(完整版)连杆的机械加工工艺及夹具设计1毕业论文设计

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毕业设计（论文）

课题名称：连杆的机械加工工艺及夹具设计学生姓名：

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内容摘要

连杆是柴油机的主要传动件之一，本文论述了连杆的加工工艺及其夹具的设计。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。

机械加工工艺是企业上品种、上水平、加速产品更新，提高经济效益的技术保障。然而夹具有事制造系统的重要部分，工艺对夹具的要求也会提高，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、标注化、通用化和高效化方向发展以满足加工要求。所以对机械的加工工艺及夹具设计具有十分重要的意义。

关键词：连杆加工工艺夹具设计

Abstract

Author: Guo

qianqian

Tutor:Li ling Connecting rod is one of the main transmission parts of diesel engine, this paper discusses the processing technology of connecting rod and the design of fixture. Connecting rod size accuracy, the accuracy requirement of the shape and position precision is very , therefore in the arrangement of technological process, you need to separate the rough finish machining process on the surface of the main. Gradually reduce machining allowance, cutting force and the role of internal stress, and correct processing after deformation, can finally achieve the technical requirements of parts.

Machining process on varieties, is the enterprise level, product updates faster, improve the economic benefit of technical support. Fixture occupy an important part of manufacturing system, , tagging, generalization and to meet the processing requirements. So the mechanical processing technology and fixture design is of great significance.

Key words: connecting rod processing technology fixture design

目录

摘要................................................................ I Abstract........................................................... II

第1章绪论 (1)

1.1连杆的结构特点 (1)

1.2 本次设计内容 (2)

第2章机械加工工艺规程的制定 (3)

2.1 零件的工艺分析 (3)

2.1.1 产品结构和工艺分析 (3)

2.1.2 平面加工 (3)

2.1.3 孔加工 (3)

2.1.4 技术要求 (3)

2.2 毛坯的确定 (5)

2.2.1 有关设计条件的说明 (5)

2.2.2 毛坯的材料 (6)

2.2.3 制坯方法的确定 (6)

2.3连杆工件的定位基准和定位方案分析 (7)

2.3.1 定位基准的选择 (7)

2.3.2 确定合理的夹紧方法 (8)

2.4加工经济精度与加工工序安排 (10)

2.4.1 加工经济精度 (10)

2.4.2 连杆加工主要加工表面工序安排 (10)

2.6 连杆加工工艺过程的确定 (11)

2.6.1定位基准的选择 (11)

2.6.2工艺路线的制定 (11)

2.7 加工设备与工艺设备的选择 (13)

2.8 确定加工工艺过程 (14)

2.9.1粗加工时切削用量的选择原则 (15)

2.9.2精加工时切削用量的选择原则 (16)

2.10连杆的检验 (17)

2.10.1观察外表缺陷及目测表面粗糙度 (17)

2.10.2连杆大头孔圆柱度的检验 (17)

2.10.3连杆体、连杆上盖对大头孔中心线的对称度的检验 (17)

2.10.4连杆大小头孔平行度的检验 (18)

2.10.5连杆螺钉孔与结合面垂直度的检验 (18)

第3章夹具设计 (19)

3.1 扩大头孔夹具 (19)

3.1.1 问题的指出 (19)

3.1.2 夹具设计 (19)

第4章结论 (23)

致谢 (24)

参考文献 (25)

附录：连杆机械加工工艺卡片 (26)

第1章绪论

1.1 连杆的结构特点

连杆是发动机的主要两件之一，它是接活塞和曲轴，把作用于活塞顶面的膨胀气体的压力传动曲轴：将活塞的往复运动变为曲柄的旋转运动，又受到曲轴的驱动面而带动活塞压缩气缸中的气体。因此，连杆在工作中承受着呈周期交变的压缩、拉伸及弯曲应力，这些交变载荷具有很大的冲击特性。发动机正常工作时，连杆大头约为以3000rmin的转速旋转，线速度以10ms，所以连杆在工作时，形成巨大的离心力。由于连杆横向窜动和形位误差引起连杆受压时产生弯曲，是连杆很容易断裂，断裂是连杆的主要损伤形式，对于EQ6100-I型汽车发动机连杆，其断裂率为0.51000。

连杆属于典型的“杂件”类零件，不但精度要求高，形状复杂，制造难度大，而且批量大，直接影响发动机的质量，本篇论文详细介绍了其加工方法的拟订和确立，并对加工中某工序所采用夹具进行设计，从工艺与专用夹具的方向进行了一定的探讨。

随着科学技术的发展，各科、新工艺和新技术不断涌现，机械制造工艺正在搞质量、搞生产率和低成本方向发展。电火花、电解、超声波，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，使工艺工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，但不同的工序中道具的更换及工件的重新装夹，仍需仍

人工来完成。加工中心是一种高度自动化的多工序机床，能自动完成道具的更换，工作的转位和定位，主轴和进给量的变换等，使工序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。自动调节切削条件，是机床保持最佳状态下进行加工，因而有效调高加工效率，扩大品种，更好的保证了加工质量，并到达最大的经济效益。

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的发展的又一关键技术，并进一步朝着网路化、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主要因素，工装设计水平的高低，很大程度上反应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了广泛的应用，夹具设计也必须向标准化、系统化、参数化方向发展。而且，为了适应我国迅速加入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需求。

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度、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。

1.2 本次设计内容

本设计主要是针对连杆工艺及钻孔夹具的设计。夹具设计是组合机床设计中的主要部分，夹具设计的合理与否，直接影响到被加工零件的精度参数。在设计中，设计的主要思路是用于工件以加工端面为定位基

准，夹具体的凸台和大端面孔为定位面，工件以气动夹紧，这样设计主要是为了解决了手动夹紧是夹紧力不一致、误差大、精度低、工人劳动强度大等缺点：气动夹紧采用空气作为动力源，资源丰富并且干净、清洁，对周围环境没有污染：不足是噪音比较大。

具体设计思路是：首先确定工件的已加工端面定位方式，通过夹具体的凸台、内孔，再用气动装置将其夹紧，这样连杆六个自由度全部限制，实现了零件的定位夹紧，然后确定零件的夹紧方式。在本次设计中采用的是手动夹紧方式：然后进行误差分析、夹紧力的计算对夹具的主要零件进行结构设计。

第2章机械加工工艺规程的制定

2.1 零件的工艺性分析

2.1.1 产品结构和工艺分析

⑴该零件为发动机上的重要组成部分之一，其大头孔和轴连接，小头孔通过活塞销和活塞连接，将作用于活塞的力传给曲轴，又受曲轴驱动而带动活塞。因此连杆器将受到压缩力，纵向弯曲应力和拉应力，故要求此杆有较轻的重量、较高的强度，同时大小孔还有较高的耐磨性和互换性。

⑵该连杆由连杆大头连杆身和连杆小头三部分组成，连杆大头盖和连杆身分开，由螺栓连接，小头孔装有衬套提高耐磨性和互换性。

⑶大小头两孔的轴线的平行度有较高的要求，中心距有绝对的要求，其精度主要有机加工机床本身来保证，平行度要求为0.05，中心度为280±0.036。

⑷大头孔的表面粗糙度要求为1.6，小头孔的表面粗糙度要求为

6.3，连杆端面的表面粗糙度为12.5，身盖配合的表面精度为6.3.

⑸为了便于加工和保证加工精度，大头设置工艺凸台。

2.1.2平面加工

⑴两端面

大头两端面间的尺寸公差等级为IT9，表面粗糙度Ra不大于1.6。

小头两端面间的尺寸公差等级为IT5，表面粗糙度Ra不大于3.2。

⑵大头凸块两侧面表面Ra6.3。

⑶体和盖的结合面表面粗糙度Ra0.8 。

⑷轴瓦锁口槽铣保证尺寸42-0.62保证尺寸40的Ra值为1.6

2.1.3孔加工

⑴大头孔扩、粗镗达尺寸￠102mm，Ra0.8

⑵小头孔钻、扩、粗镗达尺寸￠55mm，Ra0.8

⑶钻、扩、铰螺栓孔M18 mm，Ra值为12.5

2.1.4技术要求分析

连杆上需要进行机械加工的主要表面为：大、小头孔及两端面，连杆与杆盖的结合面及连杆螺栓定位孔等。连杆总成的主要要求如图2.1所示：

图2.1 连杆总成

⑴为了使连杆大、小头运动副之间配合良好，大头孔的尺寸公差

等级取为IT6，表面粗糙度Ra应不大于0.5um；小头孔的尺寸公差等级应取为IT5（加工后再按0.0025mm间隔分组），表面粗糙度Ra应不大于

0.5mm。

⑵大、小孔的中心距影响到气缸的压缩比，进而影响发动机的效率，两孔中心距的公差等级应不低于IT9。大、小头孔中心线在两个相互垂直的方向上的平行度误差会使活塞在气缸中倾斜，致使气缸壁磨损不均匀，缩短发动机的使用寿命，同时也使曲轴的连杆颈磨损加剧。若称大、小孔理想中心线所在的公共平面为连杆轴线平面，一般规定两孔轴线在连杆轴线平面内的平行度公差等级应不低于IT7，在垂直于连杆轴线平面内的平行度公差等级应不低于8级

⑶连杆大头两端面对大头孔中心线的垂直度误差过大，将加剧连杆大头两端面对大头孔中心线的垂直度误差过大，将大头两端面与曲轴连杆两端面之间的磨损，甚至引起烧伤，一般规定其垂直度公差等级应不低于9级。

⑷连杆大、小头两端面间距离基本尺寸相同，但技术要求是不同的。大头两端面间的尺寸公差等级为IT9，表面粗糙度Ra不大于0.8um；小头两端面间的尺寸公差等级为IT12，表面粗糙度Ra不大于6.3um。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。连杆大头端面间距离尺寸的公差带正好落在连杆小头端面间距离尺寸的公差带中，这给连杆的加工带来许多方面。

⑸为了保证发动机的运转平稳，对连杆小头(约占连杆全长23)质量差和大头(约占连杆全长13)质量差给以较严格的规定。

⑹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，从而造成汽缸壁磨损不均匀，同时使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。两孔轴心线在连杆的轴线方向的平行度在100 mm长度上公差为0.04 mm；在垂直与连杆轴心线方向的平行度在100 mm长度上公差为

0.06 mm。

⑺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：190±0.05 mm。

⑻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 6.3μm加工；两螺栓孔在大头孔剖分面的对称度公差为

0.25 mm。

⑼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对错位，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。结合面的平行度将影响到连杆体、连杆盖和垫片贴合的紧密程度，因而也影响到螺栓的受力情况和曲轴、轴瓦的磨损。对于本连杆，要求结合面的平面度的公差为0.025 mm。。

2.2 毛坯的确定

毛坯的选择应从生产批量的大小，非加工面的技术要求，零件的材料、结构、形状、尺寸、重量技术要求等方面综合考虑。通常情况下，主要以生产类型来决定。正确选择制坯方式可以使整个工艺过程经济合理，故应认真的选择并要加以论述。

2.2.1 有关设计条件的说明

大批量生产的工艺特点：⑴零件的互换性：具有广泛的互换性，少数装配精度较高处，采用分组装配法和调整法：⑵毛坯的制造方法和加工余量：广泛采用金属模机器造型、模锻或其他高效方法，毛坯精度高，加工余量小；⑶机床设备及布置形式：广泛采用高效专用机床及自动机床，按流水线和自动线排列设备：⑷工艺工装：广泛采用专用高效夹具、复合刀具、专用量具或自动检验装置，靠调整法到达精度要求：⑸对工人技术要求：对调整工的技术水平要求高，对操作工的技术水平要求低；

⑹工艺文件：要有工艺过程卡和工序卡，关键工序要调整卡和检验卡：

⑺成本：较低。

2.2.2 毛坯的材料

连杆在工作中承受多向交变载荷的作用，要求具有较高的强度，因此连杆材料要采用高强度的碳钢和合金钢，可用来制作连杆的材料有45钢、55钢、40cr、40MnB等，此连杆要求大批量生产，毛坯材料选用锻件。

45钢----一般为中碳的优质碳素结构钢与合金结构钢，主要用于制造承受很大变动载荷与冲击载荷或各种复合应力的零件﹙如机器中传

递力的轴、连杆、齿轮等﹚。这类零件要求钢材具有较高的综合力学性能，即强度、硬度、塑性、韧性有良好的配合。连杆需要承受多向交变载荷的作用，对材料的综合力学性能要求高，45钢可以满足这一要求，最终选定45钢作为毛坯材料。

2.2.3 制坯方法的确定

连杆的特殊作用要求机械性能应大于或等于

抗拉强度бb=735Mpa

屈服极限σs=539 Mpa

冲击韧性 ak=588Jcm2

毛坯的选择有两种：使毛坯形状与尺寸和零件接近；使毛坯的形状尺寸与零件相差较大。

这影响着毛坯的制造费用及劳动量，与机械加工费用及劳动量。为节省能源与金属材料，随着毛坯制造专业化生产的发展，制坯方法夫人确定应取向前种方法，其中前种方法又有模锻和铸造两种毛坯制造形式最常用，考虑到零件工作的场所和综合力学性能要求，毛坯选用模锻的方式进行生产。

连杆锻坯形式有两种，一种是体和盖分开锻造，另外一种是将体和盖锻成一体。整体锻造的毛坯，需要在以后机械加工过程中将体切开，为保证切开后粗镗孔余量均匀，需将整体连杆大头孔锻成椭圆形。相对于分体锻造能够减少一定的工序，加工效率高。故最终选用分体锻造的方式制造毛坯。

过四个型槽进行辊锻制坯，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。为了改善毛坯的切削加工性能，锻造好的栏杆毛坯需要进行调制处理，使之得到细致均匀的回火索氏体组织，减少毛坯的内应力。为了提高毛坯的精度，连杆毛坯还需要进行热校正。

此外，连杆的显微组织在连杆小头“工”字形截面检验，应符合NJ24-86《曲轴技术条件》附录中的1-4级。连杆的纵剖面的金属宏观组织，其纤维方向应沿着连杆中心线，并与外形相符，不得间断。

连杆外观缺陷，内部探伤、毛坯尺寸及质量等的全面检查合格后就可以进入机械加工生产线了。

2.3 连杆工件的定位基准和定位方案分析

2.3.1 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个指定的端面和小头孔作为主要基面，并用大头处指定一侧的外表面作为另一基面这样就使各工序中的定位基准统一起来，减少了定位误差。具体的办法是，如图2.2所示：

图2.2连杆的定位方向

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（在设计夹具时亦作相应的考虑）。在精镗小头孔（及精镗小头衬套孔）时，也用小头孔（及衬套孔）作为基面，这时将定位销做成活动的称“假销”。当连杆用小头孔（及衬套孔）定位夹紧后，再从小头孔中抽出假销进行加工。再从小头孔中抽出假销进行加工。

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适当配

合：即在粗加工大、小头孔前，粗磨端面，在精镗大、小头孔前，精磨端面。

由于用小头孔和大头孔外侧面作基面，所以这些表面的加工安排得比较早。在小头孔作为定位基面前的加工工序是钻孔、扩孔和铰孔，这些工序对于铰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较大，如果再遇上工件本身的刚性差，则对加工精度会有很大影响。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常有深远的影响。连杆的加工就是如此，在连杆加工工艺路线中，在精加工主要表面开始前，先粗铣两个端面，其中粗磨端面又是以毛坯端面定位。因此，粗铣就是关键工序。在粗铣中工件如何定位呢？一个方法是以毛坯端面定位，在侧面和端部夹紧，粗铣一个端面后，翻身以铣好的面定位，铣另一个毛坯面。但是由于毛坯面不平整，连杆的刚性差，定位夹紧时工件可能变形，粗铣后，端面似乎平整了，一放松，工件又恢复变形，影响后续工序的定位精度。另一方面是以连杆的大头外形及连杆身的对称面定位。这种定位方法使工件在夹紧时的变形较小，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，毛坯在加工后的外形偏差也比较小。

2.3.2 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。在加工连杆的夹具中，可以看出设计人员注意了夹紧