课程设计高速柴油机连杆工艺装备.docx
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课程设计高速柴油机连杆工艺装备
机车车辆制造与修理工艺学课程设计说明书
题目：
设计105系列高速柴油机连杆工艺装备
摘要
本次设计内容涉及了机械制造工艺及机床夹具设计、金属切削机床、公差配合与测量等多方面的知识。
在工艺设计中要首先对零件进行分析，进而对具体的工序进行分析，之后选择好零件的加工基准，选好切削用量及进行相关计算，然后进行专用夹具的设计，选择设计出夹具的各个组成部件，如定位元件、夹紧元件、引导元件、夹具体与机床的连接部件以及其它部件；计算出夹具定位时产生的定位误差，分析夹具结构的合理性与不足之处，并在以后设计中注意改进。
关键词：
工序、切削用量、夹紧、定位、误差
序言
机械制造业是制造具有一定形状位置和尺寸的零件和产品，并把它们装备成机械装备的行业。
机械制造业的产品既可以直接供人们使用，也可以为其它行业的生产提供装备，社会上有着各种各样的机械或机械制造业的产品。
我们的生活离不开制造业，因此制造业是国民经济发展的重要行业，是一个国家或地区发展的重要基础及有力支柱。
从某中意义上讲，机械制造水平的高低是衡量一个国家国民经济综合实力和科学技术水平的重要指标。
连杆双头螺孔夹具设计是在学完了机械制图、机械制造技术基础、机械设计、机械工程材料、制造与修理工艺等课程之后的一个教学环节。
目的是能够正确地解决一个零件在加工中的定位，夹紧，工艺尺寸确定等问题，并设计出专用夹具，保证零件的加工质量。
本次设计培养了自己的自学与创新能力。
因此本次设计综合性和实践性强、涉及知识面广。
所以在设计中既要注意基本概念、基本理论，又要注意生产实践的需要，只有将各种理论与生产实践相结合，才能很好的完成本次设计。
本次设计水平有限，其中难免有缺点错误，敬请老师们批评指正。
一零件的分析
1.1零件的作用
连杆是柴油机中的主要传动部件之一，它在柴油机中，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。
连杆的主要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。
1.2加工工艺分析
连杆机械加工工艺过程如下表（1—1）所示：
表（1—1）
工序
工序名称
工序内容
工艺装备
1
铣
铣连杆大、小头两平面,每面留磨量0.5mm
X52K
2
粗磨
以一大平面定位，磨另一大平面，保证中心线对称，无标记面称基面。
（下同）
M7350
3
钻
与基面定位，钻、扩、铰小头孔
Z3080
4
铣
以基面及大、小头孔定位，装夹工件铣尺寸
mm两侧面，保证对称（此平面为工艺用基准面）
X62W组合机床或专用工装
5
扩
以基面定位，以小头孔定位，扩大头孔为Φ60mm
Z3080
6
铣
以基面及大、小头孔定位，装夹工件，切开工件，编号杆身及上盖分别打标记。
X62W组合机床或专用工装锯片铣刀厚2mm
7
铣
以基面和一侧面定位装夹工件，铣连杆体和盖结合面，保直径方向测量深度为27.5mm
X62组合夹具或专用工装
8
磨
以基面和一侧面定位装夹工件，磨连杆体和盖的结合面
M7350
9
铣
以基面及结合面定位装夹工件，铣连杆体和盖
mm
8mm斜槽
X62组合夹具或专用工装
10
锪
以基面、结合面和一侧面定位，装夹工件，锪两螺栓座面
mm,R11mm,保证尺寸
mm
X62W
11
钻
钻2—
10mm螺栓孔
Z3050
12
扩
先扩2—
12mm螺栓孔，再扩2—
13mm深19mm螺栓孔并倒角
Z3050
13
铰
铰2—
12.2mm螺栓孔
Z3050
14
钳
用专用螺钉，将连杆体和连杆盖装成连杆组件，其扭力矩为100—120N.m
15
镗
粗镗大头孔
T68
16
倒角
大头孔两端倒角
X62W
17
磨
精磨大小头两端面，保证大端面厚度为
mm
M7130
18
镗
以基面、一侧面定位，半精镗大头孔，精镗小头孔至图纸尺寸，中心距为
mm
可调双轴镗
19
镗
精镗大头孔至尺寸
T2115
20
称重
称量不平衡质量
弹簧称
21
钳
按规定值去重量
22
钻
钻连杆体小头油孔
6.5mm,
10mm
Z3025
23
压铜套
双面气动压床
24
挤压铜套孔
压床
25
倒角
小头孔两端倒角
Z3050
26
镗
半精镗、精镗小头铜套孔
T2115
27
珩磨
珩磨大头孔
珩磨机床
28
检
检查各部尺寸及精度
29
探伤
无损探伤及检验硬度
30
入库
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。
各主要表面的工序安排如下：
（1）两端面：
粗铣、精铣、粗磨、精磨
（2）小头孔：
钻孔、扩孔、铰孔、精镗、压入衬套后再精镗
（3）大头孔：
扩孔、粗镗、半精镗、精镗、金刚镗、珩磨
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、小头孔的精加工。
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。
1.2加工工序分析
本道工序为加工连杆双头螺柱孔，为第二阶段连杆体合盖切开后的加工。
首先必须先将连杆固定，然后用立式钻床进行加工。
加工工序卡如下页：
二、机床专用夹具的分类与组成
2.1机床夹具的分类
机床夹具是一种能够使工件按一定的技术要求准确定位和夹紧的装置，它的种类繁多，为了设计、制造和管理的方便，可以从不同的角度对机床的夹具进行分类。
按夹具的使用特点分类，机床夹具可分为通用夹具、专用夹具、可调夹具、组合夹具和随行夹具等五大类：
（1）通用夹具
通用夹具是指结构、尺寸已规格化，且具有一定通用性的夹具，如三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、台虎钳、万能分度头、中心架、电磁吸盘等。
其特点是适用性强、不需调整或稍加调整即可装夹一定形状范围内的各种工件。
这类夹具已商品化，且成为机床附件。
采用这类夹具可缩短生产准备周期，减少夹具品种，从而降低生产成本。
其缺点是夹具的加工精度不高，生产率也较低，且较难装夹形状复杂的工件，故适用于单件小批量生产中。
（2）专用夹具
专用夹具是针对某一工件的某一工序的加工要求而专门设计和制造的夹具。
其特点是针对性极强，没有通用性。
在产品相对稳定、批量较大的生产中，常用各种专用夹具，可获得较高的生产率和加工精度。
专用夹具的设计制造周期较长，随着现代多品种及中、小批生产的发展，专用夹具在适应性和经济性等方面已产生许多问题。
（3）可调夹具
可调夹具是针对通用夹具和专用夹具的缺陷而发展起来的一类新型夹具。
对不同类型和尺寸的工件，只需调整或更换原来夹具上的个别定位元件和夹紧元件便可使用。
它一般又分为通用可调夹具和成组夹具两种。
通用可调夹具的通用范围大，适用性广，加工对象不太固定。
成组夹具是专门为成组工艺中某组零件设计的，调整范围仅限于本组内的工件。
可调夹具在多品种、小批量生产中得到广泛应用。
（4）组合夹具
组合夹具是一种模块化的夹具，并已商品化。
标准的模块元件具有较高精度和耐磨性，可组装成各种夹具，夹具用毕即可拆卸，留待组装新的夹具。
由于使用组合夹具可缩短生产准备周期，元件能重复多次使用，并具有可减少专用夹具数量等优点；因此组合夹具在单件、中小批多品种生产和数控加工中，是一种较经济的夹具。
（5）随行夹具
随行夹具在使用中夹具随着工件一起运动，并将工件沿着自动线从一个工位移至下一个工位进行加工。
机床夹具亦可按使用机床分类、或按夹紧动力源分类等。
2.2机床夹具的组成
机床夹具虽然种类繁多，形状千差万别，其作用主要是保证加工精度，提高生产率，扩大机床工艺范围，减轻工人劳动强度。
但它们的工作原理基本相同。
如果将各种夹具中作用相同的元件或机构加以概括，夹具一般是由以下几部分组成,如图1.2所示：
（1）定位装置
主要包括定位元件及其组合，用于确定工件在夹具中的位置，即通过它使工件加工时相对于刀具及切削运动处于正确的位置，如定位销、V形块等。
（2）夹紧装置
用于保持工件在夹具中的确定位置，使工件在定位时所占据的位置在加工过程中不因受重力、惯性力以及切削力等外力作用下而产生位移，如压块、压板、螺钉、螺母等。
（3）导向或对刀装置
用于引导刀具进行加工或确定刀具与夹具之间的正确位置，如对刀块、塞尺、钻模、镗套等。
（4）其它装置
根据夹具特殊功能需要而设计的一些装置，如定向件、定位键、操作件等。
（5）夹具体
用于连接夹具各元件及装置，使其成为一个整体夹具骨架，并与机床有关部位进行连接，使其成为一个整体的基础件，以确定夹具相对于机床的位置。
2.3机床专用夹具设计的发展方向
夹具是数控机床加工过程中必不可少的部件，随着CAD技术的普及应用越来越广和越来越深入，夹具设计已经从传统的手工设计发展到利用二维、三维CAD绘图软件的集成设计。
同时，为了达到现代机床加工对数控技术提出了更高的要求，在数控技术向高速、高效、高精度、模块化、智能化、柔性化和集成化方向发展的带动下，现代机床夹具设计技术正朝着高效化、精密化、模块化、智能化、柔性化、集成化、标准化等7个方向发展。
（1）高效化
高效化夹具主要用来减少加工工件的基本时间和辅助时间，以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。
如瑞典3R夹具仅用1分钟，即可完成线切割机床夹具的安装与校正、美国Jergens（杰金斯）公司的球锁装夹系统，1分钟内就能将夹具定位和锁紧在机床工作台上。
（2）精密化
随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。
精密化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达±0.1＇；用于精密车削的高精度三爪自定心卡盘，其定心精度为5μm。
（3）模块化
夹具元件模块化是实现组合化的基础。
利用模块化设计的系列化、标准化夹具元件，快速组装成各种夹具，已成为夹具技术开发的基点。
（4）智能化
智能化夹具最初主要应用的是专家系统，利用人工智能技术将各种技术综合应用，有助于提高机床夹具的设计效率。
（5）柔性化
机床夹具的柔性化是指机床夹具通过调整、组合等方式，以适应工艺可变因素的能力。
工艺的可变因素主要有：
工序特征、生产批量、工件的形状和尺寸等。
具有柔性化特征的新型夹具当前夹具发展的重要方向。
（6）集成化
机床夹具设计是生产准备的重要部分。
确定该工序所使用的夹具，给出夹具的装配图和零件图是连接设计与加工的纽带，实现与CAPP的集成。
集成化是夹具设计发展的必然方向，是企业信息集成的必然要求。
（7）标准化
标准化是提高机床夹具设计系统适应性和促进集成的基础。
目前我国已有夹具零件及部件的国家标准：
GB/T2148～T2259－91以及各类通用夹具、组合夹具标准等。
机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。
2.4夹具研究的意义
夹具的设计制造在整个制造生产准备工作中占有很重要的地位，它的设计与制造质量对保证产品质量有决定性的影响，其设计与制造的周期在整个生产准备中最长，实际决定着整个生产准备周期。
通过调研得知，一般企业仍习惯于大量采用传统的专用夹具，在具有中等生产能力的工厂里，约拥有数千甚至近万套专用夹具，传统专用夹具设计依赖设计人员的设计经验，会导致产生以下主要问题。
（1）生产准备周期长、设计效率低、生产成本高;
（2）很少采用标准件，难以实现对高精度、相似性特征工件设计。
针对以上特点，本文着重研究并充分利用己有的夹具设计经验，将参数化、模块化技术应用到系统当中，从机床专用夹具可重构性的角度出发，建立参数化夹具定位机构、夹紧机构、对定机构以及对机床专用夹具的建模和虚拟装配，基于UG的二次开发对机床专用夹具进行设计，改变传统夹具设计模式，技术革新，创建夹具三维设计的新环境，可以大大缩短设计与制造周期，减少重复劳动，提高工作效率，降低生产成本。
此外，利用UG二次开发三维参数化技术应用于夹具设计，对夹具的标准化、系列化将会起到积极的推动作用，有利于夹具设计的科学性和系统性管理，有利于企业取得良好的经济效益和社会效益。
2.5研究的内容（课题的研究内容）
对夹具的基本要求就是将工件定位并牢固的夹持在一定位置，并在机床工作台上有一定的方位，其次，还要满足其他要求，如保证夹具的生产率（容易装卸工件，采用自动或半自动夹紧装置，切屑容易排除），操作简单并安全（如对贵重工件采用防误功能的元件），有效降低成本（考虑夹具材料和制造过程，优先选用标准件）。
因此，夹具设计是一个复杂的过程，在传统夹具设计中，这些基本原理应用于具体夹具设计中主要取决于设计者的经验。
从夹具设计人员的经验中收集表达这些知识是夹具设计的关键。
夹具一般由定位装置、夹紧装置、对刀引导装置、其他元件及装置和夹具体等基本装置组成：
其中定位装置主要包括定位元件及其组合，其作用是确定工件在夹具中的位置，即通过它使工件加工时相对于刀具及切削成形运动处于正确的位置，如支承钉、支承板、V形架、定位销等；夹紧装置的作用是将工件压紧夹牢，保证工件在定位时所占据的位置在加工过程中不因受重力、惯性力以及切削力等外力作用而产生位移，同时防止或减少振动。
它通常是一种机构，包括夹紧元件（如夹爪、压板等），增力及传动装置（如杠杆、螺纹传动副、斜楔、凸轮等）以及动力装置（如气缸、液压缸）等；对刀引导装置的作用是确定夹具相对于刀具的位置，或引导刀具进行加工，如对刀块、钻套、撞套等；其他元件及装置，如定向件、操作件以及根据夹具特殊功用需要设置的一些装置，如分度装置、工件顶出装置、上下料装置等；夹具体用于连接夹具各元件及装置，使其成为一个整体的基础件，并与机床有关部位连接，以确定夹具相对于机床的位置。
根据夹具的基本组成，可以看出夹具设计的主要内容包括：
（1）在收集整理有关产品设计参考资料和技术标准的基础上，分析产品零件的加工特征和加工车间的机床装备的情况并提取零件的特征信息，确定零件的加工方案；
（2）切削力计算，根据零件的加工方案计算相关的切削力；
（3）定位装置设计，其中包括定位方案的确定，定位元件的选择以及定位误差的计算等。
定位方案和定位元件的选择包括定位元件的结构、形状、尺寸及布置形式等，主要决定于工件的加工要求、工件定位基准和外力的作用状况等因素；
（4）夹紧装置设计，其中包括夹紧方案的确定，夹紧元件的选择以及夹紧力计算等；
（5）对刀、引导装置以及夹具体的设计，其它特定要求涉及的相关元件与装置的确定，例如分度装置、定向键等；
（6）完成夹具总体布局和装配图的设计绘制，并制定夹具的制造工艺。
三、夹具设计
3.1问题提出
本夹具主要用来钻连杆双头螺柱孔，半径为12mm，为之后的攻M14螺纹做准备。
孔没有特别要求，一次钻削就可以达到加工要求。
3.2夹具设计思路
3.2.1连杆专用夹具设计的主要内容
连杆专用夹具一般由定位装置、夹紧装置、导向或对刀装置、其他装置装置和夹具体等基本装置组成，根据夹具的基本组成，可以看出夹具设计的主要内容包括:
（1）夹具定位机构的设计
包括夹具定位元件与机构的选择、定位方案的确定以及定位误差的计算等。
定位元件的选择包括定位元件的结构、形状、尺寸及布置形式等，主要决定于工件的加工要求、工件定位基准和外力的作用状况等因素。
定位方案主要指工件以平面定位、工件以外圆柱表面定位和工件以内孔定位，然后，根据不同的定位方式进行定位误差的计算。
（2）夹具夹紧装置的设计
夹具夹紧装置是由力源装置、中间传力机构、夹紧元件与夹紧机构组成，包括夹具夹紧元件与机构的选择、夹紧方案的确定以及夹紧力与切削力的计算等。
夹紧机构的选择包括斜楔夹紧机构、螺旋夹紧机构、偏心夹紧机构、杠杆与铰链夹紧机构、联动夹紧机构、定心夹紧机构等。
然后，根据切削力计算夹紧力的大小，确定合理的夹紧方案。
（3）夹具对定机构的设计
夹具对定机构包括对刀装置与元件、引导装置与元件、对定元件、分度装置以及相关计算，如定向键、对刀块、对刀块到定位元件位置的尺寸计算、分度装置、分度误差计算等。
（4）夹具总体装配布局和工艺设计
包括生产零件图、装配图、爆炸图、装配检查、制定夹具制造工艺等。
根据夹具设计的主要内容可以得到机床专用夹具设计的一般步骤：
（1）明确设计要求和生产条件、认真调查研究，收集设计资料；
（2）确定夹具的结构方案、绘制夹具总图；
（3）夹具精度校核、绘制夹具零件工作图；
3.2.2连杆专用夹具设计的思路
连杆专用夹具设计的过程：
包括研究原始质料、定位基准的选择、切削力及夹紧分析计算、误差分析与计算、夹具设计。
3.3定位基准的选择
由零件图可知，在加工双头螺柱孔之前，Φ43小头孔已加工好，可以用定位销定位小头孔，限制两个自由度。
同时使用下端面以及加工出的定位凸台作为定位基准，进行平面定位，限制其余自由度，最终达到六点定位。
3.4夹紧方式的选择
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，注意了夹紧力的作用方向和着力点的选择。
采用回转压板在大头半圆孔处压紧，从而提供压紧力。
这样在加工方向上没有夹紧力引起的变形，提高了加工精度此方式装卸方便。
此种夹紧方式便于拆卸，适合工件的大批量生产，可以有效缩短辅助时间。
3.5夹具体设计
夹具体的作用是将定位、夹具装置连接成一体，并能正确安装在机床上，加工时，能承受一部分切削力。
夹具体为铸造件，安装稳定，刚度好，但制造周期较长。
其三维效果图如下：
3.6切削力和夹紧力的计算
（1）刀具：
采用高速钢钻头,
机床：
立式钻床
由钻床切削力公式Ff=667Df0.7Kp，
其中D=12，f=0.2，Kp=1得
切削力为Ff=2594.34N
由钻床切削扭矩公式M=0.34D2f0.8Kp
其中D=24，f=0.2，Kp=1
得M=13.51Nm
（2）夹紧力的计算
选用回转压版压紧，故压紧力由螺钉提供
由公式
取K=1
其中f为夹紧面上的摩擦系数，取
N=F/
=4323.9N
因为有两个螺柱固定，故单个螺柱提供的压力为N1=2161.95N
夹紧螺栓：
公称直径d=20mm，材料为低碳合金钢性能级数为6.8级
螺钉疲劳极限：
极限应力幅：
许用应力幅：
螺钉的强度校核：
螺钉的许用切应力为
[s]=3.5~4取[s]=4
得
满足要求
也满足要求
经校核：
满足强度要求，夹具安全可靠。
3.7定位误差分析
本套夹具的定位误差主要来自于定位销处。
定位销处采用一面一孔定位，配合为H7/h6
原理图如下：
移动时基准位移误差
（式5-5）
式中：
————圆柱销的下偏差
————圆柱销孔的上偏差
————圆柱销定位孔与定位销最小配合间隙
代入（式5-5）得：
=0.007+0.018+0.016
=0.041mm
3.8引导及对刀装置设计
本套夹具的引导对刀装置主要为钻模。
因为连杆的生产方式为大批量生产，故选择可换钻套的形式，以便磨损后快速更换。
其结构如下图所示：
其中1为钻套，2为衬套，压配在钻模版3中，钻套由螺钉4固定，防止钻套转动，钻套和衬套采用F7/m6配合。
钻套材料为GCR15。
3.9夹具设计简要操作说明
本夹具采用一定位销一凸台定位，回转压板压紧，采用装配可换钻套式的钻模。
顺着定位销装上工件后，将工件紧靠定位凸台，转动回转压板，卡入螺柱中，然后旋紧螺母夹紧工件。
之后用螺钉安装钻模板。
安装好钻模板后即可开始加工工件。
加工完毕后，旋松螺母，旋转回转压板至相反方即可进行工件的拆卸。
此夹具设计在满足要求的情况下相对比较简单，适合于大批量生产，有效地减少了辅助时间，提高生产效率。
小结
课程设计即将结束了，时间虽然短暂但是对我来说受益菲浅，通过这次的设计使我们是将理论和实践相结合进行实实在在的设计，使我们不但巩固了理论知识而且掌握了设计的步骤和要领，使我们更好的利用图书馆的资料，更好的更熟练的利用我们手中的各种电子设计手册和AUTOCAD等制图软件，为我们将来的学习和工作打下了良好的基础。
同时这次设计使我们认识到了只努力的学好书本上的知识是不够的，还应该更好的做到理论和实践的结合。
感谢老师给我们的辛勤指导，使我们能够顺利完成此次设计，它也将为我们的毕业设计打下坚实的基础。
致谢
这次设计使我收益不小，为我今后的学习和工作打下了坚实和良好的基础。
但是，在最初选题和制定方案时存在一些问题，不过我的指导老师每次都很有耐心地帮我提出宝贵的意见，在我遇到难题时给我指明了方向，最终我很顺利的完成了此次设计。
这次设计成绩的取得，与指导老师的细心指导是分不开的。
在此，我衷心感谢我的指导老师，感谢他耐心地帮助我解决一些难题。
参考文献
1.切削用量简明手册,艾兴、肖诗纲主编,机械工业出版社出版，1994年
2.机械制造工艺设计简明手册，李益民主编，机械工业出版社出版，1994年
3.机床夹具设计，哈尔滨工业大学、上海工业大学主编，上海科学技术出版社出版，1983年
4.机床夹具设计手册，东北重型机械学院、洛阳工学院、一汽制造厂职工大学编，上海科学技术出版社出版，1990年
5.金属机械加工工艺人员手册，上海科学技术出版社，1981年10月
6.机械制造工艺学，郭宗连、秦宝荣主编，中国建材工业出版社出版，19
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