摘 要
连杆是柴油机的主要传动件之一，其在发动机中的地位是显而易见的。它是发动机传递动力的主要运动件，在机体中做复杂的平面运动，连杆小头随活塞作上下往复运动；连杆大头随曲轴作高速回转运动；连杆杆身在大、小头孔运动的合成下作复杂的摆动。连杆在承受往复的惯性力之外，还要承受高压气体的压力，在气体的压力和惯性力合成下形成交变载荷，这就要求连杆具有耐疲劳、抗冲击，并具备足够的强度、刚度和较好的韧性。
本文主要论述了连杆的加工工艺及其夹具设计。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。
关键词: 连杆；加工余量；精度；变形；加工工艺；夹具设计
ABSTRACT
The connecting rod is one of the main driving medium of diesel engine, its status is obvious in engine. It is the main accessory of movement which can transmit the engine’s power. It can do the complex movement in the plane, the small connecting rod run the up and down with the piston；the big connecting rod is rolling in high speed with crankshaft; the connecting rod’s do the complex swing with the big and small connecting rod’s movement. Beside it is stood by the reciprocating inertia force, also under great pressure and gas pressure, the gas pressure and inertia synthesis alternating load, formed under the requires connecting rod fatigue resistance, impact resistance, and possess enough intensity, stiffness and good toughness.
This text expounds mainly the machining technology and the design of clamping device of the connecting rod. The precision of size, the precision of profile and the precision of position , of the connecting rod is demanded highly , and the rigidity of the connecting rod is not enough, easy to deform, so arranging the craft course, need to separate the each main and superficial thick finish machining process. Reduce the function of processing the surplus , cutting force and internal stress progressively , revise the deformation after processing, can reach the specification requirement for the part finally .
Keyword: Connecting rod；Deformation；Machining allowance；Precision；Processing technology；Design of clamping device
目 录
摘要…………………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract……………………………………………………………………………………Ⅱ
第 1 章 绪论……………………………………………………………………………1
1.1课题研究现状、选题目的和意义……………………………………………………1
1.2国内外研究状况和和相关领域中已有的研究成果………………………………3
1.3设计的主要内容………………………………………………………………………4
第 2 章 汽车连杆加工工艺………………………………………………………4
2.1 连杆的结构特点 ………………………………………………………………4
2.2 连杆的主要技术要求 …………………………………………………………5
2.2.1 大、小头孔的尺寸精度、形状精度 …………………………………6
2.2.2 大、小头孔轴心线在两个互相垂直方向的平行度 ………………6
2.2.3 大、小头孔中心距 ………………………………………………………6
2.2.4 连杆大头孔两端面对大头孔中心线的垂直度………………………6
2.2.5 大、小头孔两端面的技术要求…………………………………………6
2.2.6 螺栓孔的技术要求 ………………………………………………………6
2.2.7 有关结合面的技术要求…………………………………………………7
2.3 连杆的材料和毛坯 …………………………………………………………7
2.4 连杆的机械加工工艺过程 …………………………………………………8
2.5 连杆的机械加工工艺过程分析………………………………………………11
2.5.1 工艺工程的安排 …………………………………………………………11
2.5.2 定位精准的选择 …………………………………………………………11
2.5.3 确定合理的夹紧方法……………………………………………………13
2.5.4 连杆两端面的加工 ………………………………………………………13
2.5.5 连杆大、小头孔的加工 …………………………………………………13
2.5.6 连杆螺栓孔的加工 ………………………………………………………14
2.5.7 连杆体与连杆盖的铣开工序……………………………………………14
2.5.8 大头侧面的加工 …………………………………………………………14
2.6 连杆加工工艺设计应考虑的问题……………………………………………14
2.6.1 工序安排 …………………………………………………………………14
2.6.2 定位基准 …………………………………………………………………14
2.6.3 夹具使用 …………………………………………………………………14
2.7 切削用量的选择原则 …………………………………………………………15
2.7.1 粗加工时切削用量的选择原则 ………………………………………15
2.7.2 精加工时切削用量的选择原则 ………………………………………16
2.8 确定各工序的加工余量、计算工序尺寸及公差 …………………………16
2.8.1 确定加工余量 ……………………………………………………………16
2.8.2 确定工序尺寸及其公差…………………………………………………17
2.9 计算工艺尺寸链 ………………………………………………………………18
2.9.1 连杆盖的卡瓦槽的计算…………………………………………………18
2.9.2 连杆体的卡瓦槽的计算…………………………………………………19
2.10 工时定额的计算 ……………………………………………………………21
2.10.1 铣连杆大、小头平面 …………………………………………………21
2.10.2 粗磨大、小头平面 ………………………………………………………21
2.10.3 加工小头孔 ……………………………………………………………21
2.10.4 铣大头侧面 ……………………………………………………………22
2.10.5 扩大头孔 …………………………………………………………………23
2.10.6 铣开连杆体和盖…………………………………………………………23
2.10.7 加工连杆体 ……………………………………………………………24
2.10.8 铣、磨连杆盖结合面 …………………………………………………26
2.10.9 铣、钻、镗连杆总成体…………………………………………………28
2.10.10 粗镗大头孔……………………………………………………………29
2.10.11 大头孔两端倒角 ………………………………………………………30
2.10.12 精磨大、小头两平面 …………………………………………………30
2.10.13 半精镗大头孔及精镗小头孔 ………………………………………30
2.10.14 精镗大头孔 ……………………………………………………………31
2.10.15 钻小头油孔 ……………………………………………………………31
2.10.16小头孔两端倒角 ……………………………………………………31
2.10.17 镗小头孔衬套 …………………………………………………………32
2.10.18 衍磨大头孔 ……………………………………………………………32
2.11 连杆的检验 ……………………………………………………………………32
2.11.1 观察外表缺陷及观察表面粗糙度……………………………………32
2.11.2 连杆大头孔圆柱度的检验 ……………………………………………32
2.11.3 连杆体、连杆上盖对大头孔中心线的对称度的检验 ……………33
2.11.4 连杆大、小头孔平行度的检验 ………………………………………33
2.11.5 连杆螺钉孔与结合面垂直度的检验…………………………………33
2.12 本章小结 ………………………………………………………………………33
第 3 章 夹具设计 ……………………………………………………………………34
3.1 铣剖分面夹具的设计 …………………………………………………………34
3.1.1 问题的提出 ………………………………………………………………34
3.1.2 夹具设计 …………………………………………………………………34
3.2 扩大头孔夹具的设计 …………………………………………………………36
3.2.1 问题的指出 ………………………………………………………………36
3.2.2 夹具设计 …………………………………………………………………37
3.3 本章小结 ………………………………………………………………………39
第 4 章 基于Pro/E的零件设计与制造 ……………………………………39
4.1 CAD/CAM技术的形成与发展 …………………………………………………40
4.2 Pro/E软件的特点及主要功能 ……………………………………………40
4.3整体外形设计 …………………………………………………………………40
4.4 本章小结 ……………………………………………………………………………50
结论 …………………………………………………………………………………………51
参考文献……………………………………………………………………………………52
致谢 …………………………………………………………………………………………53
附录…………………………………………………………………………………………………54
第 1 章 绪 论
1.1课题研究现状、选题目的和意义
汽车工业是国民经济的支柱产业，在社会进步和经济发展中起着举足轻重的作用。在现代社会中，汽车工业不仅能为人类提供数量最多及适宜的交通运输工具，而且还能带动相关工业的发展，促进整个社会的繁荣。目前全世界的汽车总产量已经超过6400万辆，在工业发达国家中汽车工业的产值已占其国民经济总产值的8%以上，占其整个机械制造业产值的30%。汽车工业在100多年的发展过程中，经历激烈的国际市场竞争与兼并改组世界能源危机及第三次工业革命的冲击，依然发展势头强劲，并呈现出两种迥然不同的发展模式。一种是美、日、欧洲等主要工业发达国家发展汽车工业的模式：资本高度集中垄断，利用其高科技优势自主开发产品，频繁换型，采取大批量规模经营的生产方式，同时将产品输出转变为资本输出，以多种合作方式跨国经营，使汽车的生产趋于国际化。另一种是一些新兴工业发达国家发展中国家发展汽车工业的模式：采用优惠政策引进外资及先进的技术与装备，先期进口散件进行装车，之后逐步提高汽车零件的国产化率，进而达到零部件自给，最终形成自成体系的汽车工业。第二种模式中，韩国和西班牙先获得了成功经验，之后巴西、中国和墨西哥亦采用了这种模式使各自国家的汽车工业获得了快速发展。
汽车工业是当代工业大生产的典型代表。它实行大批量规模生产，追求大批量、优质量、低成本与高效益的综合经济目标。为达此目标，汽车工业要不断吸收与采纳新技术、新工艺核心材料方便的最新研究成果。目前汽车工业已成为先进制造技术的重要载体，许多高效自动的加工制造技术，如柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）等均已应用于汽车工业中。但无论是传统的制造技术还是先进制造技术，其核心均是以工艺信息内容为中心。可见工艺问题在整个制造业乃至汽车制造中的重要性[1]。
众所周知，连杆是发动机的五大主关件之一，其在发动机中的地位是显而易见的。它是发动机传递动力的主要运动件，在机体中做复杂的平面运动，连杆小头随活塞作上下往复运动；连杆大头随曲轴作高速回转运动；连杆杆身在大、小头孔运动的合成下作复杂的摆动。
连杆在承受往复的惯性力之外，还要承受高压气体的压力，在气体的压力和惯性力合成下形成交变载荷，这就要求连杆具有耐疲劳、抗冲击，并具备足够的强度、刚度和较好的韧性。
连杆材料一般采用45钢或40Cr，45Mn2等优质钢或合金钢。钢制连杆都用模锻制造毛坯。它的锻造工艺有两种方案，将连杆体和盖分开锻造，连杆体和盖整体锻造。
从锻造后材料的组织来看，分开锻造的连杆盖金属纤维是连续的，因此具有较高的强度，而整体锻造的连杆，铣切后，连杆盖的金属纤维是断裂的，因而削弱了强度。整体锻造要增加切开连杆的工序，但整体锻造可以提高材料利用率，减少结合面的加工余量。加工时装夹也比较方便。工厂中连杆的材料是40Cr，调质处理，整体锻造，只需要一套锻模，一次便可锻成，也有利于组织和管理生产。锻造师表面冷却速度快，对内产生压应力，表面应力是平衡的，但铣分开面后应力不平衡，易变形，所以要增加校力这一工序[2]。
曲轴连杆厂的连杆加工属于大批量生产，而连杆刚性差，因此工艺路线多为工序分散，大部分工序用高生产的组合机床和专用机床，并广泛地使用气动、液动夹具、以提高生产率。在加工过程中，连杆毛坯件的大头孔是椭圆的，沿椭圆短轴铣分开面，去掉加工余量，正好是一个圆与曲轴相配合，毛坯锻造后要进行磁场探伤，检验裂纹，并校直保证直线度。在车间，连杆的工艺过程卡把工序排为40多个，主要分为粗加工，半精加工和精加工三个阶段。
首先进行两端面加工。连杆的两端面是连杆加工过程中最主要的定位基准面，而且在许多工序中使用，所以应先加工它，且随着工艺过程的进行要逐渐精化其基准，以提高其定位精度。在车间铣两端时，为保证两端面对称于杆身轴线，以杆身定位，在专用铣床上装两把硬质合金端铣刀盘，工件装夹在回转工作台上作低速回转进给运动，加工完一个面，转过180°再加工另一端面。然后采用双端面磨床进行磨削，以保证两端面的平行度和高的生产率。
连杆大小头端面对称分布在杆身的两侧，由于大小头孔厚度不等，所以大头端面与同侧小头端面不在一个平面上，用这样不等高面作定位基准，必定会产生定位误差。因大小头厚度公差要求不高，工厂在制定工艺时采用最经济的方法加工成一样的厚度。这样，以任一端面、小头孔及工艺凸台作为大部分工序的统一定位基准，有利于保证连杆的加工精度，而且端面面积大，定位也比较稳定。
连杆大小头孔德加工时连杆加工中的关键工序，尤其大头孔的加工时连杆各部位加工中要求最高的部位，直接影响连杆成品的质量。
一般先加工小头孔，因尺寸小，锻坯上不锻出预孔，所以小头孔首道工序为钻削加工，加工方案多为：钻--扩（拉）--镗（铰），采用有三个爪的浮动夹板，自动定心夹紧，它的锥度和小头锥度相同，并用大孔心轴定位，避免转动。然后加工大头孔，一般都会锻出预孔，所以加工方案为粗镗--半精镗--精镗。采用整体锻造大头孔在半精镗之后将连杆身盖铣开，并以分开面定位钻螺纹出孔，斜剖式结构连杆刚性不足，设计时加浮动支撑，然后合钻扩，攻螺纹保证同轴度，修正螺纹孔时，可用铣刀扩孔，不用钻头，以消除向下的力。这一工序主要保证螺纹孔的垂直度，可将垂直度转化为平行度进行检验。
组装后精镗大小头孔，在专用双轴镗床上同时进行。大小头孔的光整加工是保证孔的尺寸，形状精度和表面粗糙度不可缺少的工序。大孔的衍磨是一种有切屑的加工，去掉波峰，提高孔德圆柱度，小孔的滚压则是一种无切屑的加工，把波峰压下去，降低表面粗糙度。
连杆本身刚度比较低，易变形，所以在安排工艺时应把各主要面粗、精加工工序分开，这样，粗加工产生的变形在半精加工中得到修正，半精加工产生的变形在精加工中得到修正，最后达到零件的技术要求[3]。
1.2 国内外研究状况和和相关领域中已有的研究成果
随着科学技术的发展，各料、新工艺和新技术不断涌现，机械制造工艺正向高质量、高生产率和低成本方向发展。电火花、电解、超声波、种新材激光、电子束和离子束加工等工艺的出现，已突破传统的依靠机械能、切削力进行切削加工的范畴，可以加工各种难加工材料、复杂的型面和某些具有特殊要求的零件。
数控机床的出现，提高了更新频繁的小批量零件和形状复杂的零件加工的生产率及加工精度。特别是计算方法和计算机技术的迅速发展，大大推进了机械加工工艺的进步，使工艺过程的自动化达到了一个新的阶段。目前，数控机床的工艺功能已由加工循环控制、加工中心，发展到适应控制。加工循环控制虽可以实现每个加工工序的自动化，但不同的工序中刀具的更换及工件的重新装夹，仍须人工来完成。加工中心是一种高度自动化的多工序机床，能自动完成刀具的更换，工件的转位和定位，主轴和进给量的变换等，使工件在机床上只安装一次就能完成全部加工。因此，他可以显著缩短辅助时间，提高生产率，改善劳动条件，适应控制数控机床是一种具有“随机应变”功能的机床，他能在加工中，根据切削条件的变化，自动调整切削条件，是机床保持最佳状态下进行加工，因而有效提高加工效率，扩大品种，更好的保证了加工质量，并达到最大的经济效率。
近年发展起来的以计算机为行动中心，完成加工、装卸、运输、管理的柔性制造系统，具有监视、诊断、修复、自动转位加工产品的功能，使多品种、中小批量生产实现了加工自动化，大大促进了自动化的进程，尤其是将计算机辅助设计与制造结合起来而形成的计算机集成制造系统，是加工自动化向智能化方向发展的又一关键性技术，并进一步朝着网络化、集成化和智能化的方向发展。
工艺装备的设计、制造、使用和管理，体现着一个企业的工艺技术水平，夹具设计与制造又是制造环境中的生产准备周期时间和加工成本的重要因素，工装设计水平的高低，很大程度上反映出企业制造能力的高低。
夹具设计与制造是机电产品设计与制造的一项重要步骤，传统的夹具设计制造时需大量的工时消耗和金属材料的消耗。目前，基于特征参数化技术已在机电产品设计与制造的各个阶段得到广泛的应用，夹具设计也必须向标准化、系统化、参数化方向发展。而且，为了适应我国加入WTO后机电产品的创新能力和尽快机电产品设计制造的全程仿真，快速组合夹具的发展正是适应了这种要求。
夹具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展[4]。
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