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Ⅱ型柴油机连杆制造及铣螺柱孔平面工装设计

摘要

连杆是柴油机的主要传动件之一,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,并修正加工后的变形,就能最后达到零件的技术要求。

关键词:

连杆;变形;加工工艺;夹具设计

 

Abstract

Dieselengineconnectingrodisoneofthemaintransmissionparts,thispaperdiscussestheprocessingtechnologyofconnectingrodandfixturedesign.Linkageofthedimensionalaccuracy,shapeaccuracyandpositionaccuracyrequirementsarehigh,whiletherigidrodisratherpoor,pronetodeformation,andthearrangementprocess,youneedtothemainsurfaceoftheseparationofroughfinishingprocess.Tograduallyreducethemachiningallowance,cuttingforceandtheroleofinternalstressanddeformationoftheamendmentafterprocessingcanbeachievedbypartsofthetechnicalrequirementsof.

KeyWords:

Connectingrod;deformation;Processing;FixtureDesign

 

1连杆的结构特点及主要技术条件分析

1.1概述

连杆是柴油机的主要传动部件之一,它把作用于活塞顶面的膨胀的压力传递给曲轴,又受曲轴的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。

连杆由连杆体及连杆盖两部分组成。

连杆体及连杆盖上的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,可以用来补偿轴瓦的磨损。

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的磨损,同时便于在磨损后进行修理和更换。

1.2连杆的结构分析

零件结构的工艺性,是指所设计的零件在能满足使用要求的前提下制造的可行性和经济性。

所谓良好的工艺性,首先是这种结构便于加工,即在同样的生产条件下能够采用简便和经济的方法加工出来,此外,零件还适应生产类型和具体生产条件的要求。

“连杆”零件为杆类零件,其结构特点:

(1)大小头端面对称分布在连杆中截面的两侧。

(2)精度要求高

(3)加工部位多

(4)其加工面主要是两端面面和大小头孔

连杆是拖拉机发动机中的主要传力部件之一,其大小经活塞销与活塞连接,大头与曲轴颈相连接,燃烧室中受压缩的油气混合气体经点火燃烧后急剧膨胀,以很大的力传给曲轴,推动曲轴旋转。

连杆部件一般有连杆体、连杆盖和螺栓等所组成。

在发动机工作过程中,连杆要承受膨胀气体的作用,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的重量,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步变小的工字型截面形状。

为了减小磨损和便于维修,在连杆小头孔中压入青铜衬套,大头孔内衬有具有钢制基底的耐磨巴氏合金轴瓦。

为了保证发动机运转平衡,同一发动机中各连杆的质量不能相差太大,因此,在连杆部件的大、小头的厚度相等(基本尺寸相同)。

在连杆小头的顶端设有油孔(或油槽),发动机工作是依靠曲轴的高速转动,把汽缸体下部的润滑油飞溅到小头顶端的油孔内,以润滑连杆小头铜衬套与活塞销之间的摆动运动副,连杆所承受的是冲击动载荷,因此要求连杆质量小,强度高。

1.3连杆的主要技术要求

1.3.1大小头孔的精度

为了使大头孔与轴瓦及曲轴、小头孔与活塞销能密切配合,减少冲击的不良影响和便于传热,大头孔与小头的衬套孔尺寸公差均为IT6。

大头孔表面粗糙度Ra<0.8μm,衬套孔表面粗糙度Ra<0.4μm,大头孔的圆度公差为0.005mm,圆柱度公差为0.01mm;小头压衬套的底孔的圆度公差为0.007mm,圆柱度公差为0.015mm,小头衬套孔的圆度公差为0.004mm,圆柱度公差为0.008mm。

1.3.2.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气缸中倾斜,从而造成气缸壁磨损不均匀,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要求较高;而两孔轴心线用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。

此处规定为:

两孔轴心线子在连杆轴线方向的平行度在100mm长度上公差为0.3mm;在垂直于连杆轴线方向的平行度在100mm长度上公差为0.06mm。

1.3.3.大小头孔的中心距

大小头孔的中心距影响到气缸的压缩比,即影响到柴油机的效率,所以规定了比较高的要求:

180±0.05mm。

1.3.4.大头孔两端面对大头孔轴心线的垂直度

大小头孔两端面对大头孔轴心线在垂直度影响到轴瓦的安装和磨损;同时,这个垂直度在加工过程中将影响到加工小头孔两端面时定位精度,所以对它也提出了一定的要求:

大头孔两端面对大头孔轴心线的垂直度在100mm长度上公差为0.1mm。

1.3.5.有关螺栓孔的技术要求

连杆在工作过程中承受着急剧变化的动载荷,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,对于安装这个两个螺栓的螺栓孔及端面也提出了一定的要求:

螺栓孔按公差等级IT8和表面粗糙度Ra<3.2μm;两螺栓孔在互相垂直的两个方向的平行度在100mm长度上公差为0.15mm;螺栓孔两端面对螺栓孔轴心线的圆跳动在100mm长度上载100长度上公差为0.2mm。

1.3.6.有关结合面的技术要求

在连杆受动载荷时,结合面的歪斜使连杆盖以及连杆体沿着结合面产生相对错位,使曲轴的连杆轴颈荷轴瓦结合不良,从而产生不均匀磨损。

结合面的平面度将影响到连杆体、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。

此处规定:

结合面对大头孔端面的垂直度在100mm长度上公差为0.2mm,结合面的平面度公有效期为0.01mm。

1.4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。

1.4.1毛坯的材料

零件为连杆,工作时需要承受交变载荷及冲击性载荷,因此选用45钢来作为零件,材料毛坯应为锻件。

45钢----一般为中碳的优质碳素结构刚与合金结构钢,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(如机器中传递动力的轴、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。

1.4.2制坯方法的确定

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,制坯方法的确定应取向前种方法。

(1)零件的材料及其机械性能的要求,在绝大多数情况下,就基本上确定了毛坯的种类:

“连杆”零件设计时选用材料为45钢,硬度HB不小于226-271,就只能用锻造的方法制造毛坯。

(模锻)

(2)毛坯种类的选择决定于零件的材料、形状、生产性质以及在生产中获得的可能性。

材料为45钢,杆类零件,大批生产,综合考虑选择毛坯为模锻件。

模锻件是由毛坯经加热后在锻模中锻制而成,因而能使其轮廓尺寸接近于零件的尺寸,加工余量及材料消耗均大大减少.由于模锻件的尺寸比较精确,它有可能免去以后的机械加工.模锻件的成本较自由锻件低(自由锻件是由金属经加热后用手工锻或用锻锤锻压成型,使外形与零件的轮廓相近似,不适宜中批生产).其制造过程远较自由锻造的过程为短,所要求的工人技术熟练程度也较低,但设备价格较贵,因而适用于同类零件产量较大的生产中。

(3)生产纲领:

对制坯方法的选择有决定性影响。

各种毛坯的制坯方法只能在一定的生产纲领条件下才使经济的可行的。

生产批量大时,应选择精度和生产率都比较高的制坯方法,用于制坯的费用,可由材料消耗的减少和机加工费用的降低来补偿。

(4)现有生产条件:

结合具体条件,考虑现场制坯的实际工艺水平、能力、设备状况及外界的可能性和经济性。

1.4.3毛坯的加工余量

机械加工中毛坯尺寸与完工零件尺寸之差,称为毛坯的加工余量(零件的表面如无须机械加工,则该表面上即无须加工余量)。

加工余量的大小,取决于加工过程中各个工步应切除的金属层的总和,以及毛坯尺寸与规定的公称尺寸之间的偏差数值。

在机械加工的各个工步中。

所切除的金属层厚度用符号Zm来代表;如果不考虑所有其它因素,则总余量的大小将为

∑Zm

如用符号Z1、Z2、…、Zm来代表各个公步或工序间的余量大小,则

∑Zm=Z1+Z2+Z3+…+Zm+a

式中a—毛坯外尺寸的下差或内尺寸的上差。

数值Z1、Z2、…、Zm取决于完成各个工步的条件,如安装零件的精确度和工具的特性等。

但是,其中Z1的植,亦即第一个粗切削工步的加工余量,还取决于毛坯需要加工处的表面层状况。

因为表面层不平度差别较大,有时甚至会有相当大的表面凹陷。

此外,表面的金属层往往不同于表皮内部的金属。

在铸铁件上,有较内部为硬的外壳9白口铁);锻件的外皮有氧化层和脱碳层。

由此可知,表面层(外皮)是有缺陷的,它的特点是有较高的硬度。

如果刀具的刀刃切在表面层,将使刀具加速磨损。

因此刀具切入金属层的厚度应大于表面层的厚度。

各种毛坯的表面层厚度

自由锻件

模锻件

铸件

碳钢

≦1.5

碳钢

≦1

灰铸铁

1—4

合金钢

2—4

合金钢

≦0.5

铸钢

2—5

“加工余量的公差”既是最大加工余量与最小加工余量之差。

当确定加工余量的尺寸时,必须考虑到毛坯公差的大小。

 

第2章制定机械加工工艺过程及工艺简卡

2.1工艺规程的选择因素

零件的加工工艺规程是一系列不同工序的组合,由于生产规模和具体情况不同,对同一零件的加工工序综合可能有很多方案,应根据生产条件,采用其中工序最完善和最经济的方案。

工艺规模应根据以下基本因素来选择:

生产规模是决定生产类型的基本因素,亦即是设备,工装,机械化和自动化程度等的选择依据——连杆零件属于中批量的生产类型。

制造零件所需要的坯料和型材的形状,尺寸和精度。

零件材料的性质(硬度,可加工性,热处理在工艺路线中的排序先后等),它是热处理工序和选用设备及切削用量的依据——45钢,HB=226-271。

零件制造的精度,包括尺寸公差,形位公差以及零件图上所指定的或技术条件中所补充指定的要求。

零件的表面粗糙度决定该表面最终的类别及相应中间工序和粗加工工序的加工方法类别和次数的主要因素——(最终加工方法中间加工方法粗加工方法)。

(即最终加工方法及从毛坯至成品的加工路线,即加工方案。

特殊的限制条件,例如工厂的设备及用具的条件。

编制的工艺规程在即定的条件下获得最佳的技术——经济效果。

2.2机械加工工艺规程的制订

制订机械加工工艺规程的原始资料主要是产品图纸,生产纲领,现场加工设备及生产条件等,有了这些原始材料并有生产纲领制定了生产类型和生产组织形式之后,即可着手机械加工工艺规程的制订,其内容如下:

分析被加工零件;

选择毛坯;

设计工艺过程:

包括划分工艺过程的组成,选择定位基准,选择零件表面的加工方法,安排加工顺序和组合工序等;

(4)工序设计:

包括选择机床和工艺设备确定加工余量及计算工时定额等;

(5)编制工艺文件。

2.3加工阶段的划分

在拟订工艺路线时,正确的处理粗、精加工工序的安排是很重要的。

在大批大量生产时,粗、精加工分开。

零件的加工质量高时,工艺过程应分阶段。

一般分为粗加工、半精加工、精加工,当加工精度及表面质量要求特别高时,精加工阶段后,还可增加光整加工和超精密加工阶段。

应指出,按零件的功用和技术要求,可按零件各工作面分为主要表面和次要表面,而划分加工阶段是对整个工艺过程而言的,应以工件的主要表面来分析,不应以个别表面或个别加工工序来判断。

划分加工阶段的优点有以下几个方面:

(1)符合加工规律

加工工艺过程是由低质量的毛坯逐渐提高其精度的一个运动变化过程,区分为由低到高几个加工阶段符合机械客观规律,按照误差递减规律,毛坯经若干阶段加工后,其余留误差会逐次递减直至达到规定的限度。

(2)工件能得到较好的冷却,减少热变形及内应力的影响,有利于保证加工精度。

粗加工时,切除余量大,切削力、夹紧力、切削热都比较大,所以引起工件的弹性变形,热变形也较大,尤其是大批大量生产中,如组合机床,多力多工位机床,专用机床上往往同时加工大量的孔与面,粗加工时大量黑皮的切除时工件发热,产生热变形并引起工件内应力的重新分布,这样若立即进行精加工,就不易保证加工精度。

不分阶段,就无法避免上述原因造成的加工误差。

划分阶段,时粗加工后的工件有足够的时间冷却,然后再进行精加工。

粗加工造成的误差,通过半精加工和精加工足部得到纠正,利于保证加工精度。

(3)可避免粗加工产生的震动和不利影响。

粗加工时切削力较大,且产生很大的震动,会影响精加工孔的光洁度和精度;

(4)有利于精加工机床精度持久的保存,合理的使用设备;

(5)有利于安排热处理工序,时冷热加工工序配合得更好;

(6)便于及时发现毛坯缺陷;

(7)保护主要表面精度。

因此,在确定工艺方案时,必须从实际出发,首先要根据生产批量,加工精度,技术条件及工作条件来分析。

按照经济的满足加工要求的原则,合理的处理粗精工序的安排问题。

一般的说,矛盾的主要方面是加工经济性,所以不能不问具体情况,一般粗精加工分开。

但是,粗、精加工合并在一台机床上进行,其相互影响总是有的,应当采取措施尽量减少这种不利影响。

2.4加工顺序的安排

零件上的全部加工表面应安排在一个合理的加工顺序中加工,这对保证零件质量、提高生产率、降低加工成本都至关重要。

(1)工序顺序的安排原则

①先加工基准面,再加工其它表面。

这条原则有两个含义:

一、工艺路线开始安排的加工面应该是选作定位基准的精基准面,然后再以精基准定位,加工其它表面。

二、为保证一定的定位精度,当加工面的精度要求很高时,精加工前一般应先精修一下精基准。

②一般情况下,先加工平面,后加工孔。

这条原则的含义是:

一、当零件上有较大的平面可作定位基准时,可先加工出来作定位面,以面定位,加工孔。

这样可以保证定位稳定、准确,装夹工件往往也比较方便。

二、在毛坯面上钻孔,容易使钻头引偏,若该平面需要加工,则应在钻孔之前先加工平面。

③先加工主要表面,后加工次要表面。

这里所说的主要表面是指:

设计基准面,主要工作面。

而次要表面是指键槽、螺孔等其它表面。

次要表面和主要表面之间往往有相互位置要求。

因此,一般要在主要表面达到一定的精度后,再以主要表面定位加工次要表面。

要注意的是“后加工”的含义并不一定是整个工艺过程的最后。

④先安排粗加工工序,后安排精加工工序。

对于精度和表面质量要求较高的零件,其粗精加工应该分开。

(2)热处理工序及表面处理工序的安排

为了改善切削性能而进行的热处理工序(如退火、正火、调质等),应安排在切削加工之前。

为了消除内应力而进行的热处理工序(如人工时效、退火、正火等),最好安排在粗加工之后。

有时为减少运输工作量,对精度要求不太高的零件,把去除内应力的人工时效或退火安排在切削加工之前(即在毛坯车间)进行。

为了改善材料的力学物理性质,半精加工之后,精加工之前常安排淬火,淬火—回火,渗碳淬火等热处理工序。

对于整体淬火的零件,淬火前应将所有切削加工的表面加工完。

因为淬硬后,再切削就有困难了。

为了提高零件表面耐磨性或耐腐蚀性而安排的热处理工序以及以装饰为目而安排的热处理工序和表面处理工序(如镀锌、阳极氧化、发蓝处理等)一般都放在工艺过程的最后。

(3)其它工序的安排

检查、检验工序,去毛刺、平衡、清洗工序等也是工艺规程的重要组成部分。

检查、检验工序是保证产品质量合格的关键工序之一。

每个操作工人在操作过程中和操作结束以后都必须自检。

在工艺规程中,下列情况下应安排检查工序:

①零件加工完毕之后;

②从一个车间转到另一个车间的前后;

③工时较长或重要的关键工序的前后。

除了一般性的尺寸检查(包括形、位误差的检查)以外,X射线检查、超声波探伤检查等多用于工件(毛坯)内部的质量检查,一般安排在工艺过程的开始。

磁力探伤、萤光检验主要用于工件表面质量的检验,通常安排在精加工的前后进行。

密封性检验、零件的平衡、零件的重量检验一般安排在工艺过程的最后阶段进行。

切削加工之后,应安排去毛刺处理。

零件表层或内部的毛刺,影响装配操作、装配质量以至会影响整机性能,因此应给以充分重视。

 

2.5零件“连杆”工艺过程最终方案

连杆体的加工:

工序

名称

工序内容

设备

夹具

1

锻造

——按连杆锻造工艺进行

2

铣两平面

——铣至尺寸34±0.2

金工

双面铣专用机床

铣夹具

3

粗磨两平面

——磨完一面后,翻身,磨另一身,保证尺寸33.5±0.05

金工

M7475型转盘磨床

磁力吸盘

4

退磁

5

钻、扩小头孔

——钻至ф30,扩至ф32+0.10

金工

Z535型立式钻床

滑柱式钻模

6

锪小头孔口倒角

——一面锪好后,锪另一面

金工

Z535型立式钻床

7

拉小头孔

——拉后孔径为ф32.5+0.0300

金工

L55型立式拉床

拉刀

8

粗镗大头孔

——粗镗至ф45+0.0100,大小头孔中心距保证180±0.05

金工

镗孔专用机床

镗夹具

9

车大头外圆

——车大头外圆直径至ф74.50-0.06

金工

C618K型车床

车夹具

10

打成套编号

11

粗铣螺栓孔平面

——先在工位Ⅰ铣一个螺栓孔的两端面,再翻身再工位Ⅱ铣另一个螺栓孔的两端面

金工

X62W型卧式铣床

铣夹具,三面刃铣刀

12

精铣螺栓孔平面

——先再工位Ⅰ铣一个螺栓孔的两端面,再翻身再工位Ⅱ铣另一个螺栓孔的两端面

金工

X63W型卧式铣床

铣夹具,三面刃铣刀

13

钻、矿、铰两螺栓孔

——钻ф11,扩ф11.8,铰ф12+0.0270

(1)两螺栓孔距离59±0.1

(2)螺栓孔轴心线与大头孔端面距离16.75±0.10(3)两孔的平行度在长度上公差为0.15(4)端面G对螺栓孔的圆跳动在100mm长度上公差为0.20

金工

Z535型立式钻床

钻模

14

中间检验

——

(1)尺寸检验:

Ⅰ、59±0.1Ⅱ、29.5±0.1Ⅲ、28.98±0.14Ⅳ、55.96±0.1Ⅴ、26.98±0.2Ⅵ、ф12+0.0270Ⅶ、180±0.05Ⅷ、ф74.50-0.06Ⅸ、16.75±0.10Ⅹ、ф10.5+0.240Ⅺ、ф6.6+0.20

(2)两K孔在两个互相垂直方向的平行度在100mm长度上的公差为0.15(3)G面对K孔的圆跳动在100mm长度上的公差为0.20

平板

通用量具

15

半精磨两平面

——磨完一面后翻身磨另一面保证尺寸33.2±0.02

金工

M7475型平面磨床

磁力吸盘

16

退磁

退磁机

17

半精镗大头孔

——大头孔直径镗至ф52±+0.0060大头孔两端面对大头孔轴心线的垂直度在100mm长度上的公差为0.1

金工金工

镗孔专用机床

镗夹具

18

精镗小头孔

——

(1)小头孔直径ф33+0.0270,圆度公差为0.007,圆柱度公差为0.015

(2)大小头孔的轴心线在连杆轴线方向平行度在100mm长度上公差为0.03(3)大小头孔的轴心线在垂直连杆轴线方向的平行度在100mm长度上公差为0.06

金工

T760型金刚镗床

镗夹具

19

中间检验

——

(1)尺寸检验:

①180±0.05②ф33+0.0270③ф52+0.060④33.2±0.02

(2)小头孔圆度公差为0.007,圆柱度公差为0.015(3)大小头孔轴心线在连杆轴线方向平行度在100mm长度上公差为0.03(4)大小头孔轴心线在垂直于连杆轴线方向的平行度在100mm长度上的公差为0.06(5)Ⅰ面对大头孔轴心线的垂直度在100mm长度上公差为0.1

检验台

通用量具,位置偏差检验夹具

20

钻小头油孔

——钻ф4,锪ф8深3

金工

台钻

钻模

21

去毛刺

——去小头孔内的毛刺

22

压入衬套

——连杆于衬套油孔轴心线的同轴度公差为ф1mm

油压机

23

铣开

——先在工位Ⅰ铣开连杆的一边,再翻身在工位Ⅱ铣开连杆的另一边

(1)F面对两Ⅰ面的垂直度在100mm长度上的公差为0.2

(2)F面的平面度公差为0.01

金工

X62W型卧式铣床

铣夹具

24

去全部毛刺

25

锪螺栓孔口的倒角

——倒角0.5ⅹ450

金工

台钻

钻夹具

26

钻连杆盖定位销孔

——钻4个ф3深5的定位销孔

(1)销孔之间的距离为63±0.1,20±0.1

(2)销孔对连杆盖剖分面的中心线距离为31.5±0.1,10±0.1

金工

台钻

钻夹具

27

钻连杆体定位销孔

——钻4个ф3.5深5的定位销孔

(1)销孔之间的距离为63±0.1,20±0.1

(2)销孔对连杆盖剖分面的中心线距离为31.5±0.1,10±0.1

金工

台钻

钻夹具

28

装配连杆体和连杆盖

扭力扳手

工艺螺栓工艺垫片

29

精磨两平面

——保持尺寸33-0.025-0.050

金工

M7475型平面磨床

磁力吸盘

30

精镗衬套孔及大头孔

——

(1)镗后衬套直径ф28+0.028+0.0018,大头孔直径ф53+0.0150

(2)衬套孔的圆度公差为0.004,圆柱度公差为0.008(3)大头孔的圆度公差为0.005,圆柱度公差为0.010(4)衬套孔对大头孔轴心线在连杆轴线方向的平行度在100mm的长度上公差为0.03(5)衬套孔对大头孔的轴心线在垂直于连杆轴线方向的平行度在100mm长度上的公差为0.06(6)大小头孔距离180±0.05

金工

T760型金刚镗床

镗夹具

31

中间检验

——

(1)尺寸检验:

①16.5,②ф8③3,④450⑤ф28+0.028+0.010⑥180±0.05⑦ф4⑧ф53+0.0150⑨33-0.025-0.050

(2)衬套孔的圆度公差为0.004,圆柱度公差为0.008(3)大头孔的圆度公差为0.005,圆柱度公差度为0.010(4)大头孔、衬套孔轴心线在连杆轴线方向的平行度在100mm长度上公差为0.03(5)大头孔、衬套孔轴心线在垂直于连杆轴线方向平

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