连杆加工工艺规程和大头孔布磨工序夹具设计

连杆加工工艺规程和大头孔布磨工序夹具设计

摘要

连杆是汽油机口勺重要传动件之•，本文重要论述了连杆口勺加工工艺和其夹具设计。

连杆日勺尺寸精度、形状精度以和位置精度日勺规定都很高，而连杆日勺刚性比较差，轻易产

生变形，因此在安排工艺过程时，就需要把各重要表面日勺粗精加工工序分开.逐渐减少

加工余量、切削力和内应力的作用，并修正加工后的变形，就能最终到达零件日勺技术规

定。

机械加工工艺是企业上品种、上质量、上水平，加速产品更新，提高经济效益的技

术保障。然而夹具乂是制造系统的重要部分，工艺对夹具的规定也会提高，专用夹具、

成组夹具、组合夹具和随行夹具都朝着柔性化、自动化、原则化、通用化和高效化方向

发展以满足加工规定。因此对机械的加工工艺和夹具设计具有十分重要的意义。

关键词：连杆；夹具；工艺过程

目录

1连杆的构造特点.......................................................

2毛坯选择..............................................................

2.1毛坯欧J材料....................................................

2.2毛坯制造措施的选择...........................................

3连杆的重要技术规定...................................................

3.1大、小头孔的尺寸精度、形状精度................................

3.2大、小头孔轴心线在两个互相垂直方向的平行度..................

3.3大、小头孔中心距..............................................

3.4连杆大头孔两端面对大头孔中心线的垂直度.......................

3.5大、小头孔两端面的技术规定....................................

3.6螺栓孔的技术规定..............................................

4连杆机械加工工艺过程分析............................................

4.1工艺过程的安排.................................................

4.2定位基准时选择................................................

4.3连杆体与连杆盖的铳动工序.....................................

4.4大头侧面时加工................................................

5切削用量的选择原则...................................................

5.1粗加工时切削用量的选择原则....................................

切削深度的I选择.................................................

进给量的选择...................................................

切削速度的选择................................................

5.2精加工时切削用量的选择原则....................................

切削深度的选择................................................

进给量的选择..................................................

切削速度的选择................................................

6确定各工序的|加工余量、计算工序尺寸和公差...........................

6.1确定加工余量...................................................

6.2确定工序尺寸和其公差.........................................

7工时定额..............................................................

7.1给磨大头孔....................................................

8连杆大头孔笫磨夹具设计..............................................

8.1基准选择......................................................

8.2夹紧方案确实定................................................

8.3切削力和夹紧力的计算.........................................

8.4定位误差分析..................................................

8.5夹具设计和操作的简要阐明.....................................

9课程设计总结.........................................................

参照文献...............................................................

1连杆的构造特点

连杆是汽车发动机中的重要传动部件之一，它在汽油机中，把作用于活塞顶面的膨

胀日勺压力传递给曲轴，乂受曲轴日勺驱动而带动活塞压缩气缸中的气体。连杆在工作中承

受着急剧变化的动载荷，连杆由连杆体和连杆盖两部分构成。连杆体和连杆盖上日勺大头

孔用螺栓和螺母与曲轴装在一起。为了减少磨损和便于维修，连杆的大头孔内装有薄壁

金属轴瓦。轴瓦有钢质的底，底的内表面浇有一层耐磨巴氏合金轴瓦金属。在连杆体大

头和连杆盖之间有一组垫片，可以用来赔偿轴瓦日勺磨损。连杆小头用活塞销与活塞连接。

小头孔内压入青铜衬套，以减少小头孔与活塞销日勺磨损，同步便于在磨损后进行修理和

更换。

在发动机工作过程中，连杆受膨胀气体交变压力日勺作用和惯性力日勺作用，连杆除应

具有足够的强度和刚度外，还应尽量减小连杆自身日勺质量，以减小惯性力的作用。连杆

杆身一般都采用从大头到小头逐渐变小日勺工字型截面形状。为了保证发动机运转均衡，

同一发动机中各连杆日勺质量不能相差太大，因此，在连杆部件的大、小头两端设置了去

不平衡质量日勺凸块，以便在称量后切除不平衡质量。连杆大、小头两端对称分布在连杆

中截面的两侧。考虑到装夹、安放、搬运等规定，连杆大、小头日勺厚度相等（基本尺寸

相似）。在连杆小头H勺顶端设有油孔（或油槽），发动机」一作时，依托曲轴的高速转动，把

气缸体下部日勺润滑油飞溅到小头顶端日勺油孔内，以润滑连杆小头衬套与活塞俏之间的摆

动运动副。

连杆的作用是把活塞和曲轴联接起来，使活塞的往复直线运动变为曲柄的回转运动,

以输出动力c因此,连杆的I加丁精度将直接影响柴油机日勺性能，而T艺的）选择又是直接

影响精度的重要原因。反应连杆精度日勺参数重要有5个：（1）连杆大端中心而和小端中

心面相对连杆杆身中心面日勺对称度；（2）连杆大、小头孔中心距尺寸精度；（3）连杆大、

小头孔平行度；（4）连杆大、小头孔尺寸精度、形状精度；（5）连杆大头螺栓孔与接合

面的I垂直度。

2毛坯选择

2.1毛坯的材料

连杆在工作中承受多向交变载荷曰勺作用，规定具有很高的强度。因此，连杆材料一

般采用高强度碳钢和合金钢;如45钢、55钢、4()Cr、40CrMnB等。

2.2毛坯制造措施的选择

连杆毛坯制造措施的选择，重要根据生产类型、材料的工艺性(可塑性，可锻性)

和零件对材料的组织性能规定，零件的形状和其外形尺寸，毛坏车间既有生产条件和采

用先进的毛坯制造措施H勺也许性来确定毛坯H勺制造措施。根据生产大纲为大量生产，连

杆多用模锻制造毛坯。连杆模锻形式有两种，一种是体和盖分开铸造，另一种是将体和

盖锻成一体。整体铸造的毛坯，需要在后来日勺机械加工过程中将其切开，为保证切开后

粗镣孔余量的均匀，最佳将整体连杆大头孔锻成椭圆形。相对于分体铸造而言，整体铸

造存在所需铸造设备动力大和金属纤维被切断等问题，但由于整体铸造的连杆毛坯具有

材料损耗少、铸造工时少、模具少等长处，故用得越来越多，成为连杆毛坯的一种重要

形式。总之，毛坯的种类和制造措施H勺选择应使零件总的生产成本减少，性能提高。

连杆的铸造工艺，将棒料在炉中加热至1140〜1200C。，先在轻锻机上通过四个型槽

进行辐锻制坯，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2.1。锻好后日勺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，连杆日勺毛坯尚需进行热校正。

图2.1连杆毛坯图

3连杆的重要技术规定

连杆上需进行机械加工的重要表面为：大、小头孔和其两端面，连杆体与连杆盖的

结合面和连杆螺栓定位孔等。连杆总成的重要技术规定如下。

3.1大、小头孔的尺寸精度、形状精度

为了使大头孔与轴瓦和曲轴、小头孔与活塞销能亲密配合，减少冲击的不良影响和

便于传热。大头孔公差等级为IT6,表面粗糙度Ra应不不小于0.4um；大头孔的圆柱

度公差为0.004~0.006mm.小头孔公差等级为IT7,表面粗糙度Ra应不不小于3.2u

3.2大、小头孔轴心线在两个互相垂直方向的平行度

两孔轴心线在连杆轴线方向的平行度误差会使活塞在汽缸中倾斜，从而导致汽缸壁

磨损不均匀，同步使曲轴H勺连杆轴颈产生边缘磨损，因此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差对不均匀磨损影响

较小，因而其公差值较大。两孔轴心线在连杆日勺轴线方向日勺平行度在100mm长度上公

差为0.04mm；在垂直与连杆轴心线方向欧）平行度在100mm长度上公差为（）.06mm。

3.3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，囚此规定了比较

高的J规定:261.5^03mm。

3.4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；因此对它也提出了一定的规定：规定其垂直度公差等级应不低于IT7（大头孔两

端面对大头孔『、J轴心线口勺垂直度在100mm长度上公差为0.06mm）。

3.5大、小头孔两端面的技术规定

连杆大、小头孔两端面间距离日勺基本尺寸相似，但从技术规定是不一样日勺，大头两

端面日勺尺寸公差等级为IT7,表面粗糙度Ra不不小于0.8um,小头两端面内尺寸公差

等级为IT12,表面粗糙度Ra不不小于6.3Hm。这是由于连杆大头两端面与曲轴连杆轴

颈两轴肩端面间有配合规定，而连杆小头两端面与活塞销孔座内档之间没有配合规定。

连杆大头端面间距离尺寸的公差带恰好落在连杆小头端面间距离尺寸日勺公差带中，这给

连杆附加工带来许多以便。

3.6螺栓孔的技术规定

在前面已经说过，连杆在工作过程中受到急剧的动载荷口勺作用。这一动载荷又传递

到连杆体和连杆盖的两个螺栓和螺母上。因此除了对螺栓和螺母要提出高H勺技术规定外,

对于安装这两个动力螺栓孔和端面也提出了一定的规定。规定：螺栓孔按IT8级公差等

级和表面粗糙度Ra应不不小于6.3urn加工；两螺栓孔在大头孔剖分面时对称度公差为

0.25mm。

4连杆机械加工工艺过程分析

连杆日勺重要加工表面为大、小头孔和两端面，较重要日勺加工表面为连杆体和盖日勺结

合面和连杆螺栓孔定位面，次要加工表面为轴瓦锁口槽、油孔、大头两侧面和体和盖上

日勺螺栓座面等。

连杆日勺机械加工路线是围绕着重要表面的加工来安排日勺。连杆日勺加工路线按连杆的

分合可分为三个阶段：第一阶段为连杆体和盖切开之前均加工；第二阶段为连杆体和盖

切开后附加工；第三阶段为连杆体和盖合装后日勺加工。第一阶段的加工重要是为其后续

加工准备精基准（端面、小头孔和大头外侧面）；第二阶段重要是加工除精基准以外日勺

其他表面，包括大头孔日勺粗加工，为合装做准备日勺螺栓孔和结合面的粗加工，以和轴瓦

锁口槽的加工等；第三阶段则重要是最终保证连杆各项技术规定欧I加工，包括连杆合装

后大头孔日勺半精加工和端面的精加工和大、小头孔的精加工。假如按连杆合装前后来分,

合装之前日勺工艺路线属重要表面的粗加工阶段，合装之后日勺工艺路线则为重要表面日勺半

精加_L、精加1L阶段。

4.1工艺过程的安排

在连杆加工中有两个重要原因影响加工精度：

（1）连杆自身的刚度比较低，在外力（切削力、夹紧力）H勺作用下轻易变形。

（2）连杆是模锻件，孔日勺加工余量大，切削时将产生较大的残存内应力，并引起

内应力重新分布。

因此，在安排工艺进程时，就要把各重要表面的粗、精加工工序分开，即把粗加工

安排在前，半精加工安徘在中间，精加工安排在背面。这是由于粗加工工序的切削余量

大，因此切削力、夹紧力必然大，加工后轻易产生变形。粗、精加工分开后，粗加工产

生的I变形可以在半精加工中修正；半精加工中产生的变形可以在精加工中修壬。这样逐

渐减少加工余量，切削力和内应力日勺作用，逐渐修正加工后日勺变形，就能最终到达零件

日勺技术条件。

各重要表面日勺工序安排如下：

（1）两端面：粗铳、精铳、粗磨、精磨

（2）小头孔：钻孔、扩孔、较孔、精镶

（3）大头孔：扩孔、粗像、半精镶、精镶、特磨

某些次要表面欧I加工，则视需要和也许安排在工艺过程日勺中间或背面。

4.2定位基准的选择

在连杆机械加工工艺过程中，大部分工序选用连杆的一种指定的端面和小头孔作为

重要基面，并用大头处指定一侧日勺外表面作为另一基面。这是由于：端面日勺面积大，定

位比较稳定，用小头孔定位可直接控制大、小头孔日勺中心距。这样就使各工序中的J定位

基准统一起来，减少了定位误差。

为了不停改善基面的精度，基面日勺加工与重要表面的加工要合适配合：即在粗加工

大、小头孔前，粗磨端面，在精馍大、小头孔前，精磨端面。

由于用小头孔和大头孔外侧面作基面，因此这些表面日勺加工安排得比较早。在小头

孔作为定位基面前的加工工序是钻孔、扩孔和较孔，这些工序对于校后的孔与端面的垂

直度不易保证，有时会影响到后续工序时加工精度。

43连杆体与连杆盖的铳动工序

剖分面（亦称结合面）的尺寸精度和位置精度由夹具自身H勺制造精度和对刀精度来

保证。为了保证铳开后日勺剖分面H勺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，除夹具自身要保证精度外，锯片的安装精度H勺影响也强大。

假如锯片H勺端面圆跳动不超过0.02mm,则铳开H勺剖分面能到达图纸的规定，否则也许超

差。但剖分面自身的平面度、粗糙度对连杆盖、连杆体装配后的结合强度有较大日勺影响。

因此，在剖分面铳开后来再通过磨削加工。

4.4大头侧面的J加工

以基面和小头孔定位，它用一种圆销（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）。

5切削用量的选择原则

对的地选择切削用量，对提高切削效率，保证必要日勺刀具耐用度和经济性，保证加

工质量，具有重要的作用。

5.1粗加工时切削用量的选择原则

粗加工时加工精度与表面粗糙度规定不高，毛坯余量较大。因此，选择粗加工的切

削用量时，要尽量保证较高的单位时间金属切削量(金属切除率)和必要的刀具耐用度，

以提高生产效率和减少加工成本。

金属切除率可以用下式计算：

式中：

Zw单位时间内『'J金属切除量(mm3/s)；

V切削速度(m/s)：

f进给量(mm/r)；

一切削深度(mm)o

提高切削速度、增大进给量和切削深度，都能提高金属切除率。不过，在这三个原

因中，影响刀具耐用度最大日勺是切削速度，另一方面是进给量，影响最小的是切削深度。

因此粗加工切削用量的选择原则是：首先考虑选拦一种尽量大的吃刀深度即另一方面

选择一种较大的进给量度f,最终确定一种合适的切削速度V.

选用较大的和f后来，刀具耐用度t显然也会下降，但要比V对t的影响小得多，只

要稍微减少一下V便可以使t回升到规定的合理数值，因此，能使V、3的乘积较大，

从而保证较高的金属切除率。此外，增大国可使走刀次数减少，增大f又有助于断屑。

因此，根据以上原则选择粗加工切削用量对提高生产效率，减少刀具消耗，减少加工成

本是比较有利的。

切削深度的选择

粗加工时切削深度应根据工件的加工余量和由机床、夹具、刀具和工件构成的工艺

系统的刚性来确定。在保留半精加工、精加工必要余量的前提下，应当尽量将粗加工余

量一次切除。只有当总加工余量太大，一次切不完时，才考虑分几次走刀。

进给量的选择

粗加工时限制进给量提高的原因重要是切削力。因此，进给量应根据工艺系统的刚

性和强度来确定。选择进给量时应考虑到机床进给机构口勺强度、刀杆尺寸、刀片厚度、

工件的直径和长度等。在工艺系统的刚性和强度好的状况下，可选用大某些口勺进给量;

在刚性和强度较差的状况下，应合适减小进给量。

5.1.3切削速度的选择

粗加工时，切削速度重要受刀具耐用度和机床功率日勺限制。切削深度、进给量和切

削速度三者决定了切削功率，在确定切削速度时必须考虑到机床的许用功率。如超过了

机床日勺许用功率，则应合适减少切削速度。

5.2精加工时切削用量的选择原则

精加工时加工精度和表面质量规定较高，加工余量要小且均匀。因此选择精加工H勺

切削用量时应先考虑怎样保证加工质量，并在此基础上提高生产效率。

切削深度的选择

精加工时的切削深度应根据粗加工留下日勺余量确定。一般但愿精加工余量不要留得

太大，否则，当吃刀深度较大时，切削力增长较明显，这样会影响加工质量，

进给量的选择

精加工时限制进给量提高的重要原囚是表面粗糙度。进给量增大时，虽有助于断屑，

但残留面积高度增大，切削力上升，表面质量下降。

切削速度的选择

切削速度提高时，切削变形减小，切削力有所下降，并且不会产生积屑瘤和鳞刺。

一般选用切削性能高的刀具材料和合理R勺几何参数，尽量提高切削速度。只有当切削速

度受到工艺条件限制而不能提高时，才选用低速，以避开积屑瘤产生的范围，

由此可见，精加工时选用较小口勺吃刀深度3P和进给量f,在保证合理刀具耐用度口勺

前提下，选尽量高的切削速度V,以保证加工精度和表面质量，并满足生产率的规定。

6确定各工序的加工余量、计算工序尺寸和公差

6.1确定加工余量

用查表法确定机械加工余量：

（根据《机械加工工艺员手册》⑺表1.4-1）

表6.1大头平面加工的工序余置（57mm）

表面粗糙

工艺名称单面余量工序精度工序尺寸尺寸公差

度

毛坯——52.512.5

+0.21

粗铳2.6IT1255.155.1°6.3

精铳1IT1056.156.1；00841.6

粗磨0.5IT856.656.6产6.3

57-15

精磨0.4IT757-0.201.6

324-100X0.2=0.064,则毛坯尺寸为32±0.061

6.2确定工序尺寸和其公差

（根据《机械制造技术基础课程设计指导教程》⑻表229表234）

（根据《机械工艺员手册》⑺表4—22）

表6.2大头孔各工序尺寸和其公差（铸造出来的大头孔为097mm）

工序名称直径余量工序经济精度工序尺寸尺寸公差表面粗糙度

扩孔2091.5091.5±16.3

一次粗锋2“12（产°）093.5093.5.2（产）6.3

二次粗镇2〃12（/3。）095.5095.5m2（产）

3.2

（续）

工序名称直径余量工序经济精度工序尺寸尺寸公差表面粗糙度

半精镇0.5H11（伊，096096””（仍,1.6

口a/+0.046、

精健0.5096.5096.5"“。1.6

布磨0.5“6（产）097097H代产）0.4

（根据《机械工艺员手册》⑺表4—22）

（根据《机械制造技术基础课程设计指导教程》间表2—29表2—30）

表6.3小头孔各工序尺寸和其公差（铸造出来的小头孔为。60mm）

工序工序基工序经工序尺寸公差表面粗糙

名称本余量济精度尺寸度

钻

钻至052H13产052052”13（产）12.5

扩40566.3

//10（^>084）056H1OC084）

较10576.3

“9（丁。52）057”9（。）

精较0.2057.20.4

〃8（产）057.2,8（广网）

粗镇1.53.2

〃7（7。15）059mm059^7（J0015）

精镇0.5

〃（侬）00251.6

7/。60mm06O//7(；)

（根据《机械工艺员手册》⑺表4—22）

表6.4螺栓孔各工序尺寸和其公差

工序名工序基本余

工序经济精度工序尺寸公称尺寸表面粗糙度

称量

钻2IT9014.6014.6(胪)12.5

+0.43

扩2TI8016.6016.6(°)6.3

/+0.06\

较2IT8018.6018.6^°)1.6

7工时定额

7.1布磨大头孔（选用HM1860J）

根据《机械制造工艺设计手册》⑴表2.4—66选用数据

切削速度V=6m/s进给量f=1.25mm/r

切削）采度ap=0.10mm

根据表3.1—39按机床选用n=1500r/min

镇削工时为：按表2.5—3

基本时间tj=2L〃d/（1000X60）v

=(2X30X2)/(1000X6)

=0.02min

8连杆大头孔布磨夹具设计

为了提高劳动牛产率，保讦加工质量，减少劳动用度，需要设计专用夹具。这里日勺

夹具为珀磨大头孔的专用夹具。

8.1基准选择

小头孔是定位基准，在用作定位基面之前先进行了扩钱孔。圻磨大头孔之前，连杆

的两个端面，即小头孔和大头孔n'、j两侧面已经进行了精铳工序具有很高的表面精度，因

此番磨大头孔时采用连杆端面和大、小头孔定位，连杆大、小头孔两端分别采用夹详细

和定位螺钉进行对中定位。

8.2夹紧方案确实定

此工序加工的孔为通孔，沿z方向的位移自由度可不予限制，但实际上以工件的端

面定位时，必须限制该方向上日勺自由度。故应按完全定位设计夹具。夹详细限制x轴方

向上日勺移动和转动，六角螺

钉限制了y轴方向上欧I移动、

转动和z轴方向上的转动。此

外设置一辅助支承，以增长

工件在加工中H勺支承刚性。

1一夹详细2—螺钉3—导板4一定位板5—辅助支承6一垫圈7一六角螺钉

图8.1连杆夹具装配图

8.3切削力和夹紧力的计算

由于本工序重要是壬行磨大头孔，因此只对夹具的定位稳定性进行计算，和夹紧力

和钻削力H勺计算。

桁磨大头孔时H勺切削力计算：根据（《机械加工工艺手册》李洪主编）表

2.4-69

笫磨大头孔时的切削力为：Fc，*喈6写

do0

式中：

B切削宽度；

Cp----------工件材料对切削力影响系数；

K刀具前角对切削力的影响原因；

k切削速度对切削力的影响因素;

68*2036«o.i5087*20*24

因此，Fc二*0.9*1*10

16g-36

=6325.94N

8

布磨大头孔时的扭矩为M=9.81*0.0521*若*/°-*km

=9.81*0.0521*163*3.608*0.8=4

夹紧力的计算：根据（《机床夹具设计手册》第三版王光斗王春福主编）表1-3T1

W=kJ（等）'