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南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告
學(xué) 生 姓 名：
趙彧
學(xué) 號(hào)：
05010150
專 業(yè)：
機(jī)械工程及自動(dòng)化
設(shè)計(jì)(論文)題目：
連桿合件加工工藝
及關(guān)鍵工序工裝設(shè)計(jì)
指 導(dǎo) 教 師:
王栓虎
2009年 3月 22日
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫(xiě)2000字左右的文獻(xiàn)綜述：
文 獻(xiàn) 綜 述
摘要 連桿是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的主要傳動(dòng)件之一，本文主要論述了連桿的作用，連桿的材料，連桿的制造過(guò)程等的國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。雖然目前來(lái)說(shuō)連桿的制造還是鑄、鍛，但已有極大的改進(jìn)，新技術(shù)的應(yīng)用，高制造精度，降低生產(chǎn)成本，節(jié)約材料成為主流。連桿材料的選擇上，傳統(tǒng)的碳鋼已不滿足需求，新材料的運(yùn)用必將給連桿帶來(lái)更廣的前景。
關(guān)鍵詞 連桿 材料 制造
1 連桿
連桿的功用是將活塞承受的力傳給曲軸，從而使得活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。連桿承受活塞銷傳來(lái)的氣體作用力及其本身擺動(dòng)和活塞組往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力。這些力的大小和方向都是周期性變化的。因此，連桿受到的是壓縮、拉伸和彎曲等交變載荷。這就要求連桿在質(zhì)量盡可能小的條件下，有足夠的剛度和強(qiáng)度。若連桿的剛度不夠，則可能產(chǎn)生的后果是：其大頭孔失圓，導(dǎo)致連桿大頭軸瓦因油膜破壞而燒損；連桿桿身彎曲，造成活塞與汽缸偏磨、活塞環(huán)漏氣和竄油等
1]。
2 連桿的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
2．1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀
高強(qiáng)度、輕量化、低成本是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿用材料的發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)的發(fā)動(dòng)機(jī)鍛鋼連桿制造技術(shù)與國(guó)外差距不大，但在連桿輕量化方面還相當(dāng)落后。在滿足性能指標(biāo)的前提下，連桿的材料和制造技術(shù)關(guān)聯(lián)很大，非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用就是考慮節(jié)省調(diào)質(zhì)工序。近年來(lái)，采取裂解連桿體和連桿蓋分界面技術(shù)可以大幅度地減少機(jī)械加工工序，由此開(kāi)發(fā)了高強(qiáng)度低韌性的高碳非調(diào)質(zhì)鋼和粉末冶金鍛件，以滿足工藝的需要
2]。
2．1．1 連桿的材料
多年來(lái)高速柴油機(jī)連桿一直以優(yōu)質(zhì)中碳結(jié)構(gòu)鋼和中碳合金結(jié)構(gòu)鋼為主。如45、40Cr、35CrMo、42CrMo和40MnB。結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)熱模鍛后調(diào)質(zhì)處理，獲得良好的綜合力學(xué)性能。近年采用的新型柴油機(jī)連桿材料有2類。第1類為微合金非調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，如中國(guó)一汽的6DL柴油機(jī)。第2類為高碳非調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，為適應(yīng)連桿體一蓋“裂解”加工技術(shù)的需要而迅速發(fā)展
3]。
2．1．2 連桿的制造
目前，連桿生產(chǎn)中有模鑄工藝、模鍛工藝、粉末鍛造工藝、常規(guī)粉末冶金工藝、粉末熱擠壓一鍛造工藝、碳纖維強(qiáng)化工藝等。由于模鍛成形具有接近最終產(chǎn)品的幾何形狀和尺寸精度，并同時(shí)改善其組織，能獲得更高的力學(xué)性能；模鍛鋼連桿的疲勞強(qiáng)度和可靠性高，適用于負(fù)荷大、轉(zhuǎn)速高的汽油和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，因此，在連桿制造中占據(jù)主導(dǎo)地位。普通模鍛連桿需要在鍛后進(jìn)行全身銑削加工，以消除鍛造過(guò)程中產(chǎn)生的脫碳層、氧化坑、裂紋、折疊等表面缺陷，通過(guò)這一銑削加工，會(huì)使連桿表層的纖維組織受到破壞，強(qiáng)度大幅度降低
4]。
在多年探索的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)形成了精密輥鍛—液壓模鍛錘模鍛復(fù)合工藝
5]和連桿精鍛工藝等較為先進(jìn)的工藝
6]。
鑄造連桿工藝也是一種常用的工藝方法。采用鑄造連桿有4個(gè)優(yōu)點(diǎn)
（1）與鍛造連桿相比設(shè)計(jì)的靈活性比較大；
（2）改善丁連桿的機(jī)加工性能；
（3）鑄造連桿的尺寸比較接近連桿的成品尺寸 ；
（4）在使用上能夠滿足可靠性要求
7]。
常規(guī)粉末冶金工藝制造汽車連桿已有十幾年，粉末鍛造工藝使用最廣。粉末鍛造工藝比較昂貴，較適合于小批量生產(chǎn)．或制造高負(fù)荷與高速發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿。對(duì)于大批量生產(chǎn)的．速度不高于7000rpm 的2.0L下的發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿，可用較經(jīng)濟(jì)的壓制—燒結(jié)—精整—熱處理工藝扣“斷裂剖分法”制造
8]。
傳統(tǒng)的普通模鍛和機(jī)械加工方法已難以滿足當(dāng)今汽車、摩托車等工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)產(chǎn)品高質(zhì)量、高精度、高效率、低消耗、低成本的要求。粉末鍛造技術(shù)是常規(guī)的粉末冶金工藝和精密鍛造有機(jī)結(jié)臺(tái)而發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)頗具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的少、無(wú)切削金屬加工方法。該方法以金屬粉末為原料，經(jīng)過(guò)預(yù)成形壓制，在保護(hù)氣體中進(jìn)行加熱燒結(jié)及作為鍛造毛坯，然后在壓力機(jī)上一次鍛造威形和實(shí)現(xiàn)無(wú)飛邊精密模鍛，從而獲得了與普通模鍛件質(zhì)量密度相同、形狀復(fù)雜的精密鍛件。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿是承受強(qiáng)烈沖擊及動(dòng)態(tài)應(yīng)力最高的典型動(dòng)力學(xué)負(fù)荷零件，其負(fù)荷與其自身質(zhì)量成比例，因此連桿的輕量化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)具有特別的重要意義。由于粉末鍛造采用粉末坯料的稱量法，使每根連桿得到同一質(zhì)量。因此，連桿聯(lián)接曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，明顯減輕了動(dòng)平衡所引起的影響
9]。
2．2 國(guó)外現(xiàn)狀
2．2．1 連桿的材料
鋁基復(fù)合材料，密度低、比強(qiáng)度和比模量高、抗熱疲勞性能好，但在汽車上的應(yīng)用受到價(jià)格及生產(chǎn)質(zhì)量控制等方面的制約，還沒(méi)有形成很大的規(guī)模。目前，鋁基復(fù)合材料在連桿零件上的試驗(yàn)或使用顯示出了卓越的性能，如本田公司開(kāi)發(fā)成功的由不秀鋼絲增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料連桿比鋼制連桿降重30%，對(duì)1.2L的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)可提高燃料經(jīng)濟(jì)性5%
10]。
以鈦為基加入其他合金元素組成的合金稱作鈦合金
11]。鈦有兩種同質(zhì)異晶體：882℃以下為密排六方結(jié)構(gòu)α鈦，882℃以上為體心立方的β鈦。
12]鈦合金具有比強(qiáng)度高、高溫強(qiáng)度高和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。例如用α+β系鈦合金制造的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿，強(qiáng)度相當(dāng)于45鋼調(diào)質(zhì)的水平，而重量可以降低30%。鈦合金應(yīng)用的最大阻力來(lái)自其高價(jià)格，豐田中央研究所開(kāi)發(fā)了一種成本較低的鈦基復(fù)合材料。該復(fù)合材料以Ti-6Al-4V合金為基體，以TiB為增強(qiáng)體，用粉末冶金法生產(chǎn)，已在發(fā)動(dòng)機(jī)連桿上應(yīng)用
11]。
奧貝球鐵具有優(yōu)越的耐磨性，極好的耐疲勞性，優(yōu)越的斷裂韌性，低成本，很高的強(qiáng)度和韌塑性，按美國(guó)和德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)制造的奧貝球鐵牌號(hào)，其最高強(qiáng)度級(jí)別達(dá)到1400MPa，超過(guò)了調(diào)質(zhì)鋼和滲碳鋼的強(qiáng)度水平
13]?？梢杂肁DI代替鋼制造汽車輪轂、全輪驅(qū)動(dòng)雙聯(lián)桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)齒輪、曲軸和連桿等。經(jīng)實(shí)物測(cè)量，代替鍛鋼制造曲軸可以降重10%，代替鋁合金制造載貨車輪轂每只可降重0.5kg
12]。
2．2．2 連桿的制造
粉末鍛造連桿已經(jīng)成功應(yīng)用，近年開(kāi)發(fā)的一次燒結(jié)粉末冶金連桿技術(shù)的生產(chǎn)成本較低，可實(shí)現(xiàn)11%的輕量化。德國(guó)Opel公司裝在2.0L的OHC發(fā)動(dòng)機(jī)上行駛30萬(wàn)km的效果未見(jiàn)異常
13]。國(guó)外粉末冶金燒結(jié)鍛造技術(shù)有較大發(fā)展，粉末鍛造連桿重量精度可達(dá)1%
14]。
發(fā)動(dòng)機(jī)連桿裂解加工技術(shù)是目前國(guó)際上連桿生產(chǎn)的最新技術(shù)，具有傳統(tǒng)連桿加工方法無(wú)可比擬的優(yōu)越性，其加工工序少、節(jié)省精加工設(shè)備、節(jié)材節(jié)能、生產(chǎn)成本低。此外，連桿裂解加工技術(shù)還可使連桿承載能力、抗剪能力、桿和蓋的定位精度及裝配質(zhì)量大幅度提高，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)技術(shù)水平和整機(jī)性能具有重要作用。其原理是通過(guò)在連桿大頭孔中心處設(shè)計(jì)并預(yù)制缺口(預(yù)制裂紋槽)，形成應(yīng)力集中，再主動(dòng)施加垂直預(yù)定斷裂面的載荷進(jìn)行引裂，在幾乎不發(fā)生變形的情況下，在缺口處斷裂，實(shí)現(xiàn)連桿體與連桿蓋的無(wú)屑斷裂剖分
15]。
通過(guò)國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀比較之后可以看到，高強(qiáng)度、輕量化、低成本是連桿的趨勢(shì)。制造技術(shù)水品方面，國(guó)內(nèi)和國(guó)外相當(dāng)，工藝方面，國(guó)內(nèi)和國(guó)外都有新的進(jìn)展，但國(guó)內(nèi)制造連桿的材料主要還是鋼，對(duì)于鈦合金材料、鋁基復(fù)合材料等材料的應(yīng)用遜于國(guó)外。
3 發(fā)展趨勢(shì)
節(jié)約材料，減少加工，提高制造精度，降低生產(chǎn)成本，這是國(guó)內(nèi)外連桿加工未來(lái)的理念和趨勢(shì)。就材料而言，輕質(zhì)、高耐疲勞性、斷裂韌性、較低成本及較高耐磨性的材料將會(huì)廣泛地應(yīng)用，如奧貝球鐵、鋁基復(fù)合材料等。就加工技術(shù)而言，少機(jī)械加工、高制造精度、降低生產(chǎn)成本的加工技術(shù)成為主流，如粉末鍛造、連桿裂解等加工技術(shù)。
4 組合機(jī)床現(xiàn)狀
組合機(jī)床是根據(jù)工件加工需要，以大量系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的通用部件為基礎(chǔ)，配以少量專用部件，對(duì)一種或數(shù)種工件按預(yù)先確定的工序進(jìn)行加工的高效專用機(jī)床。組合機(jī)床能對(duì)工件進(jìn)行多刀、多軸、多面、多工位同時(shí)加工。組合機(jī)床可分為具有固定夾具的單工位組合機(jī)床、具有移動(dòng)夾具的多工位組合機(jī)床和轉(zhuǎn)塔式組合機(jī)床三類。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，組合機(jī)床有了新的進(jìn)展，進(jìn)展綜述如下：高效柔性化（模塊化）如可更換多軸箱的雙坐標(biāo)或三坐標(biāo)加工模塊以及既可換箱(多鈾或單鈾)、可換刀(在單主鈾箱時(shí))的加工模塊，這樣既有較高的生產(chǎn)率，又有較高的柔性；為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高效加工，進(jìn)—步提高通用部件的快速性能和可靠性，采用新刀具材抖和新穎刀具；為了提高工作的可靠性和可利用率，在原有的三坐標(biāo)加工模塊上設(shè)打監(jiān)視主袖進(jìn)給力、功率、刀具振動(dòng)及軸承溫度的多種傳感器，顯示其工作狀況，在出現(xiàn)異常時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以便采取措施；提高加工精度。
我國(guó)組合機(jī)床及組合機(jī)床自動(dòng)線總體技術(shù)水平較發(fā)達(dá)國(guó)家相對(duì)落后，國(guó)內(nèi)所需的一些高水平組合機(jī)床及自動(dòng)線幾乎全都從國(guó)外進(jìn)口。高精度、高生產(chǎn)率、柔性化、多品種、短周期、數(shù)控組合機(jī)床及其自動(dòng)線正在沖擊著傳統(tǒng)的組合機(jī)床，因此提高組合機(jī)床加工精度、組合機(jī)床柔性、組合機(jī)床工作可靠性和組合機(jī)床技術(shù)的成套性為我國(guó)組合機(jī)床的主攻方向。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 連桿的作用及材質(zhì)要求
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[2] 曹正. 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿材料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
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[3] 王秋冰，馬鳴，盧震鳴，來(lái)建剛，李光瑾，等. 發(fā)動(dòng)機(jī)連桿用材料與工藝的發(fā)展趨勢(shì)[J]. 柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2007，l5（1）：40～41.
[4] 國(guó)內(nèi)連桿模鍛加工技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展
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[12] 鈦合金
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[13] ADI——奧貝球鐵
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[14] 我國(guó)汽車制造裝備的發(fā)展現(xiàn)狀
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[15] 楊慎華，張志強(qiáng)，寇淑清，等. 關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)連桿裂解加工關(guān)鍵技術(shù)的研究 [EB/OL].(2006-11-28)[2006-11-28].http://www.autoinfo.gov.cn/autoinfo_cn/xwzx/jszz/webinfo/2006/11/28/1184034648362221.htm.
２．本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）：
本課題是連桿合件加工工藝及關(guān)鍵工序工裝設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上，選擇關(guān)鍵工序之一進(jìn)行專用夾具及加工用組合機(jī)床設(shè)計(jì)。因此需要研究和解決的問(wèn)題如下：
（1）連桿合件加工工藝及關(guān)鍵工序工裝設(shè)計(jì)；
（2）關(guān)鍵工序之一的專用夾具設(shè)計(jì)；
（3）關(guān)鍵工序之一的加工用組合機(jī)床設(shè)計(jì)。
針對(duì)第一個(gè)問(wèn)題擬采用的研究手段如下：
熟悉連桿合件的零件圖，依據(jù)“先加工基準(zhǔn)面，后加工其他表面”，“先加工平面，后加工孔”，“先加工主要平面，后加工次要平面”，“先安排粗加工，后精加工”，再結(jié)合工件的實(shí)際情況來(lái)安排工藝路線。工藝裝備包含：刀具、量具、夾具、輔具。工藝裝備的選用及設(shè)計(jì)得依據(jù)工序及工件的實(shí)際情況。
針對(duì)第二個(gè)問(wèn)題擬采用的研究手段如下：
熟悉本工序的內(nèi)容及要求及零件尺寸、表面粗糙度的要求和形位公差的要求，了解夾具設(shè)計(jì)的原則、夾具的構(gòu)成，依據(jù)工件的實(shí)際情況設(shè)計(jì)本工序的夾具。
針對(duì)第三個(gè)問(wèn)題擬采用的研究手段如下：
了解機(jī)床的構(gòu)成，依據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)的原則，工件、夾具的具體情況，本工序的加工要求，查閱相關(guān)資料來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)床，并完成三圖一卡的制作。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告
指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
1．對(duì)“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)語(yǔ)：
2．對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見(jiàn)和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測(cè)：
指導(dǎo)教師：
年 月 日
所在專業(yè)審查意見(jiàn)：
負(fù)責(zé)人：
年 月 日