课程设计-汽车发动机连杆加工工艺及其夹具设计

汽车发动机连杆加工工艺及其夹具设计

摘要

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，并修止加工

后的变形，就能最后达到零件的技术要求。

目录

摘要.............................................................................1

绪论..............................................................................1

第一章汽车连杆加工工艺..................................................2

1.1连杆的结构特点............................................................2

1.2连杆的主要技术要求.......................................................3

1.2.1大、小头孔的尺寸精度要求、形状精度.................................3

1.2.2大、小头孔轴心线在两个互相垂直方向的平行度.........................3

1.2.3大、小头孔中心距....................................................4

1.2.4连杆大头孔两端面对大头孔中心线的垂直度.............................4

1.2.5大、小头孔两端面的技术要求.........................................4

1.2.6螺栓孔的技术要求....................................................4

1.2.7有关结合面的技术要求................................................4

1.3连杆的材料和毛坯........................................................4

1.4连杆的机械加工工艺过程..................................................7

1.5连杆的机械加工工艺过程分析...............................................8

1.5.1工艺过程的安排......................................................8

1.5.2定位基准的选择......................................................9

1.5.3确定合理的夹紧方法..................................................9

1.5.4连杆两端面的加工...................................................10

1.5.5连杆大、小头孔的加工...............................................11

1.5.6连杆螺栓孔的加工...................................................11

1.5.7连杆体与连杆盖的铳开工序...........................................11

1.5.8大头侧面的加工.....................................................12

参考文献.........................................................................15

绪论

综合设计二是我们在学校的最后一门课程，也是对三年来所学知识个一次综合应

用。本毕业设计可以很好的锻炼自己，为以后的就业做好准备。

本课题是一个典型零件，也是发动机内的重要零件。在设计中要求运用所学的

知识，以培养自己独立思考的能力，以及创新精神。

在机械加工中，机械加工工艺是机械生产过程的重要部分，是直接生产过程。

它是用刀具切削金属材料或者磨削材料已达到形状、尺寸和表面粗糙度。因此机械

加工工艺对零件由设计到成品是至关重要的。机械制造加工工艺主要是用切削的方

法改变毛坯的形状、尺寸和材料的物理性质，成为具有所需的一定精度、粗糙度等

零件。对于加工工艺的编制主要是对其加工工序的确定对机械加工工艺规程的基本

要求可以总结为质量、产生率和经济性三个方面。所以在对机械加工工艺过程、机

械制造工艺过程、加工工艺的编制时应取其长，避其短。在编制工艺过程时应在保

证零件质量的前提下，尽可能的降低生产成本。因此零件的质量、生产率和经济性

应综合考虑。

第一章汽车连杆加工工艺

1.1连杆的结构特点

连杆是汽车发动机中的主要传动部件之一，连杆的作用是传递活塞与曲轴间的

作用力，弁将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动，连杆应保证足够的强度和刚度。

连杆零件图如图1-1所示：

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图1-1

发动机连杆为模锻件，由连杆小头、杆身和连杆大头三部分组成。连杆大头是分开

的，一半为连杆盖，另一半与杆身为一体，通过连杆螺栓连接起来。连杆大头孔内

分别装有轴瓦。由于连杆体与连杆盖的结合面是与大、小头孔中心连线倾斜，故称

为斜剖式连杆。连杆小头装有青铜衬套，通过活塞销与活塞连接。连杆大头是可分

开式，内装半圆形轴瓦，大头与曲轴连杆轴连。

2

（1）连杆小头连杆小头与活塞销连接呈浮式结构，发动机工作时活塞销与连杆小

头可以相对自由转动，因此沿销的长度方向和圆周方向的磨损比较均匀。为提高摩

擦副的耐磨性，连杆小头内孔压入青铜衬套。青铜衬套分为两段，分别从小头的两

端压入。小头的顶上有一个集油孔，当曲轴旋转时，激溅起来的机油甩到活塞内腔

的顶部，冷却活塞后，落下一部分通过集油孔聚集并流入连杆的小头内孔润滑活塞

销。

（2）杆身发动机为了在最小质量时最大的强度和刚度，连杆杆身断面加工成“工”

字形。

（3）连杆大头连杆通过大头与曲轴上的连杆轴颈相连，连杆大头为分开式，采用

简单的平口结构形式。连杆大头轴承盖固定螺母为自锁型螺母，其拧紧力为

98-118N.m

1.2连杆的主要技术要求

连杆上需进行机械加工的主要表面为：大、小头孔及其两端面，连杆体与连杆

盖的结合面及连杆螺栓定位孔等。小头孔与活塞销的配合精度要求较高，如果配合

间隙过小，会影响连杆与活塞间的传动力效果，如果配合间隙过大，就会产生晃动，

使发动机在运行中发出敲击声，考虑到工作后的摩损量（）.（”，因此，安装时必须保

证连杆小孔与活塞销之间的配合间隙。要在加工中直接满足这一要求显然是困难的，

因此在装配时把连杆小头孔分成四组，每2.5um的尺寸间隔为一组，分组进行装配，

才能有效控制配合间隙。

121大、小头孔的尺寸精度要求、形状精度

大头孔065.5H5。大头孔上要装轴瓦，通过轴瓦与曲轴配合，为了保证盘好的

配合精度减小冲击的影响，大头孔的加工精度为IT6,圆柱度为0.003mm,表面粗糙

度为Ra0.8nm。小头孔中30加,〃（未装铜套）是与活塞销配合的表面，加工尺寸精

度为IT9,圆柱度公差为0.0025mm、表面粗糙Ra3.2um。

1.2.2大、小头孔轴心线在两个互相垂直方向的平行度

两个孔的轴心线在连杆轴线方向平行度误差会使活塞在汽缸里发生倾斜，从而

造成汽缸壁磨损程度不同也会让曲轴的连杆轴颈产生边缘磨损，所以两孔轴心线在

连杆轴线方向的平行度公差较小；而两孔轴心线在垂直于连杆轴线方向的平行度误

3

差对不均匀有磨损影响，因而其公差值与连杆轴线方向的平行度误差相同。两孔轴

心线在连杆的轴线方向的平行度在100mm长度上公差为0.04mm。

1.2.3大、小头孔中心距

大、小头孔中心距大小头孔的中心距影响到汽缸的压缩比，即影响到发动机的

效率，所以规定了比较高的要求：19()±().()5mm。

1.2.4连杆大头孔两端面对大头孔中心线的垂直度

连杆大头孔两端面对大头孔中心线的垂直度，影响到轴瓦的安装和磨损，甚至

引起烧伤；所以对它也提出了一定的要求：规定其垂直度公差等级应不低于IT9(大

头孔两端面对大头孔的轴心线的垂直度为100:0.1

1.2.5大、小头孔两端面的技术要求

连杆大、小头孔两端面间距离的基本尺寸相同，但从技术要求相同的，大小两

头端面的尺寸公差等级为IT9,表面粗糙度Ra不大于3.2um,这是因为连杆大头两

端面与曲轴连杆轴颈两轴肩端面间有配合要求，而连杆小头两端面与活塞销孔座内

档之间没有配合要求。所以一起加工，给加工带来了许多方便。

1.2.6螺栓孔的技术要求

在前面已经说过，连杆在工作过程中受到急剧的动载荷的作用。这一动载荷又

传递到连杆体和连杆盖的两个螺栓及螺母上。因此除了对螺栓及螺母要提出高的技

术要求外，对于安装这两个动力螺栓孔及端面也提出了一定的要求。规定：螺栓孔

按IT8级公差等级和表面粗糙度Ra应不大于6.3um加工；两螺栓孔在大头孔剖分

面的对称度公差为0.25mm。

1.2.7有关结合面的技术要求

在连杆受动载荷时，接合面的歪斜使连杆盖及连杆体沿着剖分面产生相而错位,

影响到曲轴的连杆轴颈和轴瓦结合不良，从而产生不均匀磨损。结合面主要应考虑

其垂直度、粗糙度。对于本连杆，要求结合面的平面度的公差为0.025mm。

1.3连杆的材料和毛坯

4

连杆材料一般采用45钢或4()cr、45Mn2等优质钢或合金钢，近年来也有采用

球墨铸铁的(粉末冶金)，本连杆采用45钢。

钢制连杆都用模锻制造毛坯。连杆毛坯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。

整体锻造或分开锻造的选择决定于锻造设备的能力，显然整体锻造需要有大的

锻造设备。

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，铳切后，连杆盖金属纤维是断裂的，因而消弱了强

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的利用率，减少结

合面的加工余量，加工时装夹也较方便。整体锻造只需一套锻模，一次便可锻成，

也有利于组织和管理生产。故一般只要不受连杆盖形状和锻造设备限制，均尽可能

采用连杆的整体锻造工艺。

毛坯锻模后应正火井校直。

毛坯要经过调质热处理(加工量大时最好在粗加工后进行调质处理)。其规范为:

(1)升温,88()℃,保温9()分。

(2)淬火，在浓度为1/1000的聚乙烯醇水溶液中进行，淬火硬度HRC50。

(3)回火升温580℃,保温120分，在空气中冷却。

(4)检查检查机械性能及变性量。变形量在3〜5毫米时允许整形以保证图

纸要求，但整形后必须经消除内应力的热处理。

酸洗后要对毛坏进行喷丸处理。表面喷丸是利用机械敲击产生表面残余压应力

来强化机件，可以显著地提高零件的疲劳强度。合金结构钢经表面喷丸强化后其疲

劳极限能提高4()〜5()%。喷丸还可以提高表面硬度和耐磨性，降低应力集中敏感性,

消除毛坯表面轻微脱碳的不利影想。因此，喷丸处理是一项十分有效的工艺措施。

本连杆毛坯采用整体精密模锻工艺，连杆小头孔不予锻出，其目的为了减小在钻削

小头孔时刀头偏离现象带来的加工难度。连杆大头孔结构为椭圆状，其目的是为杆

盖切离后，连杆大头孔因铳削缩短了杆盖之前的实际距离，使其接近圆以减小工作

强度。

5

目前我国有些生产连杆的工厂,采用了连杆辐锻工艺。图1-2为连杆辐锻示意图。

毛坯加热后，通过上锻辐模具2和下锻辐模具4的型槽，毛坏产生塑性变形，从而

得到所需要的形状。用混锻法生产的连杆锻件，在表面质量、内部金属组织、金属

纤维方向以及机械强度等方面都可达到模锻水平，并且设备简单，劳动条件好，生

1-上的混2-下像双极具3-连产毛蛆

4-下酸混模具5-下母爱

产率较高，便于实现机械化、自动化，适于在大批大量生产中应用。轻锻需经多次

逐渐成形。连杆短锻示意图如图l-2o

图1・2连杆辑锻示意图

图1-3、图1-4给出了连杆的锻造工艺过程，将棒料在炉中加热至1140〜1200℃,

先在辑锻机上通过四个型槽进行辑锻制坯见图1-3,然后在锻压机上进行预锻和终

锻，再在压床上冲连杆大头孔并切除飞边见图1-4。锻好后的连杆毛坯需经调质处理,

使之得到细致均匀的回火索氏体组织，以改善性能，减少毛坯内应力。为了提高毛

坯精度，连杆的毛坯尚需进行热校正。

连杆必须经过外观缺陷、内部探伤、毛坯尺寸及质量等的全面检查，方能进入机械

加工生产线。

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图1一4连杆预锻.终锻、冲孔示意图

图1一3连杆提铳制坯示理图

a）苑嵌b）终锻c）冲孔

1.4连杆的机械加工工艺过程

由上述技术条件的分析可知，连杆的尺寸精度、形状精度以及位置精度的要求

都很高，但是连杆的刚性比较差，容易产生变形，这就给连杆的机械加工带来了很

多困难，必须充分的重视。连杆机械加工工艺过程如下表1—1所示：

表1—1连杆机械加工工艺过程

机床型号

工序号工序名称定位基准

及名称

1粗铳两端面X52k以连杆两侧面定位，铳连杆大、小头两平面

2钻小头孔Z3080以基面、大头空定位，钻、扩小头孔

3铳大头两侧面X62w两孔定位，(98+0.01)

4铳开连杆X62w以基面和一侧面定位

5磨结合面M7350以基面、-一侧面小头孔定位

6加工螺栓窝座X62w以基面，结合面和-•侧面

7铳卡瓦槽铳槽专用机以基面和侧面定位、盖以侧面基面和凸台定位

8钻小油孔去毛刺Z3080以小孔、对口面和侧面定位

9加工螺栓孔Z3080以基面，结合面，小头孔，一侧面定位面

10装配专用组装机用专用螺钉螺母，将连杆体和连杆滥组装成连杆组件

11粗镣大头孔T68基面，小头孔，侧面定位

12大头孔两端倒角T68以小头孔，端面，侧定位面定位

13精铳两端面X52k一基面，大小头孔，两侧面

14半精镇大头孔T2115以基面，一侧面和小头孔定位

15精镜大头孔至尺寸T2115以基面、一侧面和小头孔定位

16较小头孔Z3080以大头孔和〜基面定位

17压铜套TY502以大头孔和一基面定位

18挤压铜套TY502以大头孔和一基面定位

19倒角Z5140以大头孔和一基面定位

20精镣小头衬套孔T2115以大头孔和一基面定位

21琦磨大头孔M4215以两侧面、基面、小头孔定位

22检查各部分尺寸及精度

7

23无损探伤以及检查硬度

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盖

的结合面及连杆螺栓孔定位面，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。

连杆的机械加工路线是围绕着主要表面的加工来安排的。连杆的加工路线按连

杆的分合可分为三个阶段：第一阶段为连杆体和盖切开之前的加工；第二阶段为连

杆体和盖切开后的加工；第三阶段为连杆体和盖合装后的加工。第一阶段的加工主

要是为其后续加工准备精基准（端面、小头孔和大头外侧面）；第二阶段主要是加工

除精基准以外的其它表面，包括大头孔的粗加工，为合装做准备的螺栓孔和结合面

的粗加工，以及轴瓦锁口槽的加工等；第三阶段则主要是最终保证连杆各项技术要

求的加工，包括连杆合装后大头孔的半精加工和端面的精加工及大、小头孔的精加

To如果按连杆合装前后来分，合装之前的工艺路线属主要表面的粗加工阶段，合

装之后的工艺路线则为主要表面的半精加工、精加工阶段。

1.5连杆的机械加工工艺过程分析

1.5.1工艺过程的安排

连杆本身的刚度比较低，在外力作用下容易变形;连杆是模锻件，孔的加工余量较

大，切削加工时易产生残余应力。有残余应力存在,就会有变形的倾向。因此，在安排

工艺过程时，应把各主要表面的粗、精加工工序分开。这样，粗加工产生的变形就

可以在半精加工中得到修正；半精加工中产生的变形可以在精加工中得到修正，最

后达到零件的技术要求。如大头孔先进行粗镣，连杆合件加工后半精镜大头孔，精

镇大头孔。在工序安排上先加工定位基准，如端面加工的铳工序放在加工过程的前

面。

连杆工艺过程可分为以下三个阶段：

1粗加工阶段

粗加工阶段也是连杆体和盖合并前的加工阶段：基准面的加工，包括辅助基准面的

加工；准备连杆体及盖合并所进行的加工，如两者对口面的磨等。

2半精加工阶段

半精加工阶段也是连杆体和盖合并后的加工，如磨两平面，半精链大头孔及孔口倒

角等。总之，是为精加工作准备阶段。

3精加工阶段

8

精加工阶段主要是最终保证连杆主要表面一大、小头孔全部达到图纸要求的阶段，

如珀磨大头孔、精像小头孔轴承孔等。

1.5.2定位基准的选择

定位基准是设计连杆加工工艺过程的首要问题。在加工中，连杆的技术条

件能否获得保证，首先决定于定位基准的选择正确与否。

粗基准

粗基准选择是否正确，直接关系到被加工表面的余量分配和加工表面与不加工

表面间的相互位置要求。所以，选择连杆的粗基准时，应满足以下要求：

⑴连杆大小端孔及两端面应有足够而且尽量均匀的加工余量；

⑵连杆大小端孔圆柱面及两端面应与杆身纵向中心线对称；，

⑶连杆大小端外形应分别与大小端孔中心线对称。

所以在加工连杆时，第一道工序为粗铳两端面，为保证两平面有均匀的加工余

量，采用互为基准。先加工有标记的一端面，然后以加工过的端面为基准加工没有

标记的端面，并在以后的粗加工中用此端面来定位。为保证两孔的位置精度要求，

加工一孔时，常以另一孔作为定位基准，即所谓的互为基准。

精基准

选择精基准主要从经济可靠地保证连杆各加工表面间的相互位置精度出发。应

注意以下问题

⑴应避免过多地转换定位基准，应尽量选择一个使大部分工序都可用它来作为定

位基准的表面作为精基准。

（2）要选择支承面积大、精度高、定位准确、又能防止夹紧变形的表面作为精基准。

（3）要以图纸上的设计尺寸作为精基准，可避免因定位基准与设计基准不重合而引起

基准不重合误差对该设L尺寸的影响。

即由于大、小端端面面积大、精度高，定位准确，夹紧可靠，所以大部分工序选用

其一个指定的端面（消除三个自由度）和小头孔（消除两个自由度），以及大头孔处

指定的一侧面作为基准。这不仅使得基准统一，而且还减少了定位误差（基准重合）。

1.5.3确定合理的夹紧方法

既然连杆是一个刚性比较差的工件，就应该十分注意夹紧力的大小，作用力的

方向及着力点的选择，避免因受夹紧力的作用而产生变形，以影响加工精度。在加

9

工连杆的夹具中，可以看出设计人员注意了夹紧力的作用方向和着力点的选择。在

粗铳两端面的夹具中，夹紧力的方向与端面平行，在夹紧力的作用方向上，大头端

部与小头端部的刚性高，变形小，既使有一些变形，亦产生在平行于端面的方向上,

很少或不会影响端面的平面度。夹紧力通过工件直接作用在定位元件上，可避免工

件产生弯曲或扭转变形。

1夹紧力的方向对夹紧力作用方向的确定，就必须考虑下列问题：

(1)夹紧力的作用方向应朝向工件的主要基准面，把工件压向夹具定位面，以保证

工件定位的准确性。

(2)夹紧力的作用方向应使工件变形最小。

2夹紧力的着力点

夹紧力着力点的问题是指在夹紧方向的情况下，确定夹紧力着力点的位置和数目。

着力点的选择原则首先是不应破坏工件在定位时己经确定的位置。如果着力点选择

不当，会使工件产生翻转力矩。

为了防止工件切削时的振动，夹紧力的着力点应尽可能地靠近加工面，以使切削力

对夹紧力作用点的力矩最小。这是由于工件在承受平行于接触表面的切削力时最容

易产生转动现象，而转动的中心往往正是夹紧力的着力点。

由于连杆刚性较差，很容易产生夹紧变形，所以夹紧力的着力点必须作用于工件的

刚性最大的部位上，一定要避免在连杆杆身上进行夹紧。否则就会造成连杆弯曲变

形，而影响各加工表面间的相互位置精度。

应十分注意夹紧力的大小，作用力的方向及着力点位置的选择，以免因受夹紧力作

用而产生变表面形，使得加工精度降低。

在生产中，设计的粗铳两端面的夹具中，夹紧力的方向与端面平行，在夹紧力作用

的方向上，大头端部与小头端面的刚性大，即使有一点变形，也产生在平行于端面

的方向上，对端面平行度影响较小。夹紧力通过工件直接作用在定位元件上，可避

免工件产生弯曲或扭转变形。

1.5.4连杆两端面的加工

采用粗铳、精铳两道工序，并将精铳工序安排在精加工大、小头孔之前，以便

改善基面的平面度，提高孔的加工精度。

10

1.5.5连杆大、小头孔的加工

连杆大、小头孔的加工是连杆机械加工的重要工序，它的加工精度对连杆质量

有较大的影响。

小头孔是定位基面，在用作定位基面之前，它经过了钻、扩、钱三道工序。钻

时以小头孔外形定位，这样可以保证加工后的孔与外圆的同轴度误差较小。

小头孔在钻、扩、较后，达到IT9级公差等级，然后压入衬套，由于衬套的内孔与

外圆存在同轴度误差，在精馍衬套。

大头孔经过粗链、半精钱、精像、玲磨达到IT6级公差等级。表面粗糙度Ra为

0.8um,大头孔的加工方法是在铳开工序后，将连杆与连杆体组合在一起，然后进

行精锋大头孔的工序。这样，在铳开以后可能产生的变形，可以在最后精镣工序中

得到修正，以保证孔的形状精度。

1.5.6连杆螺栓孔的加工

连杆的螺栓孔经过钻、扩、钱工序。加工时以大头端面、小头孔及大头一侧面

定位。

为了使两螺栓孔在两个互相垂直方向平行度保持在公差范围内，在扩和较两个

工步中用上下双导向套导向。从而达到所需要的技术要求。

钩螺栓孔端面采用工件翻身的方法，这样铳夹具没有活动部分，能保证承受较

大的铳削力。连杆在夹具的工位上能完一个螺栓孔的两端面后，夹具上的定位板带

着工件旋转18卞，钩另一个螺栓孔的两端面。这样，螺栓孔两端面与大头孔端面的

垂直度就由夹具保证。

1.5.7连杆体与连杆盖的铳开工序

剖分面（亦称结合而）的尺寸精度和位置精度由夹具本身的制造精度及对刀精

度来保证。为了保证铳开后的剖分面的平面度不超过规定的公差0.03mm,并且剖

分面与大头孔端面保证一定的垂直度，除夹具本身要保证精度外，锯片的安装精度

的影响也很大。如果锯片的端面圆跳动不超过0.02mm,则铳开的剖分面能达到图纸

的要求，否则可能超差。但剖分面本身的平面度、粗糙度对连杆盖、连杆体装配后

的结合强度有较大的影响。因此，在剖分面铳开以后再经过磨削加工。

II

1.5.8大头侧面的加工

以基面及小头孔定位，它用一个圆销（小头孔）。装夹工件铳两侧面至尺寸，保

证对称（此对称平面为工艺用基准面）。

12

结束语

通过对发动机连杆的机械加工工艺，使我学到了许多有关机械加工的知识，让我

了解连杆件外形结构特性。然而其技术要求很高，所以适当的选择机械加工中的定

位基准，是能否保证连杆技术要求的重要问题之一。

在连杆的实际加工过程中，选用连杆的大小头端面及小头孔作为主要定位基面,

同时选用大头孔两侧面作为一般定位基准。为保证小头孔尺寸精度和形状精度，可

采用自为基准的加工原则；保证大小头孔的中心距精度要求，可采用互为基准原则

加工。对于加工主要表面，按照“先基准后一般”的加工原则。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盖的结合面及螺栓孔定位面,

次要的加工表面为轴瓦锁口槽、油孔、大头两侧面及连杆体和盖上的螺栓座面等。

连杆机械加工路线是围绕主要加工表面来安排的。连杆加工路线按连杆的分合可以

分为三个阶段：

第一个阶段为连杆体和盖切开之前的加工；

第二个阶段为连杆体和盖的切开加工；

第三个阶段为连杆体和盖合装后的加工。

机械产品品种繁多，结构及加工工艺复杂，所需要的机床专用工艺装备结构也

相应复杂。要提高工装夹具设计的智能化水平不是一件简单的事情。同时受本人学

术水平所限，加上时间仓促，本文在研究过程中，还存在一些问题需要进一步改进

和完善，主要工作有：建立机床专用夹具库是一项庞大而复杂的工作，所以需要不

断的完善夹具零、部件库。进一步开展自动装配技术的研究，使机床专用夹具设计

系统更加完善、易用，智能化。随着网络的普及和应用，通过网络使设计人员合作,

共同设计己成为现实。因而为了适应这一新的发展，本系统还应加入网络功能，通

过Internet和用户共享图形和硬件资源。开发基于网络的机床专用夹具设计可缩短开

发周期，提高质量