 我的毕业设计说明完毕我的毕业设计说明完毕,谢谢各位老师谢谢各位老师!
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