毕业设计（论文）-美国赛车连杆专用工装夹具设计.doc

内容摘要 连杆属典型零件，目前国内外都有很成熟的加工工艺规程，但针对不同批量和不同的加工设备条件，工艺规程有所不同。美国赛车连杆的杆身横截面工字型方向与普通连杆不同，此外它的每一个面都要求加工，这使得它比普通连杆更难加工。本说明书前段工艺规程针对该连杆本身的特点和现有的加工条件，包括连杆的生产批量，工厂的加工设备等来设计，为后段主体内容：钻连杆小端空间斜工艺孔，钻床专用工装夹具设计作铺垫。内容提及包括毛坯定案、基准选择、工序尺寸计算、加工设备选择、切削用量确定,及主要内容专用夹具设计。关键词： 连杆 工艺规程 专用夹具Abstract The connecting rod is a typical part. There are many mature machining technics at home and abroad currently. The body of the connecting rod of the United States races car has a different exposure of the I -shaped to the common connecting rods. In addition its each face request to process, this make it more difficult be processed than those common connecting rods to be done. In the instruction, the body of the connecting rod of the United States races car to preferring the characteristics of he connecting rod of the United States races car and the condition of the machining etc, this craft rules are well designed. The main contents includes the semi-finished product to settle case and the main contentthe special fixture frock connetting rat .Key words: connecting rod machining technics clamp目 录前言41.零件分析51.1作用及工作状况分析51.2零件的结构分析61.3零件材料的工艺性91.4零件主要表面的技术要求9141 大头孔9142 小头孔9143 大、小头孔的中心距影响到气缸的压缩比9144 连杆大头孔两端面对大头孔轴线的垂直误差9145 连杆体与连杆盖的结合面为配合面表面粗糙9146 螺栓孔的主定位孔轴线对连杆体与连杆盖的结合面91.5零件加工工艺分析91.5.1连杆加工的主要问题及工艺过程设计所采取的措施101.5.2定位基准的选择101.5.3连杆主要加工表面加工顺序和加工阶段的划分112.零件工艺路线的制定122.1毛坯种类及其工艺过程的确定122.2工艺路线方案选择132.3重点工序分析143. 专用夹具设计153.1工序加工任务及要求153.2夹具技术要求分析153.3确定夹具方案15331定位15332夹紧15333总体结构设计、钻套及钻模板153.4精度验证17结论22致谢23参考文献24美国赛车连杆专用工装夹具设计前言随着生活水平的提高以及工业的迅速发展，汽车行业也进入了一个全新的领域。汽车产品在质量，重量，工作稳定性以及可靠性等技术要求上也有了大的提高。赛车作为汽车的一种，有着比其他汽车更高的技术要求，尤其在发动机上面，超强的功率是无法比拟的。连杆作为发动机的一个重要零件，它的质量直接影响发动机的质量，从而影响赛车的整体性能。题目中的美国赛车连杆与普通连杆一样都具有刚性差，加工要求高，加工面复杂的特点，此外，该连杆还具许多自身的特点，譬如，它的每个面都需要加工，截面工字型方向与普通连杆不同等。虽然连杆是典型零件，但为了确保加工精度，提高生产率，必须对某些工序设计专用夹具。而夹具质量的高低则是通过生产效率的高低，维护方便与否，操作是否安全，以及成本的高低等指标来衡量的。 本说明书包括：零件图分析、毛坯分析、加工工艺分析、工艺路线的选择、夹具设计、工序尺寸计算等。1.零件分析1.1作用及工作状况分析 图1.1 连杆体连杆是发动机的重要零件之一，它连接活塞与曲轴（其小头经活塞销与活塞连接，大头与曲轴连杆颈连接），把作用于活塞顶面的膨胀气体的压力传给曲轴，将活塞的往复直线运动变为曲轴的旋转运动,又受曲柄的驱动而带动活塞压缩气缸中的气体。连杆工作时由于受到汽缸内气体压力的作用产生很大的压应力和纵向弯曲应力，加上活塞和连杆的自重所引起的惯性力，在连杆横断面上产生周期性变化且具有冲击性的拉压应力和横向弯曲应力。可见连杆在工作中承受着剧烈的变压力、惯性力和离心力等多向交变载荷的作用，在这样的工作不但要求连杆的精度高、表面质量高，而且要求其强度、重量轻、刚性好、韧性好、使用寿命长。1.2零件的结构分析从零件图上看该连杆总成主要组成为：连杆体、连杆盖、螺栓、定位套筒、衬套，它们的外观尺寸不大，但形状及其复杂。由于大头孔安装轴瓦后与曲轴连杆轴颈装配在一起，小头孔用活塞销和活塞连接在一起，因此其结构刚性要求高，并且加工精度要求高。连杆杆身采用从大头到小头逐渐变小的工字截面形状以减轻重量且使连杆具有足够的强度和刚度。从零件图上看本连杆与一般连杆的工字形方向不同。连杆体和连杆盖的接合面是垂直于杆身轴线的平面，要求较高。在连杆的小头孔中压入锡青铜衬套以减少活塞销和连杆小头孔的磨损及磨损后便于修理。为了保证连杆大头孔和曲轴连杆轴颈之间的运动要求，在大头孔内装入轴瓦。在连杆小头的两侧设有方向朝下的两个油孔，发动机工作时，高速旋转把气缸下部的润滑油飞溅到油孔内，以润滑连杆小头铜衬套与活塞销之间的摆动运动副。图1.2 连杆体图1.3 连杆盖1.3零件材料的工艺性 为满足强度高、韧性好的使用要求，连杆材料一般采用高强度碳钢和合金钢，如45钢、65钢、40Cr、40CrNiMo等。美国赛车连杆采用40CrNiMo合金钢，经调质处理后HRC3HRC38。40CrNiMo的综合机械性能比较好，Cr合金元素可提高淬透性,Ni合金元素可提高抗冲击，Mo合金元素可防止回火发生脆性。40CrNiMo调质状态下具有相当高的强度的同时，又具有良好的韧性，屈服强度850MN/m2,强度极限，淬透性良好，油淬临界淬透直径60100冷变形塑性中等，可焊性差，切削加工性较45#钢差。由此可见40CrNiMo合金钢适合于受冲击载荷的高强度零件，但为了保证设计图的要求，还必须对其进行消除锻件残余应力，提高综合机械性能。1.4零件主要表面的技术要求141 大头孔56.515，加工精度为IT9，粗糙度为Ra0.4。142 小头孔衬套底孔25，加工精度为IT7，粗糙度为Ra0.8。143 大、小头孔的中心距影响到气缸的压缩比。进而影响发动机的效率，该连杆的中心距为152.40.05。大、小头孔在两个相互垂直的方向上的平行度误差（即两孔轴心线的平行度和交叉度）会使活塞在气缸中倾斜，致使气缸壁磨损不均匀，缩短使用寿命，同时也使曲轴的连杆轴颈磨损加剧。该连杆小头孔的轴心线对大头孔轴心线在100mm长度上公差为0.1mm.。144 连杆大头孔两端面对大头孔轴线的垂直误差过大，将加剧连杆大头端面与曲轴连杆轴颈两端面之间的磨损，甚至引起烧伤，一般规定其垂直度公差等级应不低于9级，该连杆的大头孔两端面对大头孔轴心线的垂直度不大于0.05mm。145 连杆体与连杆盖的结合面为配合面，它的表面粗糙度为Ra0.8。146 螺栓孔的主定位孔轴线对连杆体与连杆盖的结合面的垂直度在100mm长度上小于0.15mm，精度IT7。套筒外圆精度IT6，粗糙度Ra1.6配合尺寸。1.5零件加工工艺分析连杆是典型的零件，位置精度和粗糙度的要求较高，其加工工艺已经比较成熟，但美赛车连杆与普通连杆技术要求有所不同，该连杆的所有表面全部要求加工且要求高。从外观上看，外形较复杂，不易定位，大小头孔是由细长的杆身连接，刚性差，容易产生变形。此外，毛坯虽经调质处理，仍可能存在残余内应力，对整体模锻而言，毛坯在加工中尚需将体和盖切开，体和盖装配成连杆总成后还需加工，由于内应力重新分布而产生的变形不可忽视。1.5.1连杆加工的主要问题及工艺过程设计所采取的措施(1) 连杆本身的刚度比较低，在外力（切削力，夹紧力）的作用下容易产生变形，从而影响精度。因此，必须正确确定夹紧力的方向、及其大小。夹紧力应尽量作用于连杆大、小头端面上，并垂直于端面，尽量避免使夹紧力作用于连杆杆身上；在需要将夹紧力作用于杆身时，应使夹紧力作用于刚性好的那个方向上，并采用双向浮动夹紧。在需要将夹紧力连杆轴线方向时，夹紧力大小应适当，并应使连杆端面不脱离定位元件。(2)由于连杆在工作中随着急剧变化的动载荷，受力大，要求强度高，所以要采用锻件毛坯。锻件的纤维组织方向尽量与受力方向一致，这样，综合性能较好。锻件毛坯加工余量大，切削时的切削热和切削力将产生较大的残余应力，从而会产生变形而影响加工精度，因此，在安排工艺过程时，就需要遵循粗，精加工分开的原则来划分粗，细，精，三个加工阶段的主要任务是切除掉大部分余量，并给细加工提供精度 较高的基准。细加工安排在中间，粗加工之后，精加工之前，这样，粗加工产生的变形可以在半精加工中得到修正逐步减少加工余量，切削力及内应力的作用逐步修正加工后的变形，最后达到零件的技术条件。 1.5.2定位基准的选择：由零件图分析可知，该连杆大小头的端面不在同一个平面上，为定位准确特采用了如下措施来避免因落差而产生的定位误差。首先，在加工过程中大部分工序中把大小头加工成一样的厚度，保持着同一平面，这样定位方便，夹紧也容易多，这样不但避免了上述存在着的不足之处，而且还加大了定位面积，增加了定位的稳定性，直到的最后几道工序中再加工出落差。大头端时采取铣削加工紧接着进行下一道磨销加工便可以达到图纸要求。由此可见，毛坯选取大小头两端面等高并对称的模锻件为佳。粗基准的确定：该连杆的所有表面都要求加工，这给加工带来一定的困难，为了确保连杆大小端与杆身的对称性及便于杆身后续工序的余量加工，选连杆大小头端面为粗基准。粗铣两端要求两端面与杆身的尺寸差0.5mm（要求毛坯单边尺寸差0.5mm），必限自由度三个（一平面），但为了使夹具制造简单，夹紧加工方便，限制六个自由度。在连杆机械加工工艺过程中，大部分工序选用连杆的一个指定的端面和小头孔作为精基准来定位，并用大头处指定的一侧面作为另一定位基面，这样端面的面积大，定位比较稳定，这样不仅实现了加工过程中基准统一，更重要的是使连杆的主要技术要求，如大小头孔之间的中心距要求，大小头孔的平行度要求，端面与大头孔的要求，两端面间的距离要求等，在加过程中实现基准重合，减少了定位误差。按照“基准先行”原则，作为连杆主要定位精基准的端面加工，一般安排在工艺过程最初工序进行，所以在粗加工大小头孔前，先铣两端并粗磨两端面。1.5.3连杆主要加工表面加工顺序和加工阶段的划分： 连杆的主要加工表面为大小头孔和两端面，较重要的加工表面为连杆体和连杆盖的结合面及螺栓孔定位面，次要加工表面为轴瓦锁口槽、油孔、大头两侧面及体和盖上的螺栓座面等。根据各表面加工要求和各种加工方法所能达到的经济精度，各主要表面的加工方法选择如下：两侧面：粗铣、粗磨、组合后再磨两端面：粗铣、粗磨、组合后再磨小头孔：钻孔、扩孔、粗铰、细铰、压入衬套后再精镗大头孔：粗镗、磨内孔、珩（或粗镗、半精镗、珩）螺栓孔：钻、扩、铰连杆体与连杆盖结合面：铣、磨连杆外形及形槽：铣、抛光螺栓座面：锪如果按主要表面的粗、精加工来划分连杆的加工阶段，可按连杆合装前后来分，合装前为主要表面的粗加工阶段，合装之后则为主要表面的半精加工、精加工阶段。由于连杆的加工工艺路线是围绕着主要的加工来安排的，所以其加工工艺连杆体和连杆盖的又可划分为了三个加工阶段，见表1.5.3：表1.5.3 加工工艺划分阶段阶段划分依据目的及加工内容第一阶段连杆体和连杆盖切开之前加工为后续加工准备精基准（端面 、小头孔和大头外侧面）第二阶段连杆体和连杆盖切开后的加工除精基准以外的其它表面，包括大头孔的精加工，为合装做准备螺栓孔和结合面的粗精加工以及轴瓦锁口槽 的加工等。第三阶段连杆体和连杆盖合装后的加工最终保证连杆各项技术要求的加工，包括合装后大头孔的半精加和端面精加工及大小头孔的精加工。2.零件工艺路线的制定2.1毛坯种类及其工艺过程的确定美国赛车连杆材料结构要求金属纤维方向沿着连杆杆身轴线并与连杆的外形轮廓相适应，并且没有旋状和中断现象。不允许有分层、气泡、裂纹和夹渣等。中批量生产钢制连杆时多用模段法制造毛坯。连杆锻坯形式有两种，一种是杆体和杆盖分开锻造，另一种是将杆体和杆盖锻成一体。整体锻造的毛坯需要在以后的机械加工中将其切开，为保证切开后粗镗孔余量均匀，最好将整体连杆大头孔锻成椭圆形。相对于分开锻造而言，整体锻存在所需锻造设备动力大和金属纤维被切断等问题，但由于整体锻造的连杆毛坯具有材料损耗少，锻造工时少，模具少等优点，故该连杆采用整体锻造。由于连杆是中批量生产，故采用锤上模锻较好 。连杆毛坯工序如下：下料加热拔长预锻终锻切飞边冲孔校正热处理清理检验。毛坯也可采用辊锻，其毛坯工序如下：下料加热多次辊锻整形切边冲孔热校正清理检验，但辊锻需经多次逐渐成型，比较适应大批大量生产，不适合该连杆。查机械工艺设计手册中模锻的加工余量为内外 表面加工余量为 1.72.2mm，内孔直径加工余量为2.0mm，所以统一取毛坯机加工余量为2.0mm。2.2工艺路线方案选择下面的工艺路线是参考了同组成员的设计得出来的。表2.2 工艺路线方案选择工序方 案130铣杆身两侧面0毛坯图检查135铣小头圆弧5铣两端面140铣杆身凹下表面10磨两端面145磨杆身凹下表面15钻、扩、铰小头孔150铣杆身圆弧槽20铣两侧面155车大小端面圆弧25磨两侧面160钳修圆弧30标印基准165装配衬套35铣开盖体170钻两斜孔40铣盖台阶面175打毛刺，倒角45磨盖台阶面180精镗小头孔50磨盖分合面185磨大头孔55锪盖台阶孔190铣大端平面60钻铰盖孔195磨大端平面65扩铰盖台阶孔200抛光70磨连杆体分合面205清洗75钻螺纹底孔210磁力擦伤80扩铰台阶孔215喷丸85攻螺纹孔220标印分解清洗90铣连杆盖顶部圆弧面225铣连杆盖锁口槽95铣杆盖顶部形槽230铣连杆体锁口槽100钳修R5和接刀台235钝化105中检240检验110装配245装配115磨两端面250珩磨大头孔120磨两侧面255终检125镗大头孔260油封入库2.3重点工序分析 连杆结合面定位孔的尺寸精度和位置精度都要求很高，是该连杆加工的一大难点。连杆盖上的2-12.7H7（）定位孔，与结合面的垂直度要求是在100mm长度上小于0.15mm，深11.18mm，孔心距71.120.05，粗糙度Ra1.6。连杆体上有一个12.7H7（）主定位孔和一个12.7H8（）定位孔两定位孔不但尺寸不同精度等级也不相同，一个精度高，一个精度低，这主要是有利于安装拆卸。它们与结合面的垂直度要求是在100mm长度上小于0.15mm，粗糙度过Ra1.6，孔心距71.120.05。装配时套筒与定位孔的配合为 12.7（过渡配合），为了确保连杆定位套筒和螺栓的装配精度采用一下措施来保证：(1) 在相对应的连杆盖和连杆体上用电笔标印，并用电笔标记端面定位（同一基准）。在正式夹紧前预夹各定位面，以了防止在夹紧时工件的移动。连杆盖与连杆体采用用同一钻具加工，以减少孔心距的尺寸公差，便于装配，并标印同一匹配号（不同的钻具标印不同的匹配号）。(2) 由于该工序无法用通用夹具来保证加工精度，而只能用组合夹具或设计专用夹具才能有效地保证加工要求，所以必须用专用钻具来保证工序要求，用钻具本身精度来保证垂直度和孔心距的要求。(3) 若从经济性考虑，该工序钻、扩、铰孔可使用Z512-1，其效率高，但转速= 480r/min太高，不便铰孔，所以选用Z525B，其转速=85r/min，比较合理，并能满足工序加工要求。(4) 该孔是台阶孔，必须预先加工出一个通孔，再用专用铰刀来加工。孔的直径由姣刀直接保证，孔深用钻床主轴挡块保证。(5) 该孔径较小，尺寸公差也小，通用量具不便于测量，因此选用专用塞规检测。3. 专用夹具设计（钻床夹具） 为了确保产品加工质量，提高生产率及保证生产安全，必需对某些工序设计专用夹具。专用夹具的设计一般是根据本工序的具体加工要求来进行。夹具设计质量的高低，应以能否稳定地保证工件的加工质量，生产效率高，成本低，排屑方便，操作安全、省力和制造、维护容易等为了其衡量指标。3.1工序加工任务及要求 由工序图可知，本工序所加工的孔空间角度复杂，且孔的直径小，故钻孔时钻头容易引偏，所以必须设计专用钻床夹具才能保证孔的位置、形状及尺寸要求。3.2夹具技术要求分析由于该连杆大小端端面处于同一平面，所以以大小头孔端面为定位基准与设计基准重合，故=0。而且由前面工序可知各定位基准的精度，粗糙度都适合作定位用。由于所加工的孔粗糙度Ra3.2，故本工序必须分为钻、扩两个工步。此外还必须通过设计夹具的相关结构和配合要求来保证以下位置精度：(1)孔口到定位基面(2)孔中心线与连杆的对称中心面的夹角。(3)孔中心线与定位基面的夹角。3.3确定夹具方案331定位：所加工的孔具有空间角度，必须限制六个的自由度，故采用一面双销的来达到完全定位。这些元件工艺性好，易于制造，也便于配置相应的夹紧装置。332夹紧：由于钻孔直径较小，钻削扭矩和轴向力较小，故采用开口快换垫圈用螺母夹紧。333总体结构设计、钻套及钻模板为保证夹具体的刚性，设置加强筋。为了便于加工和检验在夹具体上设工艺孔。由于孔径小，故采用加长快换式钻套，为了便于零件的装夹，采用翻转式钻模板。图3.1 夹具元件图工艺孔的相关尺寸计算如下：由 得 y=4.0256由 得 x=27.9243.4精度验证 方向上： (1)确定圆柱销尺寸及公差：取(2)确定