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大型柴油机连杆钻孔夹具设计及有限元分析
??:未知 ??:admin ??:2019-06-27 ??:
 

  连杆作为柴油机的主要传动部件之一,联接柴油机活塞与曲轴,其加工精度将影响柴油机整体的运转性能。作为大型柴油机连杆,由于其体积与质量较大、结构特殊和油孔复杂等特性,因此会出现加工困难、加工精度不高和加工方式多样等问题。随着市场的发展,用户对产品的质量要求越来越高,因此提高产品的效率与质量成为亟待解决的问题。

  连杆在实际加工过程中,由于受连杆盖的影响,无法实现一次装夹完成连杆体与盖联接螺栓孔及油孔的加工,目前,部分企业加工连杆体与盖联接螺栓孔采用一套夹具,加工连杆体油孔采用另一套夹具,因此,加工过程需要采用不同设备,经过两道工序才能完成,在批量生产中造成加工效率较低。由于大型柴油机连杆体积较大、长度较长,部分企业设计的夹具存在设计高度较高、设计定位与夹紧装置不合理等问题,造成连杆体与盖联接螺栓孔的加工精度无法满足公差要求,连杆体与连杆盖结合不良,影响连杆体与盖联接螺栓的承载能力,最终导致连杆体与连杆盖在柴油机运行时出现脱离现象,俗称“蹬腿”。针对上述出现的问题,本文设计的连杆钻孔夹具,能实现在一套夹具中,采用简单的立式加工中心,经过3次装夹完成连杆体与盖联接螺栓孔及复杂油孔的加工;同时,采用Creo软件中的Simulate模块,用静力学分析方法分析了实际工况下旧式钻床用连杆钻孔夹具与本文设计的连杆钻孔夹具的整体变形情况,并进行了比较分析。

  本文设计的夹具适用于加工300型号连杆,具体加工工序与加工设备如表1所示。在加工连杆体与盖联接螺栓孔及油孔之前,连杆体与连杆盖的两侧平面已粗加工,连杆体与连杆盖结合面已加工,连杆大、小孔已完成粗加工工序。

  旧式钻床用连杆钻孔夹具(见图1a)、旧式镗床用钻油孔夹具(见图1b)为企业目前用于加工连杆体与盖联接螺栓孔与加工连杆油孔的两套夹具,图1a夹具用于加工连杆体与盖联接螺栓孔,设备采用Z3040摇臂钻床,需人工定位钻模孔后加工联接螺栓孔,存在加工效率低等问题。图1b夹具用于加工连杆体油孔,由于两处油孔位置成90°,设备采用TPX6111B镗床,夹具的安装需要成一定角度,安装找正比较麻烦。

  连杆钻孔夹具设计如图2所示,图2a为加工连杆体与盖联接螺栓孔时连杆安装图,利用图中件4、件5和件3控制连杆6个自由度,对连杆进行完全定位,然后用压板夹紧连杆体与连杆盖,件1和件2用于快速定位加工连杆体与盖联接螺栓孔及连杆体螺纹孔。图2b为加工连杆体油孔1时连杆安装图,利用图中件6、件8和件9对连杆体进行六点定位,利用压板压紧连杆体,件7用于快速定位加工油孔1。图2c为加工连杆体油孔2时连杆安装图,利用图中件6、件11和件9对连杆体完全定位,利用一块压板压紧连杆体,件10用于快速定位加工油孔2。图2d为连杆钻孔综合夹具左视图,由图可以发现,件1、件2和件7由轴联接,能实现沿轴翻转,方便连杆的安装,件10靠图中件13固定联接,可在安装连杆时拆卸,连杆安装完成后重新装上,便于连杆的安装。利用这一夹具能方便快速的安装连杆及快速加工连杆体与盖联接螺栓孔和连杆体油孔。

  加工连杆体与盖联接螺栓孔及油孔前,连杆体与连杆盖为实体孔,无预留铸造孔,根据实际加工工况,为提高加工效率,设备采用沈阳机床股份有限公司的EGC1016龙门立式加工中心,刀具采用高速钢刀具,具体刀具与切削参数如下:螺栓孔刀具直径D1=28mm;螺栓孔丝锥直径D2=27mm;油孔刀具直径D3=10mm;D4=14mm;主轴转速n=1 000r/min;进给速度f=0.2mm/r。

  由于连杆体与盖联接螺栓孔要求较高的精度,连杆油孔精度无较高要求,所以需要对加工连杆体与盖联接螺栓孔时夹具受力与整体变形情况进行分析。实际加工过程中,夹具会受到多方面的力,包括装夹工件产生的夹紧力、加工连杆体与盖联接螺栓孔对夹具产生的切削推力和转矩力、工件自身的重力。正是这些力的相互结合影响夹具的变形,从而影响加工连杆体与盖联接螺栓孔的精度。

  由于连杆材料为耐热钢材料,因此,采用硬质合金刀具加工连杆体与盖联接螺栓孔,切削推力、切削转矩的计算公式如下:

  式中,P为切削推力(N);T为切削转矩(N·mm);D为钻头直径(mm);f为每转进给量(mm);Kp为修正系数,取0.852。

  工件夹紧力与加工工件时产生的切削推力和切削转矩力、工件自身的重力有关,根据静力平衡原理,夹紧力产生的摩擦力一部分抵消切削转矩力,另一部分抵消切削推力和工件自身重力,经推算夹具实际夹紧力计算公式如下:

  式中,FJO为实际夹紧力(N);K为安全系数,取2;P为切削推力(N);W为连杆重力(N),取950N;T为切削转矩(N·mm);D为钻头直径(mm);μ为摩擦系数,取0.7。

  经计算求得加工连杆体与盖联接螺栓孔时,夹具实际夹紧力FJO=5 372N。

  由于连杆体与盖联接螺栓孔的加工精度影响连杆体与连杆盖的结合,进而影响连杆体与盖联接螺栓的承载能力,因此,需要对旧式钻床用连杆钻孔夹具与本文设计的连杆钻孔夹具进行相应的变形分析与比较,看是否满足连杆体与盖联接螺栓孔加工要求。

  有限元分析采用静态模拟方式,设定各零部件为全接触式刚性固定联接,因此省略连杆钻孔夹具中的夹紧装置,为便于分析与观察,省去夹具中各钻模机构。对夹具中各零部件进行材料分布,其中连杆与定位块材料为45钢,其余夹具体及支承座材料为HT250材料。

  采用Creo软件中的Simulate模块,模拟加工其中一个连杆体与盖联接螺栓孔时,对钻床用连杆体与盖联接螺栓孔钻孔夹具与本文设计的连杆钻孔夹具的整体变形情况分别进行分析,分析结果如图3所示。图3a为旧式钻床用连杆钻孔夹具的变形等效云图,由图可以发现,变形量较大区域出现在连杆盖顶部,最大变形量为0.13mm,超出了连杆体与盖联接螺栓孔公差0~0.05mm的要求,说明旧式钻床用连杆钻孔夹具已不适合用于EGC1016龙门立式加工中心,采用高速钢刀具加工的工况。图3b为本文设计的连杆钻孔夹具的变形等效云图,由图可知,变形量较大区域也出现在连杆盖顶部,但最大变形量为0.043mm,满足连杆体与盖联接螺栓孔公差0~0.05mm的要求,因此,本文设计的连杆钻孔夹具完全可以用于EGC1016龙门立式加工中心,采用高速钢刀具进行加工连杆体与盖联接螺栓孔,有助于提高生产效率和联接螺栓孔的加工精度。

  夹具设计的好坏直接影响加工零件的质量及加工效率。本文设计的连杆钻孔夹具,能实现在一套夹具中,采用简单的立式加工中心,经过3次装夹完成连杆体与盖联接螺栓孔及复杂油孔的集成加工,提高了加工效率,降低了加工成本;通过对旧式钻床用连杆钻孔夹具与本文设计的连杆钻孔夹具进行有限元分析,发现采用立式加工中心加工连杆体与盖联接螺栓孔,使用旧式钻床用连杆钻孔夹具会产生较大变形,无法满足连杆体与盖联接螺栓孔精度要求,而使用本文设计的连杆钻孔夹具能够满足其精度要求。返回搜狐,查看更多


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