发动机活塞、连杆组件
发动机活塞、连杆组件
汽车关键零部件发动机活塞、连杆组件一、概述活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴瓦等组 成，如下图所示。活塞活塞、连杆组件二、活塞发动机是汽车的成本与技术最为集中的部分，活塞作为 发动机的重要零件，对发动机的整体性能有着重要的影响。 现代先进的发动机，其活塞的设计相当复杂，已发展成为集 轻质高强度新材料、异形外圆复合型面(裙部为中凸变椭圆型 面)、异形销孔等多项新技术于一体的高技术含量的产品。活 塞的加工精度要求高，其裙部横向椭圆度精度达0.005mm，纵 向中凸曲线精度达0.005-0.01mm。1. 功用、要求与构造：活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，活塞 顶部还是燃烧室的组成部分。 工作条件：活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。活塞直接 与高温气体接触，瞬时温度可达2500K以上，因此，受热严重，而散热条件又 很差，所以活塞工作时温度很高，顶部高达600～700K，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是作功行程压力最大，汽油机高达3～ 5MPa，柴油机高达6～9MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用；活塞在气缸内以很高的速度(8～12m/s)往复运动，且速度在不断地变化， 这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条 件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃 气的化学腐蚀作用。要求：(1) 要有足够的刚度和强度，传力可靠；(2) 导热性好，耐高压、耐高温、耐磨损；(3) 质量小，重量轻，尽可能减小往复惯性力。构造：活塞可分为三部分，活塞顶部、活塞头部和活 塞裙部。
1）活塞顶部活塞顶部承受气体压力，它是燃烧室的组成部分，其形 状、位置、大小都和燃烧室的具体形式有关，都是为满足可 燃混合气形成和燃烧的要求，其顶部形状可分为四大类，平 顶活塞、凸顶活塞、凹顶活塞和成型顶活塞。平顶活塞顶部是一个平面，结构简单，制造容易，受热 面积小，顶部应力分布较为均匀，一般用在汽油机上，柴油 机很少采用。 凸顶活塞顶部凸起呈球顶形，其顶部强度高，起导向作 用，有利于改善换气过程，二冲程汽油机常采用凸顶活塞。 凹顶活塞顶部呈凹陷形，凹坑的形状和位置必须有利于 可燃混合气的燃烧，有双涡流凹坑、球形凹坑、U形凹坑等等。
2）活塞头部活塞头部指第一道活塞环槽到活塞销孔以上部分。它有数 道环槽，用以安装活塞环，起密封作用，又称为防漏部。 柴油机压缩比高，一般有四道环槽，上部三道环槽安装气 环，起密封作用，最下一道环槽安装油环，起润滑作用；汽油 机活塞一般有三道环槽，上面两道环槽为气环槽，最下一道环 槽为油环槽。 在油环槽底面上钻有许多径向小孔，使被油环从气缸壁上 刮下的机油经过这些小孔流回油底壳。第一道环槽工作条件最 恶劣，一般应离顶部较远些。活塞顶部吸收的热量主要也是经过防漏部通过活塞环传给 气缸壁，再由冷却水传出去。总之，活塞头部的作用除了用来 安装活塞环外，还有密封作用和传热作用，与活塞环一起密封 气缸，防止可燃混合气漏到曲轴箱内，同时还将(70～80)%的 热量通过活塞环传给气缸壁。3）活塞裙部活塞裙部指从油环槽下端面起至活塞最下端的部分，它 包括装活塞销的销座孔。活塞裙部对活塞在气缸内的往复运 动起导向作用，并承受侧压力。 裙部的长短取决于侧压力的大小和活塞直径。所谓侧压 力是指在压缩行程和作功行程中，作用在活塞顶部的气体压 力的水平分力使活塞压向气缸壁。压缩行程和作功行程气体 的侧压力方向正好相反，由于燃烧压力大大高于压缩压力， 所以，作功行程中的侧压力也大大高于压缩行程中的侧压力 （见下图）。活塞裙部承受侧压力的两个侧面称为推力面， 它们处于与活塞销轴线相垂直的方向上。
2.活塞的变形及采取的相应措施：（1）变形原因：热膨胀、侧压力和气体压力。（2）变形规律及结构措施 1） 活塞的热膨胀量大于气缸的膨胀量，使配缸间隙变小。 因活塞温度高于气缸壁，且铝合金的膨胀系数大于铸铁； 2） 活塞自上而下膨胀量由大而小。因温度上高下低，壁 厚上厚下薄； 3） 裙部周向近似椭圆形变 化，长轴沿销座孔轴线方向。 因销座处金属量多而膨胀量大， 以及侧压力作用的结果。为了使裙部两侧承受气体压力并与气缸保持小而安全的间 隙，要求活塞在工作时具有正确的圆柱形。但是，由于活塞裙 部的厚度很不均匀，活塞销座孔部分的金属厚，受热膨胀量大， 沿活塞销座轴线方向的变形量大于其他方向。另外，裙部承受 气体侧压力的作用，导致沿活塞销轴向变形量较垂直活塞销方 向大。 这样，如果活塞冷态时裙部为圆形，那么工作时活塞就会 变成一个椭圆，使活塞与气缸之间圆周间隙不相等，造成活塞 在气缸内卡住，发动机就无法正常工作。因此，在加工时预先 把活塞裙部做成椭圆形状。椭圆的长轴方向与销座垂直，短轴 方向沿销座方向。这样活塞工作时趋近正圆。
活塞沿高度方向的温度很不均匀，活塞的温度是上部高、 下部低，膨胀量也相应是上部大、下部小。为了使工作时活 塞上下直径趋于相等，即为圆柱形，就必须预先把活塞制成 上小下大的阶梯形、锥形。活塞头部形状示意图锥形裙部活塞示意图现代发动机活塞已普遍发展为中凸变椭圆型面，其纵剖 面廓形为中凸的指数或幂函数，横截面的廓形大都采用椭圆 的2阶近似曲线或椭圆—偏心(正)圆等的组合曲线。设计椭圆 形裙部的目的是防止热态时活塞沿销轴方向的过度膨胀，从 而卡死在气缸内。中凸活塞各横截面的椭圆度可以相同，也 可以是变化的，分为等椭圆度和变椭圆度两种。 所谓等椭圆度是椭圆长轴与短轴之差沿活塞裙高度无变 化。 采用变椭圆度时，活塞椭圆度一般是沿着裙高从底到高， 从大到小按线性规律变化。采用渐变椭圆的主要目的是使活 塞在受载状态时，上下接触面接近等宽。
3. 活塞材料：随着发动机向高速度、低能耗方向发展，采用优异的活塞材料尤为重要。 目前车用发动机活塞材料以铝合金为主，其他还有铸铁、铸钢、陶瓷材料等。 铝合金的突出优点是密度小，可降低活塞质量及往复运动的惯性，因此 铝合金活塞常应用于中、小缸径的中、高速发动机上。与铸铁活塞相比，铝 合金活塞异热性好，工作表而温度低，顶部的积炭也较少。铸铁材料的金属基体以珠光体为宜，其中所含的石墨为片状、点状或球 状。发动机活塞用铸铁还应具有晶粒度的稳定性、抗热裂以及抗腐蚀一疲劳 损伤的性能。试验表明:具有细小弥散的金属基体和石墨的铸铁，尤其是含 有Cr, Ni, Mo, V, Cu等合金元素的合金铸铁，具有较好的综合性能，其中 球墨铸铁活塞强度最高。陶瓷是用于汽车发动机上的新材料，具有质量轻、耐磨、绝热性好、高 温强度高等优点。全陶瓷活塞目前还无成功的应用实例，但组合式陶瓷活塞 已在特种发动机上得到一定的应用。4.活塞的工艺特点及定位装夹形式：活塞主要表面尺寸及各表面间的相互位置精度要求较高;在加工后还要 求保证活塞裙部及顶部的壁厚均匀。上述特点与要求，使得活塞机械加工比 较困难，其加工工艺特点主要有以下几方面: 1.活塞壁薄，径向刚度差，若按一般回转体零件加工，在夹紧力和切削 力影响下很容易变形，所以在制订工艺及选择设备时，应同时注意夹压点及 装夹方式的选用。 2.活塞加工面较多，不仅各加工面尺寸精度要求较高，而且相互位置精 度要求也较高，因此在考虑工艺时，应正确选择定位基准面，以减少因定位 基准变换而引起的加工误差。同时，选用设备时，尽量选用多刀或多工位加 工机床，以减少装夹次数。 3.活塞销孔尺寸及形状精度要求很高，粗糙度要求很低，故一般采用镗 削加工。 4.由于活塞壁薄、刚性差，为防止切削力过大而引起变形，在加工时， 进刀量要小，切削速度要高。同时，重要表面(销孔、裙部外圆)的精加工要 放在最后进行。活塞的工艺特点决定了其定位装夹形式，其主要定位装夹形式如下表所示：定位装夹方式 止口定位+销孔夹紧 止口定位+顶面(中心 孔)夹紧 止口+销孔(预)定位+ 顶面夹紧 适用加工范围 活塞顶面、头部、裙部 外圆特征的加工 顶面、头部、裙部外圆 特征的加工 销孔部位特征的加工 特 点 优点:1.由于活塞内腔不加工，因此采用内止口定位可 保证各外表面(活塞顶部、头部环岸外圆、裙部外圆) 加工后，活塞壁厚均匀；2.定位形式简单可靠，适 用范围广；3.便于实现定位基准统一，减小基准变 化的误差。 缺点:1.止口仅作为基准使用，使活塞加工量变大；2. 止口加工精度、位置度要求高，加大了加工难度； 3.止口一旦误差变大，影响 后序大部分加工的精 度，存在批量废品风险。头部外圆定位及夹紧优点:1.可以实现定位基准与设计基准的统一， 如能保 证压缩高(销孔中心线到活塞顶部的尺寸)的要求；2. 环槽、裙部外圆、止口、 适用于高效率活塞加工自动线的定位装夹。 销孔、内腔特征的 缺点:1.要求毛坯均匀的壁厚，加大了铸造难度；2.不 加工 适用于顶部有凸缘的活塞；3.对机床本身有较高的 定位精度要求；4.容易引起活塞变形。 销孔部位特征的加工 优点:1.易于保证加工特征与销孔的位置精度；缺点:1. 对销孔的粗加工精度要求较高；2.只能单孔逐一加 工，增加了装夹次数。销孔定位及夹紧由于采用止口(及其辅助)定位配合以销孔或活塞顶面(中心孔)的装夹方 式简单可靠、应用范围广、可实现定位基准的统一，同时能保证活塞的各种 位置精度，目前国内外活塞行业的加工广泛采用这种定位方式。1）活塞顶部加工特征绝大多数的柴油机活塞顶部都有各种形状的凹坑，称为燃烧室。部 分活塞还具有气门坑及其开口等结构。因此，顶部加工特征一般包括:顶 面、燃烧室、气门坑、气门坑开口等。如下图所示。活塞顶面粗糙度一般为Ra1.6-3.2μm，与止口的平行度一般为0.015mm， 在加工中一般需要粗、精两次加工来完成，粗加工余量一般为1mm，精加工 余量一般为0.4mm。从活塞销孔中心线到活塞顶面的距离称为压缩高，该距 离影响发动机的压缩比，在精加工顶面时需要保证该尺寸。燃烧室一般为 回转体形状，其素线由方向、半径不同的圆弧与直线圆滑连接而成，燃烧 室精加工需要保证燃烧室的粗糙度一般为Ra3.2μm。活塞毛坯一般情况下 铸造有燃烧室凹坑，需要粗、精两次加工完成，燃烧室的粗加工与精加工 余量与顶面基本相同。也有个别活塞铸造成平顶，此时的燃烧室需要粗、 半精、精加工三次加工才能完成，因此在进行工艺分析时需要判断是否铸 造有凹坑。而气门坑及其开口由于余量较小一般一次加工至成品尺寸。 根据顶面与燃烧室的加工特征及其定位方式，一般采用车削加工，而 气门坑及其开口一般采用铣削加工。2）活塞头部加工特征活塞头部主要有2～4道环槽及环槽之间的环岸、槽侧油带、第一环槽 至顶部的火力岸组成，如下图所示。因此其加工特征主要是铁、铝环槽的 加工及环岸、火力岸外圆的加工，有时在环槽底部或槽侧油带部位还有通 向内腔的径向回油孔。铁环槽为距离顶部最近的环槽，承受的燃气温度最高、冲击力也最大。 基于这一原因，该环槽一般两槽侧具有一定的斜度，以便于与密封环更好 地接触，避免高压燃气串到裙部。铁环槽倾斜侧面的加工具有波纹度要求， 其基准直径、粗糙度都有一定的要求，且高镍铸铁由于具有“粘性”加工 特征，加工一般至少需要粗加工、精加工两次加工完成，粗加工加工出铁 环及环槽形状并为精加工留出0.3～O.5mm余量。 铝环槽槽侧为直槽，对槽侧的粗糙度、槽侧与活塞中心线的垂直度、 槽侧的直线度以及槽侧的平面度等都有较高的加工要求，而且铝环槽的加 工余量比较大、容易加工变形，因此一般至少分为粗、精两次加工来完成， 粗加工加工出形状，给精加工留下0.1 ～ 0.2mm的余量。由于加工铸铁环槽 时产生较大的切削力和热量，容易引起铝环槽的形状误差和变形，因此需 要把铝环槽的加工放在铁环槽精加工之后进行。3）活塞裙部加工特征活塞裙部是自环槽部分的油环槽下端面起至活塞底的部分，它用作引 导活塞在气缸内运动和承受侧压力。受活塞结构的影响，为保证热态下活 塞裙部的圆筒形状，以便能够与气缸很好地贴合，不至于被卡住或拉伤， 需要将活塞裙部的径向外形设计加工为椭圆形状，其长轴在垂直于销座孔 中心线平面内，短轴在销座孔中心线平面内，且椭圆度在不同的轴向位置 是变化的;而活塞长轴轴向轮廓设计加工为上小下大、到底部再小的中凸形 状，如下图所示，这种外圆形状称为中凸变椭圆。在活塞裙部下端及内腔 部位还需要加工出止口作为后续工序的定位基准。 活塞裙部外圆粗糙度一般要求1.6～3.2 μm ，且外圆对加工纹理有特殊 要求，基于外圆特殊的形状和表面纹理要求，需要经过粗加工、半精加工、 精加工三次加工才能达到技术要求，总加工余量一般在2mm左右;活塞止口 粗糙度一般要求1.6 ～ 3.2 μm ,总加工余量一般在1mm左右，因此经过粗、 精两次加工可以达到技术要求。
4）活塞销座孔加工特征活塞销座将作用在活塞顶部的气体力经过活塞销传给连杆。销座常用 加强筋与活塞内壁相连，以提高强度。为减少销座上侧的压力，常把销座 铸造成一些特殊形状，其中楔形销座是最常见的一种形式。活塞在工作时 销座孔内侧受到活塞销的反复冲击，为防止活塞该处应力集中及疲劳损坏， 常将该处设计为喇叭口形状，因其加工实现起来较困难，称为异形销孔。 活塞销孔不仅本身尺寸精度与相互位置精度要求较高，而且粗糙度要 求较低，一般为0.4～0.8 μm ，如下图所示。销座孔内有安放弹性卡簧的 卡簧槽，为安装方便，销孔内、外侧常加工出较大的内、外口倒角。基于 以上加工特征，活塞销孔加工一般需要粗、半精、精加工及超精加工三次 以上加工才能达到技术要求。为防止销孔变形，精加工一般安排在工序的 最后面完成。有些活塞为增加销孔的储油作用，还加工成椭圆形状，称为 减压腔，有时还需要在销座上加工油孔。
表：某典型活塞原加工工艺流程及工序时间表工序 1 工序内容粗车头部外圆设备数量1设备型号BHC-460工序时间(S)48备注工序时间利用率66.6723 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1516粗车止口粗车外圆及顶面 精车止口 粗镗销孔 粗精车铁环槽、倒角 粗精车铝环槽 半精车外圆 半精镗销孔 车卡簧槽、外倒角 车销孔内倒角 粗车燃烧室 精车燃烧室 精车外圆 精镗销孔 精车顶面11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1BHC-111BHC-6150 BHC-112 BHT-10 BHC-20 BHC-50A BHC-113 BHT-20 BHC-115 BHC-115 BHC-6125 BHC-6125 B HC-24 BHT-30 BHC-1142352 31 46 72 43 26 44 26 12 48 42 92 48 32 双工位 双工位31.9472.22 42.06 31.94 100.00 59.72 36.11 30.56 36.11 16.67 66.67 58.33 63.89 66.67 44.445.关键工序加工与装备：目前，国内活塞制造行业通常是由通用机床和结合活塞工艺特点的专 用设备组成机加工生产线，因此，专用设备就成为活塞切削加工的关键设 备，其功能和精度将直接影响最终产品的关键特性的质量指标。1）活塞异型外圆加工趋向于无靠模数控化活塞外圆的加工由20世纪70年代的磨削加工、80年代的立体靠模仿形 加工到90年代的数控无靠模加工技术的开发和应用，使得生产效率和加工 精度均达到新的水平，生产效率由立体靠模仿形加工时的主轴转速 800r/min提高到数控无靠模加工的2000r/min，由于数控加工排除了传统的 立体靠模仿形加工时仿形失真的因素，加工精度也大幅度提高。由于这种 加工技术的突破性进展，使得90年代以来开发设计的轿车均采用了异型外 圆复合型面的低摩擦式活塞。2）活塞异型销孔微增量加工技术：活塞销孔的加工精度为微米级，用于加工异型销孔的径向微增量进刀加 工技术，是活塞加工的关键技术之一。该技术是21世纪以来开发的一项新技 术，可用于加工椭圆形销孔、微内锥形销孔、应力曲面形销孔等，有效避免 活塞销座在高负荷状态下因应力集中而引起销座裂纹和断裂，与圆柱形销孔 相比，异型销孔的疲劳强度可提高30％以上。因其具有显著的技术经济效益， 有力地拉动了异型销孔微增量加工技术的发展，其控制精度已由0.001 mm／ 脉冲提高到了30nm／脉冲。6.非圆截面零件车削加工技术的发展非圆截面零件的切削加工一直受到人们的关注，先后推出了多种加工 工艺方法。从成形机理分析，可将现有的非圆截面零件加工工艺方法分为 机械运动合成法、靠模仿形法以及数控加工成形法几种类型1）机械运动合成法机械运动合成法是通过对工件多个方向切削运动的合成，形成非圆零件 截面。根据运动合成的机构不同，又有套车法、偏心法、周转轮系法等非圆 截面零件的车削方法。 (1)套车法 套车法是一种专门针对椭圆截面零件车削加工的工艺方法。该方法的成 形原理如下图所示，车刀的回转轴线相对于工件轴线摆动一个口交角，车刀 绕自身轴线高速回转以形成主切削运动，这样通过调整刀盘的直径d和摆动 角口的大小，便可加工出满足长短径要求的椭圆截面来，可获得较高的加工 效率与加工精度。套车法成形原理2)偏心法偏心法成形的刀具运动驱动机构如下图所示，它是个曲柄滑块机构，连 杆的两端分别与偏心轮和刀架联接，相对于机床主轴按传动比i进行转动，通 过调节偏心距的大小获取所需的刀具切削运动轨迹。偏心轮驱动机构原理图当工件随主轴回转时，刀具的运动轨迹方程为：x ? e cos? ? l 2 ? e 2 sin 2 ?? ? 2?nit / 60式中：e—偏心距；θ —偏心轮角位移；，l—连杆的长度； n—主轴的转速； i—主轴与偏心轮之间的传动比；t—时间。 加工后所得到的工件截面向径R(θ 1)为R1 (?1 ) ? r0 ? e cos ? ? l 2 ? e 2 sin 2 ??1 ? ? / i式中：r0—为非圆零件基圆半径； θ1—主轴角位移。3）周转轮系法周转轮系加工非圆截面方法的成形原理如下图所示，设轮4装在轮H上，其轴心偏心为e，它一方面绕轴O2以ωH角速度公转，另一方面又在轮 5的作用下以角速度ω4绕自身中心O1旋转。当工件与轮4同轴旋转时，通过调节O1轴的偏心距e以及角速度ωH 、 ω4便可加工出所需的非圆截面零件。周转轮系加工非圆截面方法的成形原理从而可见，上述几种机械运动合成法非圆截面零件加工工艺方法，可 以获得较高的生产效率和加工精度。然而，这些加工成形方法均需要专用 的机床机构，进给运动形式是由这些运动机构来保证，加工设备的制造成 本高；柔性较差，一种机构只能加工一类非圆截面零件，难以满足多品种 小批量生产的需要。4）靠模仿形法靠模仿形法是利用靠模来控制车刀与工件的相对运动，以形成所需的 非圆截面零件表面形状，如图1-6所示。靠模仿形法与机械运动合成车削法相比，用靠模仿形实现非圆截面零件的成形加工 具有以下特点： 1)适应的加工范围较广。对于不同的非圆截面零件，只需更换靠模便可 进行车削加工，因此靠模仿形法能完成多种非圆截面零件的车削加工。 2)可实现大进给量的切削，具有较高的加工效率。 3)适合于非圆截面零件的粗、精加工。由于此类加工方法需要凸轮靠模来控制刀具的切削运动，其机械结构 复杂，因而也存在如下的不足： 1)响应速度低，不适合于非圆截面零件的高速切削。 2)机械结构环节较多，各环节的制造与装配误差及其刚性均影响到非 圆截面零件的车削加工精度。 3)更换零件类型需要重新进行靠模的设计，而靠模的生产准备周期较 长，不利于产品的更新。 4)难以用靠模法难以加工出复杂的非圆截面零件。5）数控加工成形法自上世纪80年代初，国外一些公司开始研制非圆截面零件的数控加工车 床，是通过一套数控车削系统控制非圆截面零件的切削成形，因而有人将这 种车床称之为无凸轮加工车床。英国AE集团生产的非圆活塞数控车床采用金 刚石车刀完成非圆截面零件的切削加工，其主轴转速可达2500r／min，并一 次加工成形。与传统加工设备相比，产品的更换极为方便，更换周期大幅度 缩短，生产效率得到了极大的提高。日本株式会社大限铁工所研制了BL9CAM非圆数控车床，在加工非圆零件时主轴转速可高达3000r／min，其加工 效率提高三倍以上，仅需改变控制程序便可实现各种非圆截面零件的自动车 削加工。美国Ingersoll公司也研制了非圆截面零件无靠模数控车床，采用在 线检测技术稳定地保证了产品质量，并大大提高了生产效率。美国Cross公 司相继开发了PTM-型非圆加工数控车床，在加工变椭圆活塞时， 生产率可达150件／小时，加工误差小于±3．8／μm。在我国，对非圆截面零件的研究也取得了较大进展，并且研制出相应 的数控NC设备。 由上述可见，数控机床的问世解决了传统工艺难以解决的复杂零件加工 问题，它通过自动化加工手段，改变了传统工艺制造周期长、生产效率低的 局面。同时，数控柔性化加工设备能够满足多品种、小批量生产的自动化， 大大提高了对市场的响应能力。a)非圆截面车削进给运动轨迹非圆截面零件车削加工如右下图所示，工件的横截面形状确定了刀 具的径向进给运动。加工过程中，车刀刀尖距工件回转中心的距离x(t)必 须满足下列公式时，才能加工出所需的非圆截面形状。? x(t ) ? R(? ) ? ?? ? 2?nt / 60xx(t )非圆车削加工b)非圆截面零件数控车削关键技术分析要实现非圆截面零件的数控车削加工，必须解决以下关键技术：1)高速响应高精度伺服进给装置所谓高速响应高精度伺服进给装置是指截止频率在200Hz以上，满足 非圆数控车削的高精度进给装置。若用普通步进伺服或交、直流伺服旋转 电机作为非圆车削进给系统的驱动时，必须将这类电机所输出的回转运动 通过特定的机构转换为直线进给运动，例如滚珠丝杆螺母，这些机械传动 机构附加的运动惯量较大，给机床高速往复进给运动带来困难，而且存在 着传动误差和反向间隙误差，从而影响工件的车削加工精度。此外，目前 现有的旋转型伺服电机的角加速度尚不能满足非圆截面零件高速切削的要 求。因而，高速响应高精度伺服进给装置是实现非圆截面零件的数控车削 加工的关键技术之一。2)带有电子凸轮功能的数控系统以及相关的专用软件数控技术是实现机床加工自动化，解决复杂形状零件的中、小批量自 动化生产的重要手段，也是当今机械制造技术实现高精度、高效率、自动 化的必经之路。利用数控技术进行零件的加工，可以获取零件的高精度、 高柔性和高效率。对于非圆截面零件的加工，除了通常的数控系统功能之 外，还要求数控系统具有电子凸轮功能以及进行非圆截面零件车削的专用 软件系统，以保证刀具的进给与工件的回转运动进行协调的运动控制，获 得所需形状的零件。3)高刚性和高精度的机床结构在切削加工过程中，机床本身的运动精度、几何精度以及机械系统的 刚性都将直接或间接地影响非圆截面零件的加工质量。要获得较高的零件 加工精度，首先需要保证机床本身的精度和系统刚性。在活塞加工技术及设备的研发方面，我国自主研制了活塞专用数控机床， 其中包括活塞中凸变椭圆数控车床、活塞圆柱孔及异型销孔精密数控镗床、 多工序组合数控加工专用机床等。凸变椭圆数控车床STC3675 数控活塞外圆车床三、连杆1.概述连杆是内燃机中重要的传动零件之一，其作用是连接活塞与曲轴，将 作用在活塞上的力传给曲轴，使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动， 对外输出做功。连杆小端工作时作往复运动，大端作旋转运动，杆身作复 杂的平面运动，因此连杆的受力情况十分复杂。2.构造与要求连杆部件由连杆体， 连杆盖和螺栓、螺母等组 成，如右图所示。 在发动机工作过程中， 连杆要承受膨胀气体交变 压力和惯性力的作用，连 杆除应具有足够的强度和 刚度外，还应尽量减小连 杆自身的重量，以减小惯 性力。连杆自身的横截面 为工字形，从大头到小头 尺寸逐渐变小。连杆的主要技术要求如下：(1)小头衬套底孔的精度为7级公差等级，表面粗糙度值不大于Ra1.6μ m。 小头衬套孔相当于6级公差等级，表面粗糙度值不大于Ra0.8μ m，常按孔径 用分组互换法与活塞销分组装配，孔的圆柱度在直径公差的一半以内。(2)在大头孔中直接浇铸巴氏合金者，大头底孔为9级公差等级，采用厚 壁轴瓦者，大头底孔为8级公差等级；采用薄壁轴瓦者，大头底孔则为6级公 差等级，其圆柱度在直径公差的2／3以内，表面粗糙度值为Ra0.8μ m。 (3)大、小头孔轴线的平行度误差会使活塞在气缸中倾斜，造成气缸壁 磨损不均匀，并使曲柄销产生边缘磨损，所以平行度的允差较严，一般规定 为不大于0.03／100mm。大、小头孔轴线的扭曲度对不均匀磨损的影响较小， 一般规定扭曲度不大于0.06／100mm。大、小头孔轴心距的允差影响发动机 的压缩比，其允差为± 0.03～±0.05mm。(4)大头孔两端面对大头孔轴线的垂直度一般规定不大于0.1／ 100mm。端面表面粗糙度值一般为Ra0.8μ m。 (5)两螺栓孔轴线对大头接合面的垂直度应不大于0.15／100mm。大 头接合面对连杆螺栓导孔或螺纹孔中心线的垂直度应不大于0.10／100m m，否则会使连杆螺栓的受力情况恶化，以致连杆盖与体结合不好，轴 瓦与曲轴销产生不均匀磨损。 (6)连杆总成的重量与整台发动机上的一组连杆的重量差，应符合 产品图纸的规定。某些高速汽油机对连杆大头重量和小头重量也分别加 以规定。3.工况与受力连杆是内燃机中承受负荷最严重的零件之一，工作时同 时承受着活塞传来的气体压力、往复惯性力和它本身摆动时 所产生的惯性力的作用，这些力的大小和方向周期性变化。 在长期使用中，连杆会因活塞的剧烈推力和曲轴的高速运转 等因素，出现弯曲和扭曲现象。连杆一旦出现弯曲和扭曲， 除了会使活塞拉缸外，还会致使活塞、气缸、.曲轴等机件出 现不正常的磨损，并很容易引起疲劳破坏而断裂，导致发动 机故障，直接关系到使用人的安全，造成极严重的后果。可采用ANSYS有限元分析软件对连杆进行强度与动态特性 分析。连杆的有限元模型大头端受压工况下的约束和载荷大头端受压工况下的应力分布云图大头端受压工况下的变形云图小头端受压工况下的应力分布云图小头端受压工况下的变形云图连杆的一阶振型（XOY平面内一弯振动）连杆的二阶振型（ XOZ平面内一弯振动）连杆的三阶振型（在YOZ平面内二弯振动）连杆的四阶振型（在XOZ平面内二弯振动）连杆的五阶振型(弯扭振动)连杆的六阶振型(弯扭振动)4.特点与工艺连杆材料一般采用45号钢(精选含碳量为0.42％～0.47％)或40Cr钢等， 并经调质处理以提高强度和抗冲击能力，一般采用模锻。近年来，我国有 些工厂也逐渐用球墨铸铁制造连杆。连杆由连杆体、连杆盖和螺栓、螺母等组成。连杆小头孔中压入青铜衬 套，大头孔内装有轴瓦。连杆体与连杆盖必须牢固结合、准确定位，一般是 用精制螺栓或定位套定位，国外常用齿形凸肩定位。有些连杆在大、小头的 外侧面有定位用的工艺凸台，便于基准的统一。连杆的主要加工面是大、小头孔，大、小头端面，大头接合面及连杆螺 栓孔等。 连杆的工艺特点是：外形复杂，不易定位；刚度差，容易变形；尺寸 精度、形状精度位置精度及表面粗糙度要求很高。 连杆的机械加工主要是大、小头孔的加工，最难达到的技术要求是大、 小头孔轴线的平行度和扭曲度的要求。在确定连杆的工艺过程时应注意以下几点：(1)应符合“基准统“一”原则，尽量避免基准的更换，以减少定位 误差。 (2)工件夹紧点要选择在刚性较好的部位。(3)设计工艺用定位凸台，作为辅助基准。例如，为了保持大、小头 的两端面粗加工时对称分布于工字形中间平面，有时在连杆毛坯预先锻出 几个位于大、小头分模面的横筋台，作为粗基准。又如为了使大、小头孔 轴线位于杆身的对称中心线上，或两螺栓孔和两螺栓平面对称分布于杆身 对称中心线的两例，常在连杆大、小头的侧面设置经过加工的定位凸台或 圆弧面，作为辅助基准。(4)要求较高的表面可按粗加工、半精加工、精加工等阶段分别进行， 在粗、精加工之间可安排其它表面的加工，以保证工件有充分变形的时间， 在以后的精加工中即能消除这些变形的影响。连杆体零件图汽车发动机连杆机械加工工艺过程连杆体 工序号工序简要内容 设备12 3 4粗磨大、小头端面钻小头孔 锪小头孔两面、倒角（两次安装） 拉小头孔平面磨床立式半自动钻床 立式钻床 立式拉床56 7 8拉大头半圆孔、结合面及两侧面拉大头两螺栓平面 铣小头顶部油槽 去油槽毛刺链式拉床立式拉床 小型卧式铣床 小型钻床910 11 1213铣轴瓦的定位槽钻大头不同直径的三个同心油孔 去毛刺 精磨结合面小型卧式铣床组合机床 平面磨床检查1. 2.3.4. 5.6. 7.连杆盖零件图技术要求 锻造抽模角70； 连杆盖全部表面上不得有裂缝、迭缝、 痕皮、发裂、碰痕、毛刺、氧化皮及腐 蚀现象； 连杆盖上不得有因金属末充满锻模而产 生的缺陷，不允许焊补修整，不得有缩 孔、气泡、分层，裂缝及非金屑夹渣； 锻件需要磁力探伤并退磁，调质处理后， 硬度为223～262HBS； 连杆盖成品的金相显微组织应为细致均 匀索氏体组织，铁素体仅允许以细微颗 料状态存在； 连杆益表面脱碳层厚度应不大于0.4mm； 锻件需经喷丸处理连杆盖 工序号 1 2 3 4 56 工序简要内容 拉连杆盖两端面 拉连杆盖半圆孔、结合面及两侧面 铣轴瓦的定位槽 去毛刺 精磨结合面 检查 平面磨床 设备 立式拉床 链式拉床 专用铣床连杆总成 工序号 1 2 3 4 5 6工序简要内容 钻、铰连杆总成螺栓孔 装螺栓、垫片，旋紧螺母 扩大头孔 锪小头孔，倒角 精磨大、小头端面（两次安装） 精镗大头孔 立式钻床 立式拉床 金刚镗床 立式拉床 设备 多工位组合钻床78 9 10 11 12 13 14 15 16 17称大、小头重量，大头重量分三组在小头两面修正小头重量 绗磨大头孔 清洗 中间检查 小头孔两端倒角 小头孔两端压衬套 挤压衬套 小头孔衬套两端倒角 镗小头孔 清理毛刺特种天平立式钻床 绗磨机 清洗机立式钻床 压床 压床 立式钻床 金刚镗床181920终检校正 成品防锈连杆加工工艺中的新技术目前，国外对连杆对分离面的最新加工方法是胀断工艺。利用初始的 人为的断裂源(用拉刀加工V型槽或用激光加工V型槽)，再用一个胀开装置 将大头孔沿V型槽处断开。断开后的连杆体、盖分离面具有完全啮合的犬 牙交错的结构，能保证分离面精确吻合，同时简化了连杆螺栓孔的加工工 序，节省材料、人工和设备，且效率高，适合大规模生产，但一次性投资 较大，且对连杆的材料要求高。
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