连杆夹具设计

前 言 本文主要论述的是连杆的加工工艺及连杆小头孔加工的夹具设计。连杆是发动机的主要传动件之一，在工作中，除承受燃烧室燃气产生的压力外，还要承受纵向和横向的惯性力。因此，连杆的尺寸精度、位置精度、形状精度的要求都很高。而连杆的刚性比较差，加工时容易变形。因此，在连杆加工工艺过程的安排时，需要把各个加工表面及孔的粗加工和精加工分开进行，逐步减少加工余量、切削力及内应力的影响，并修正加工工后的变形，最后达到零件的工艺要求。关键词：连杆 变形 夹具设计 工艺要求第一章 工艺过程的制定第一节 零件图样的分析和零件图的绘制（一 ）分析零件的功用及其在部件（或总装）中的装配位置连杆在发动机中的主要作用是传递力。其大头孔与曲轴的曲柄连接，小头通过活塞销与活塞连接。其作用是将活塞受到的气体压力传递给曲轴，使曲轴做功。反过来又将曲轴的力矩传递到活塞上，驱动活塞压缩气体做功。连杆承受的是冲击载荷，因此要求质量小、强度高。由于连杆既是传力零件，又是运动杆件，所以不能单靠加大零件的尺寸来提高其承载能力，而是通过材料的合理选择和结构的优化设计来满足其综合性能要求。（二）分析零件的结构特征连杆由大头、小头和杆身等部分组成。大头为开式结构，连杆体与连杆盖用螺栓连接。大头孔和小头孔内分别安装轴瓦和衬套。为了减轻重量且使连杆具有足够的强度和刚度，连杆的杆身为工字形，其外表面不进行机械加工。其大头和小头端面与杆身对称。图1为连杆简图，通过垂直于杆身轴线的平面作为连杆体和连杆盖的结合面。为了减少活塞销和连杆小头孔的磨损及磨损后便于维修，在连杆小头孔内压入青铜衬套。大头孔内装有轴瓦，以减少大头孔和曲柄的磨损。轴瓦是通过直接在大头孔内浇注抗磨合金得到的。（三）分析零件的加工要求和加工表面的特征1 小头孔的精度连杆小头孔的尺寸公差不低于IT7，表面粗糙度Ra值不大于0.80m，圆柱度公差等级不低于7级，小头衬套的尺寸公差不低于IT6，表面粗糙度Ra值不大于.0.40m，圆柱度公差等级不低于6级.。2 大头孔的精度大头孔的轴瓦用巴士合金浇注，大头底孔的尺寸精度为IT9，表面粗糙度Ra值不大于0.80m，圆柱度公差等级不低于6级。图 1.13 平行度在大小头孔决定的平面的平行方向上，平行度公差值应不大于100：0.03，垂直于上述平面的方向上，平行度公差值应不大于100:0.06。4 中心距大、小头孔的中心距将影响到发动机压缩比，进而影响发动机的效率，所以连杆大、小头孔的中心距偏差通常为0.05。5 有关螺栓孔的技术要求连杆在工作时受急剧变化的动载荷，这一动载荷又传到连杆体和连杆盖的两个螺钉和螺母上。因此除了对螺钉、螺母的质量要求较高外，对于加工这两个螺栓孔及断面也有很高的技术要求，螺栓孔的公差等级应不大于IT8，表面粗糙度Ra的值不大于3.2m，两螺栓孔在互相垂直的两个方向的平行度公差不大于100：0.15，螺栓孔两断面对螺栓孔轴心线的圆跳动应不大于100:0.2。6 有关结合面的要求在受到动载荷时，结合面的歪斜将导致连杆体和连杆盖的错位，使底孔座和轴瓦结合不良造成轴瓦磨损不均匀。结合面的平面度将影响到连杆体和连杆盖结合的紧密程度，因而也会影响螺栓的受力情况，轴瓦的磨损情况，因此结合面采用撑断工艺，使结合后更加紧密。7 大、小头的厚度考虑到加工时的定位和加工过程中的运输要求，需要将大、小头的厚度加工一致，均为33mm。在最后的工艺过程中，才将小头孔加工至指定要求厚度。这样更加有利于保证加工精度。第二节 毛坯制造方法的选择毛坯制造方法的选择，取决于零件的结构、尺寸大小、材料和生产量等条件。连杆的材料一般采用45钢或40Cr、35CrMo并经调制处理，以提高其强度及抗冲击能力。我国有些工厂也有用球墨铸铁制造连杆的。钢制连杆一般采用锻造，在单间小批量生产时采用自由锻造或简单的胎膜进行锻造，由于我们需要的是进行中批量的生产，所以我们采用模锻。模锻是，一般分两个工序进行，即初锻和终锻。通常在切边后进行热矫正，中、小型的连杆，其大、小头的断面常进行精压，以提高毛坯精度。模锻生产率高，但需要较大的生产设备，在本课题中，我们采用45钢作为毛坯材料并经调制处理，最后采用模锻来完成。第三节 拟定机械加工工艺过程（一）、选择定位基准连杆的工艺特点是：外形较复杂，不易定位；大、小头是由细长的杆身连接，刚度差，容易变形，尺寸公差、形状和位置公差要求很严，表面粗糙度值小。这给连杆机械加工带来了许多困难。定位基准的正确选择对保证加工精度是很重要的。在机械加工工艺过程中，大部分工序选用连杆的一个指定端面和大头孔作为主要基面，并用大头处指定一侧的外表面作为另一基面。这是由于：端面的面积大，定位比较稳定，用小头孔定位可直接控制大小头孔的中心距。这样就可以使各工序中的定位基准线统一起来，减少了定位误差。具体的办法是，如图2所示：在安装工件时，注意将成套编号标记的一面不与夹具的定位元件接触，在精镗小头孔时，以定位基面为定位基准将其固定在夹具上，以大头孔轴线为基准加工小头孔。为了不断改善基面的精度，基面的加工与主要表面的加工要配合。即在粗加工大、小头孔前，粗铣端面，在精镗大、小头孔前，精磨端面。由于用大头孔和端面作为定位基准，所以这些表面的加工安排的较早。在以大头孔轴线作为基准加工小头孔时，加工的工序为钻孔、扩孔和铰孔。这些工序对于较后的孔与端面的垂直度不易保证，有时会影响到后续工序的加工精度。在第一道工序中，工件的各个表面都是毛坯表面，定位和夹紧的条件都较差，而加工余量和切削力都比较大，如果在遇上工件本身的刚性较差，则对加工精度会有很大的影响。因此，第一道工序的定位和夹紧方法的选择，对于整个工艺过程的加工精度有很大的影响。连杆的加工就是如此，在连杆的加工路线中，在精加工主要表面之前，先铣两个端面，铣端面时，以连杆的大头外形和杆身作为定位基准，这种定位方法使工件夹紧时变形较小，同时可以铣工件的端面，使一部分切削力互相抵消，易于得到平面度较好的平面。同时，由于是以对称面定位的，毛坯在加工后的外形偏差也比较小。（二）、连杆主要表面的加工方法两端面：粗铣、粗磨、半精磨、精磨。小头孔：钻孔、扩孔、铰孔、精镗、压入衬套后再精镗。大头孔：粗镗、半精镗、浇注耐磨合金后精镗、精细镗。螺栓孔：钻孔、扩孔、铰孔。结合面：铣引段槽、撑断。（三）、拟定零件机械加工艺路线表 1.1 机械加工工艺路线公序工序名称工序内容工艺装备1铣粗铣大、小头孔两端面，每面留1mm的余量X52K2半精铣半精铣大、小头两端面，加工余量为0.5mmmX52K3退磁将工件退磁，避免后续加工受影响4钻以基面定位，在小头孔端面钻直径为32mm的孔Z375锪以基面、小头孔轴线锪锪小头孔倒角6粗镗以基面、大头孔轴线粗镗大头孔表面，加工到直径为65mmT687车将大头孔外表面车成圆形C61328打成套编号在杆身和连杆盖合适部位打成套编号9粗铣在大头外圆铣出螺栓孔端面X52K10精铣精铣螺栓孔平面使上下端面距离为90mmX52K11钻、扩、铰钻、扩、铰两螺栓孔，使两孔关于大头孔中心对称，且两孔间的距离为77mm。Z3712中间检测检测加工尺寸是否达到要求，并去除加工内应力。13粗磨以基面为基准，铣大、小头孔端面，铣削余量为0.3mm。M735014退磁将工件退磁，避免后续加工受影响15半精镗以基面和大头孔轴线为基准，半精镗大头孔内表面，加工余量为2mmM735016铰铰小头孔，加工余量为0.4mm，最终尺寸为33H8 k7Z3717去毛刺用锉刀挫掉毛刺18压入衬套在小头孔内压入青铜衬套气动压床19铣在大头孔过轴线切与杆身垂直的平面铣引断槽X5320撑断将连杆体和连杆盖撑断21去全部毛刺用锉刀挫掉毛刺22倒角加工螺栓孔口450倒角Z305023装配将连杆体和连杆盖合装。24精磨精磨大、小头孔两端面，是最终迟尺寸为33-0.025 -0.050M735025精铰精铰小头孔衬套到33H8 k7Z3726精镗精镗大头孔到68H8Z6827中间检测检测尺寸是否达到要求并去除加工内应力28倒角大、小头孔口到450斜角Z305029去全部毛刺去除全部毛刺30清洗在汽油溶液中清洗全部零件31探伤检测零件是否损伤并检验硬度32入库封装入库（四）、确定切削用量表 1.2 大头孔两端面加工余量及尺寸要求工序名称工序余量要求精度工序尺寸及公差粗铣2IT13340.2半精铣0.5IT1033.50.05粗磨0.3IT833.20.02精磨0.2IT733-0.025 -0.050表 1.3 小头孔两端面加工余量及尺寸要求工序名称工序余量要求精度工序尺寸及公差粗铣2IT13340.2半精铣0.5IT1133.50.05粗磨0.3IT833.20.02精磨0.2IT733-0.025 -0.050表 1.4 小头孔加工余量及尺寸要求工序名称工序余量要求精度工序尺寸及公差钻孔32IT11320.05扩孔0.6IT1032.60.03铰孔0.4IT733H8 k7表 1.5 大头孔加工余量及尺寸要求工序名称工序余量要求精度工序尺寸及公差粗镗5IT10650.05半精镗2IT9670.03精镗0.5IT867.50.08精细镗0.5IT868H8表 1.6 螺栓孔加工余量及尺寸要求工序名称工序余量要求精度工序尺寸及公差钻孔5IT11110.06扩孔0.85IT911.850.03铰孔0.15IT912+0.027 0（五）、计算确定工时定额（参考文献1）1 大头端面加工（a）粗铣背吃刀量：ap=3mm 进给量：根据表57 选取机床功率510kw 工作系统的刚度为中等 选取fz=0.080.15mm/z切削速度：根据表59 选取d/z=125/14 选取fz=0.08 v=46.6 m/min则主轴转速n=1000V/d=118.73r/min 根据表415选X52K铣床 按机床选取n=118r/min则实际切削速度V=nD/1000=46.32m/min基本时间：l=100mm l1=50mm l2=25mm fMz=nfzZ=132.16mm/ztj=(l+l1+l2)/fMz= 1.16min （b）半精铣粗糙度：根据表58 选取Ra=2.5m 取f=0.41.0mm/r fz=0.030.07mm/z 切削速度：根据表59 选取选取d/z=125/14 选取fz=0.05 v=50 m/min 则主轴转速n=1000V/d=127.39r/min 根据表415选X52K铣床 按机床选取n=150r/min则实际切削速度V=nd/1000=58.87 m/min基本时间：l=100mm l1=50mm l2=25mm fMz=nfzZ=105mm/ztj=(l+l1+l2)/fMz=1.46min （c）粗磨大头端面背吃刀量：ap=0.3mm工件运动速度：根据表535 选取v=20m/min 磨削宽度ae=80mm 进给量f=0.012mm/r磨削速度：则主轴转速n=1000V/d=79.61m/min 根据表510选M7350磨床 按机床选取n=90mm/r则实际切削速度V=nd/1000=22.61 m/min fr0=0.033mm/r tj=zbk/nfr0z=0.5min（d）精磨背吃刀量：ap=0.2mm工件运动速度：根据表535 选取v=25m/min 磨削宽度ae=80mm 进给量f=0.0048mm/r磨削速度：则主轴转速n=1000V/d=99.52m/min 根据表510选M7350磨床 按机床选取n=100r/min则实际切削速度V=nd/1000=25.12m/min fr0=0.033mm/r tj=zbk/nfr0z=0.7min2 小头端面加工（a）粗铣背吃刀量：ap=3mm 进给量：根据表57 选取机床功率510kw 工作系统的刚度为中等 选取fz=0.080.15mm/z切削速度：根据表59 选取d/z=80mm/10mm 选取fz=0.08mm/z v=44.9m/min则主轴转速n=1000V/d=178.74r/min 根据表415选X52K铣床 按机床选取n=190r/min则实际切削速度V=nD/1000=47.73m/min基本时间：l=80mm l1=28mm l2=25mm fMz=nfzZ=152.00mm/ztj=(l+l1+l2)/fMz= 0.73min （b）半精铣粗糙度：根据表58 选取Ra=2.5m 取f=0.41.0 fz=0.041mm/z 切削速度：根据表59 选取选取d/z=80mm/10mm 选取fz=0.05mm/z v=48.4 m/min 则主轴转速n=1000V/d=192.67r/min 根据表415选X52K铣床 按机床选取n=235r/min则实际切削速度V=nd/1000=59.03 m/min基本时间：l=80mm l1=28mm l2=25mm fMz=nfzZ=117.5mm/ztj=(l+l1+l2)/fMz=0.94min （c）粗磨大头端面背吃刀量：ap=0.3mm工件运动速度：根据表535 选取v=20m/min 磨削宽度ae=80mm 进给量f=0.016mm/r磨削速度：则主轴转速n=1000V/d=127.38m/min 根据表510选M7350磨床 按机床选取n=130mm/r则实际切削速度V=nd/1000=20.41 m/min fr0=0.033mm/r 基本时间：tj=zbk/nfr0z=0.7min（d）精磨背吃刀量：ap=0.2mm工件运动速度：根据表535 选取v=25m/min 磨削宽度ae=80mm 进给量f=0.0061mm/r磨削速度：则主轴转速n=1000V/d=159.23m/min 根据表510选M7350磨床 按机床选取n=160r/min则实际切削速度V=nd/1000=25.12m/min fr0=0.033mm/r 基本时间：tj=zbk/nfr0z=0.8min3 加工小头孔（a）钻小头孔加工孔径：32mm切削用量：f=0.300.60mm/r切削速度：根据表522选 v=66.8m/min 则主轴转速n=1000V/d=664.8m/min根据表46选Z37钻床 n=710r/min则实际切削速度V=nd/1000=70 m/min基本时间：L=33mm l1=d/2cot kr+(12)=1.5mm l2=(14)=2mm tj=L/fn=0.17min （b）扩小头孔加工孔径：32.6mm进给量：f=0.6mm/r切削速度：根据表524选 v=67.8m/min则主轴转速n=1000V/d=662.34m/min根据表46选Z37钻床 n=710r/min则实际切削速度V=nd/1000=72.68 m/min基本时间：L=33mm l1=(D-d)/2cot k+(12)=1.5mm tj=L/fn=0.08min（c）铰小头孔加工孔径：33mm进给量：根据表531选 f=0.400.60mm/r切削速度：根据表531 v=1.25m/min则主轴转速n=1000V/d=28.95m/min根据表49选Z550钻床 n=32r/min则实际切削速度V=nd/1000=3.31 m/min基本时间：L=33mm l1=(D-d)/2cot k+(12)=1.5mm tj=L/fn=1.07min4 大头孔加工（a）粗镗选用硬质合金刀切削用量：根据表530 f=0.31.0mm/r切削速度：根据表530 v=4060m/min 选取v=50m/min则主轴转速n=1000V/d=244.9m/min根据表410选T68镗床 n=300r/min则实际切削速度V=nd/1000=61.23 m/min基本时间：L= 33mm l1=ap/tan kr+(23)=2.5mm l2=(35)=4mmtj=L/fn=0.16min（b）半精镗选用硬质合金刀切削用量：根据表530 f=0.20.8mm/r切削速度：根据表530 v=80120m/min 选取v=90m/min则主轴转速n=1000V/d=427.79m/min根据表410选T68镗床 n=450r/min则实际切削速度V=nd/1000=94.67 m/min基本时间：L= 33mm l1=ap/tan kr+(23)=2.5mm l2=(35)=4mmtj=L/fn=0.73min（c）精镗选用硬质合金刀切削用量：根据表530 f=1.04.0mm/r切削速度：根据表530 v=820m/min 选取v=15m/min则主轴转速n=1000V/d=70.77m/min根据表410选T68镗床 n=90r/min则实际切削速度V=nd/1000=19.07 m/min基本时间：L= 33mm l1=ap/tan kr+(23)=2.5mm l2=(35)=4mmtj=L/fn=0.14min（d）精细镗选用硬质合金刀切削用量：根据表528 f=0.51.0mm/r切削速度：根据表528 v=6090m/min 选取v=85m/min则主轴转速n=1000V/d=398.08m/min根据表410选T68镗床 n=400r/min则实际切削速度V=nd/1000=85.4m/min基本时间：L= 33mm l1=ap/tan kr+(23)=2.5mm l2=(35)=4mmtj=L/fn=0.14=0.12min5 螺栓孔加工（a）钻螺栓孔加工孔径：11mm切削用量：f=0.100.20mm/r切削速度：根据表522选 v=60.4m/min 则主轴转速n=1000V/d=874.3m/min根据表46选Z37钻床 n=900r/min则实际切削速度V=nd/1000=70 m/min基本时间：l=90mm l1=d/2cot kr+(12)=1.5mm l2=(14)=2 mm tj=L/fn=0.69min （b）扩小头孔加工孔径：11.85mm进给量：f=0.85mm/r切削速度：根据表524选 v=66.8m/min则主轴转速n=1000V/d=973.63m/min根据表46选Z37钻床 n=1120r/min则实际切削速度V=nd/1000=76.34 m/min基本时间：L=90mm l1=(D-d)/2cot k+(12)=1.5mm tj=L/fn=0.10min（c）铰小头孔加工孔径：12mm进给量：根据表531选 f=0.400.50mm/rr切削速度：根据表531 v=1.25m/min则主轴转速n=1000V/d=79.61m/min根据表49选Z550钻床 n=89r/min则实际切削速度V=nd/1000=3.35 m/min基本时间：L=90mm l1=(D-d)/2cot k+(12)=1.5mm tj=L/fn=0.15min总辅助时间：tb=(0.150.2)=1.56min作业时间：tw=+ tb=11.96min布置工地时间：ts= tw(0.020.07)=0.60min休息与生理需要时间：tr= tw(0.020.04)=0.35min单件工时定额：tt= tj+ tb+ ts+ tr=12.91min6 批量计算本课程设计采用中批量生产，年产量为10000辆汽车，该汽车为四缸发动机。生产纲领：N=Qm(1+a)(1+b)=73920 Q产品的年产量 m一件产品中相同零件的数目 a零件的备品率 n零件的废品率批量：n=N/M=1540 M零件全年投入批次第二章 专用机床夹具设计第一节 专用机床夹具结构设计前，应考虑的一些问题（一）、专用机床夹具结构的机械化程度和生产纲领相适应。在大批量生产时，应采用机械化程度较高的气动、液动或其他高效、省力的夹紧装置，以缩短装载工件的辅助时间和减轻工人的劳动强度。而中批量生产时，为使经济行良好，因受生产条件的限制，应尽可能使夹具结构简单，多采用手动夹紧机构。本课题为中批量生产汽车发动机连杆，故采用手动夹紧机构。（二）、专用机床夹具零件标准化程度高。为缩短夹具设计时间，提高夹具设计质量和降低夹具制造周期及成本，夹具设计时应尽可能采用结构成熟的标准夹紧机构，标准夹具元件和标准件。（三）、夹具结构应具有足够的刚度、强度和稳定性。为保证加工要求和夹具本身的精度不受破坏，以及加工中夹具不发生振动等，夹具结构应具有较高的刚度和强度，夹具安装在机床工作台上应该具有良好的稳定性。所以夹具体底面轮廓尺寸与夹具高度应适当成比例。（四）、装夹工件要方便、操作要安全。夹紧机构的操作手柄放在右侧，防止基金机构的活动件与机床、刀具相碰撞。（五）夹具元件、零件制造和夹具装配工艺性良好。第二节 专用机床夹具设计步骤（一）、专用机床夹具结构方案设计1 定位方案选择与分析（a）分析第一类自由度：在加工小头孔时，需要限制的第一类自由度为沿x、y方向的移动和转动、沿z轴的转动。（b）选择和设计定位元件：根据夹具对工件定位的可能性，对工艺上给定的定位基准进行分析其可行性。最终决定采取圆形定位柱（图 ）V型块（图 ）和夹具体上的大平面作为定位元件。其中定位柱限制工件沿x、y方向的移动和转动，V型块限制沿z轴的转动夹具体上的大平面作为辅助支撑，用来保证零件在加工过程中的刚度和稳定性。（c）定位精度的分析与计算： 在制造夹具体时的技术要求如下图 2.1夹具体的尺寸：+0.015 0 mm +0.03 -0.03mm 170+0.015 -0.015mm定位销的尺寸：+0.005 -0.005 mm 0 -0.0015mm在加工过程中小头孔的圆度有机床刀具保证，中心距有夹具保证。检验中心距定位误差：基准不重合误差jb=0基准位移误差jy=0.02+0.03+0.03=0.08mm0.1mm根据检验的夹具的定位误差小于零件的实际误差，所以夹具设计符合要求。2 导向、对刀元件的选择与设计根据加工表面的形状和加工要求，在夹具适当位置处设置导向元件（钻小头孔时的钻套）。其结构简图如下（3）夹紧机构的设计根据工件的工作特点，加工要求和对夹紧力的要求，应合理选择或设计夹紧机构的尺寸大小。在本课程设计中，夹具夹紧机构尺寸，按照经验方法确定。其生产类型为中批量生产，所以夹紧机构选择为手动夹紧。其结构简图如图所示。图 2.3（4）确定机床夹具与机床间的正确位置的保证方法和连接方式为保证工件的加工要求，不仅要使工件相对于机床夹具定位元件等要占有正确的位置，而且还应使机床夹具相对于机床也要占有正确的位置。在加工连杆的小头孔时，钻床夹具与机床件