钻螺栓孔夹具毕业设计论文.docx
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钻螺栓孔夹具毕业设计论文
学号:
密级:
____
本科毕业论文
汽车连杆加工工艺及钻螺栓孔专用夹具设计
院（系）名称：
工学院
专业名称：
机械设计制造及自动化
学生姓名：
指导教师：
二○一○年五月
BACHELOR'SDEGREETHESIS
OFDONGHUWCOLLEGEWUHANUNIVERSITY
RodProductionProcessandDrillboltholespecialjigdesign
College：
CollegeofEngineeringandTechnology
Subject：
MechanicalDesignandManufactureandAutomation
Name：
Directedby：
May2010
郑重声明
本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。
本学位论文的知识产权归属于培养单位。
本人签名：
日期：
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。
安排工艺进程时，就要把各主要表面的粗、精加工工序分开，即把粗加工安排在前，半精加工安排在中间，精加工安排在后面。
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，加工后容易产生变形。
粗、精加工分开后，粗加工产生的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正。
本课题夹具设计为钻连杆螺栓孔专用夹具设计。
关键词:
加工工艺；加工余量；尺寸链；夹具设计
ASTRACT
Theconnectingrodisoneofthemaindrivingmediumofdieselengine,thistextexpoundsmainlythemachiningtechnologyandthedesignofclampingdeviceoftheconnectingrod.Theprecisionofsize,theprecisionofprofileandtheprecisionofposition,oftheconnectingrodisdemandedhighly,andtherigidityoftheconnectingrodisnotenough,easytodeform,soarrangingthecraftcourse,needtoseparatetheeachmainandsuperficialthickfinishmachiningprocess.Reducethefunctionofprocessingthesurplus,cuttingforceandinternalstressprogressively,revisethedeformationafterprocessing,canreachthespecificationrequirementforthepartfinally,Arrangetechnologyprocess,themainsurfacecoarse,finishingprocess,theformer,halfinbalancingarrangementinthemiddle,finishmachiningprecisionarrangementinbehind.Thisisduetotheroughmachiningprocesses,thuscuttingallowanceofcuttingforce,clampingforceinevitablelargedeformation,processedeasily.Afterfinishingseparatecoarse,moldings,deformationoffinishinginhalf,Halfofmachiningdeformationoffinishingin.Thisfixturedesignfordrillconnectingboltholespecialjigdesign.
Keyword:
Processingtechnology；Limits.but；Dimensionchain；Fixturedesign
目 录
第1章绪论
1.1设计任务
本课题主要设计汽车连杆的加工工艺规程及钻连杆螺栓孔专用夹具。
年生产纲领为45万件。
1.2加工工艺规程设计的目的和意义
连杆是汽车发动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，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。
在发动机工作过程中，连杆受膨胀气体交变压力的作用和惯性力的作用，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步变小的工字型截面形状。
为了保证发动机运转均衡，同一发动机中各连杆的质量不能相差太大，因此，在连杆部件的大、小头两端设置了去不平衡质量的凸块，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、搬运等要求，连杆大、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），发动机工作时，依靠曲轴的高速转动，把气缸体下部的润滑油飞溅到小头顶端的油孔内，以润滑连杆小头衬套与活塞销之间的摆动运动副。
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。
因此，连杆的加工精度将直接影响柴油机的性能。
1.3连杆加工的发展趋势
汽车连杆的发展目前主要在其材料上的发展,碳素调质钢和合金调质钢是连杆用钢的传统钢种，通常小功率的发动机采用碳素调质钢，大功率的发动机采用合金调质钢。
碳素钢调质硬度一般在229~269HBS，合金钢可达到300HBS，但最高不超过330HBS。
碳素钢抗拉强度可达到800MPa以上，冲击韧度在60J/cm2以上；合金调质钢抗拉强度可达到900MPa以上，冲击韧度在80J/cm2以上。
调质钢连杆用于要求连杆有较高强度和韧性的大功率柴油机。
非调质钢是在中碳钢基础上添加钒、钛、铌等微合金元素，通过控制轧制或控制锻造过程的冷却速度，使其在基体组织中弥散析出碳、氮的化合物使其得到强化。
非调质钢省略了锻后的热处理。
按其强韧性可以分4类，其中基本型和高强度型适用于发动机连杆。
我国研究的非调质钢主要是钒系、锰钒系、锰钒氮系。
每个系列都开发了添加易切削元素的钢种。
用于发动机连杆的钢种有35MnVS、35MnVN、40MnV、48MnV等，其强度都在900MPa以下。
疲劳试验表明，非调质钢连杆的疲劳强度与相同级别调质钢相当。
我国现在用的材料是从德国进口的C70SC系列高碳非调质钢。
其成分特点是低硅、低锰、添加微量合金元素钒及易切削元素硫。
合金元素的范围要求窄、材料纯净度要求高。
我国已开展该系列钢种的国产化工作。
非调质钢正逐步取代调质钢，国外几乎完全采用非调质钢生产连杆。
随发动机轻量化的要求，连杆的设计应力提高，C70S6系列的钢种的应用会越来越多。
德国在该钢种的基础上开发了强度级别更高的钢种。
第2章汽车连杆加工工艺规程设计
2.1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，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。
2.2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。
连杆总成的主要技术要求（附图1）。
2.2.1大、小头孔的尺寸精度、形状精度
大头孔公差等级为IT6，表面粗糙度Ra应不大于0.4μm；大头孔的圆柱度公差为0.012mm，小头孔公差等级为IT8，表面粗糙度Ra应不大于3.2μm。
小头压衬套的底孔的圆柱度公差为0.0025mm，素线平行度公差为0.04/100mm。
2.2.2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100mm长度上公差为0.04mm；在垂直与连杆轴心线方向的平行度在100mm长度上公差为0.06mm。
2.2.3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，所以规定了比较高的要求：
190±0.1mm。
2.2.4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在100mm长度上公差为0.08mm）。
2.2.5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，但从技术要求是不同的，大头两端面的尺寸公差等级为IT9，表面粗糙度Ra不大于0.8μm,小头两端面的尺寸公差等级为IT12，表面粗糙度Ra不大于6.3μm。
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。
2.2.6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6.3μm加工；两螺栓孔在大头孔剖分面的对称度公差为0.25mm。
2.2.7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0.025mm。
2.3连杆的材料和毛坯
目前我国有些生产连杆的工厂，采用了连杆辊锻工艺。
图（2.1）为连杆辊锻示意图．毛坯加热后，通过上锻辊模具2和下锻辊模具4的型槽，毛坏产生塑性变形，从而得到所需要的形状。
用辊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。
辊锻需经多次逐渐成形。
图2.1连杆辊锻示意图
图2.2给出了连杆的毛胚图，将棒料在炉中加热至1140～1200C0，先在辊锻机上通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。
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。
图2.2连杆辊锻
2.4连杆的机械加工工艺过程
连杆机械加工工艺路线如下表2.4.1所示：
表2.4.1连杆机械加工工艺路线
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,标记一面为基面
X52K
2
粗磨
以一大平面定位，磨另一大平面，保证中心线对称，
M7331
3
钻
以基面定位，钻、扩、铰小头孔至一定尺寸
Z33S-1
4
铣
以基面小头孔定位铣侧面
X62
5
扩
以基面定位，以小头孔定位，扩大头孔为Φ63mm
Z575
6
铣
以基面，大，小头孔定位切断大头。
X62
7
铣
以基面和侧面定位铣，连杆体盖接合面
X62
8
精磨
以基面和一侧面定位装夹工件，磨连杆体和盖的结合面
M7331
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
10
钻
以基面、结合面和一侧面定位，装夹工件，钻油孔
8.5mm,
10mm
Z33S-1
11
钻
以基面结合面各自侧面定位，装夹工件钻2—
10mm,2—R—10mm深度保持22±0.25
Z33S-1
12
扩
先扩2—
10mm螺栓孔，再扩2—R10mm深至标准尺寸。
并倒角
Z33S-1
13
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
14
镗
粗镗大头孔至一定量
T68
15
倒角
大头孔两端倒角
X62
16
磨
精磨大小头两端面，保证大端面厚度为
mm
M7331
17
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
18
镗
精镗大头孔至尺寸
T2115
19
称重
称量不平衡质量
弹簧称
20
钳
按规定值去重量
21
压铜套
双面气动压床
22
挤压铜套孔
压床
23
倒角
小头孔两端倒角
Z33S-1
24
镗
半精镗、精镗小头铜套孔
T2115
25
珩磨
珩磨大头孔
珩磨机床
26
检
检查各部尺寸及精度
27
探伤
无损探伤及检验硬度
28
入库
2.5连杆的机械加工工艺过程分析
2.5.1工艺过程的安排
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
一些次要表面的加工，则视需要和可能安排在工艺过程的中间或后面。
2.5.2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。
这是由于：
端面的面积大，定位比较稳定，用小头孔定位可直接控制大、小头孔的中心距。
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2.3所示：
在安装工件时，注意将成套编号标记的一面不与连杆的定位原件接触,在精镗小头孔时也用小头孔做基面。
图2.3连杆的定位方向
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。
2.5.3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。
在粗铣两端面的夹具中，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。
在加工大小头孔工序中，主要夹紧力垂直作用于大头端面上，并由定位元件承受，以保证所加工孔的圆度。
在精镗大小头孔时，只以大平面（基面）定位，并且只夹紧大头这一端。
小头一端以假销定位后，用螺钉在另一侧面夹紧。
小头一端不在端面上定位夹紧，避免可能产生的变形。
2.5.4连杆两端面的加工
采用粗铣、精铣、粗磨、精磨四道工序，并将精磨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。
粗磨在转盘磨床上，使用砂瓦拼成的砂轮端面磨削。
这种方法的生产率较高。
精磨在M7331型平面磨床上用砂轮的周边磨削，这种办法的生产率低一些，但精度较高。
2.5.5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、铰三道工序。
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、铰后，在金刚镗床上与大头孔同时精镗，达到IT6级公差等级，然后压入衬套，再以衬套内孔定位精镗大头孔。
由于衬套的内孔与外圆存在同轴度误差，这种定位方法有可能使精镗后的衬套孔与大头孔的中心距超差。
大头孔经过扩、粗镗、半精镗、精镗、金刚镗和珩磨达到IT6级公差等级。
表面粗糙度Ra为0.4μm，大头孔的加工方法是在铣开工序后，将连杆与连杆体组合在一起，然后进行精镗大头孔的工序。
这样，在铣开以后可能产生的变形，可以在最后精镗工序中得到修正，以保证孔的形状精度。
2.5.6连杆螺栓孔的加工
连杆的螺栓孔经过钻、扩、铰工序。
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，在扩和铰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。
粗铣螺栓孔端面采用工件翻身的方法，这样铣夹具没有活动部分，能保证承受较大的铣削力。
精铣时，为了保证螺栓孔的两个端面与连杆大头端面垂直，使用两工位夹具。
连杆在夹具的工位上铣完一个螺栓孔的两端面后，夹具上的定位板带着工件旋转1800，铣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。
2.5.7连杆体与连杆盖的铣开工序
剖分面（亦称结合面）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。
为了保证铣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,则铣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，在剖分面铣开以后再经过磨削加工。
2.5.8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）。
装夹工件铣两侧面至尺寸，保证对称（此对称平面为工艺用基准面）。
2.6连杆加工工艺设计应考虑的问题
2.6.1工序安排
连杆加工工序安排应注意两个影响精度的因素：
（1）连杆的刚度比较低，在外力作用下容易变形；
（2）连杆是模锻件，孔的加工余量大，切削时会产生较大的残余内应力。
因此在连杆加工工艺中，各主要表面的粗精加工工序一定要分开。
2.6.2定位基准
精基准：
以杆身对称面定位，便于保证对称度的要求，而且采用双面铣，可使部分切削力抵消。
统一精基准：
以大小头端面，小头孔、大头孔一侧面定位。
因为端面的面积大，定位稳定可靠；用小头孔定位可直接控制大小头孔的中心距。
2.6.3夹具使用
保证螺栓孔与螺栓端面的垂直度。
为此，精铣端面时，夹具可考虑重复定位情况，如采用夹具限制7个自由度（其是长圆柱销限制4个，长菱形销限制2个）。
长销定位目的就在于保证垂直度。
但由于重复定位装御有困难，因此要求夹具制造精度较高，且采取一定措施，一方面长圆柱销削去一边，另一方面设计顶出工件的装置。
2.7切削用量的选择原则
正确地选择切削用量，对提高切削效率，保证必要的刀具耐用度和经济性，保证加工质量，具有重要的作用。
2.7.1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要求不高,毛坯余量较大。
因此，选择粗加工的切削用量时，要尽可能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，以提高生产效率和降低加工成本。
金属切除率可以用下式计算：
Zw≈Vfap
1000
式中：
Zw单位时间内的金属切除量（mm3/s）
V切削速度（m/s）
f进给量（mm/r）
ap背吃刀量（mm）
1）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、刀具和工件组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。
2）进给量的选择：
粗加工时限制进给量提高的因素主要是切削力。
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的强度、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情况下，可选用大一些的进给量；在刚性和强度较差的情况下，应适当减小进给量。
3）切削速度的选择：
粗加工时，切削速度主要受刀具耐用度和机床功率的限制。
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。
如超过了机床的许用功率，则应适当降低切削速度。
2.7.2精加工时切削用量的选择原则
1）切削深度的选择：
精加工时的切削深度应根据粗加工留下的余量确定。
通常希望精加工余量不要留得太大，否则，当吃刀深度较大时，切削力增加较显著，影响加工质量。
2）进给量的选择：
精加工时限制进给量提高的主要因素是表面粗糙度。
进给量增大时，虽有利于断屑，但残留面积高度增大，切削力上升，表面质量下降。
2.8确定各工序的加工余量、计算工序尺寸及公差
2.8.1确定加工余量
用查表法确定机械加工余量：
（根据《机械加工工艺手册》第一卷表3.2—25表3.2—26表3.2—27）
（1）平面加工的工序余量（mm）
表2.8.1平面加工工序余量
工序名称
工序基本余量
工序经济精度
工序尺寸
表面粗糙度（
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