连杆机械加工工艺及大小头孔珩磨夹具设计.docx
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连杆机械加工工艺及大小头孔珩磨夹具设计
学科类：
工科学号：
学校代码：
密级：
2015届本科生毕业论文
连杆机械加工工艺及大小头孔珩磨夹具设计
院系：
机电工程学院
专业：
机械设计制造及其自动化
姓名：
指导教师：
答辩日期：
二〇一五年五月
毕业论文诚信声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业论文《连杆机械加工工艺及大小头孔珩磨夹具设计》是本人在指导老师的指导下，独立研究、写作的成果。
论文中引用是他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在论文以明确方式标明。
本声明的法律结果由本人独自承担。
毕业论文作者签名：
年月日
摘要
本次设计任务就是连杆机械加工工艺及珩磨大小头孔夹具设计，这次工艺过程包括：
铣连杆两端面、钻孔、铣连杆结合面、珩磨大、小头孔等工序。
同时，我希望这次设计能超越目前工厂的实际生产工艺，提高加工效率，降低生产成本；而将有利于加工质量和劳动生产率提高的新技术和新工艺应用到机器零件的制造中，为改善我国制造业相对落后的局面探索可能的途径。
我也希望通过这次学习能过为我以后的工作进行一次综合训练和准备。
【关键词】连杆珩磨加工工艺夹具设计
Abstract
Thedesigntaskisconnectingrodcapprocessingprocedureandlinkagedesigncoverprocessingfixture,thisprocessincludes:
milling,drilling,millingtwoconnectingrodendjointface,boringheadholeprocess.Atthesametime,Ihopethisdesigncangobeyondthepresentactualfactoryproductionprocesses,improveprocessingefficiency,reducetheproductioncost;manufacturingandwillbebeneficialtotheprocessingqualityandproductivityofthenewtechnologyandnewprocessappliedtomachineparts,toexplorepossiblewaystoimproveourmanufacturingindustryisrelativelybackwardsituation.Ialsohopetobeabletoconductacomprehensivetrainingandpreparationformyfutureworkthroughthisstudy.
【Keyword】Theconnectingrodcapprocessing;theconnectingrodcapbindingsurface;processplanning;fixturedesign
目 录
Abstract4
第一章连杆的加工工艺
1.1连杆的结构
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，而工艺的选择又是直接影响精度的主要因素。
反映连杆精度的参数主要有5个：
（1）连杆大端中心面和小端中心面相对连杆杆身中心面的对称度；
（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垂直度。
1.2连杆零件的技术条件
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（图1-1）如下。
连杆总成图（1—1）
1.2.1大、小头孔的尺寸精度、形状精度
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。
1.2.2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。
1.2.3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）。
1.3 连杆的材料和毛坯
连杆在工作中承受多向交变载荷的作用，要求具有很高的强度。
因此，连杆材料一般采用高强度碳钢和合金钢；如45钢、55钢、40Cr、40CrMnB等。
近年来也有采用球墨铸铁的，粉末冶金零件的尺寸精度高，材料损耗少，成本低。
随着粉末冶金锻造工艺的出现和应用，使粉末冶金件的密度和强度大为提高。
因此，采用粉末冶金的办法制造连杆是一个很有发展前途的制造方法。
连杆毛坯制造方法的选择，主要根据生产类型、材料的工艺性（可塑性，可锻性）及零件对材料的组织性能要求，零件的形状及其外形尺寸，毛坯车间现有生产条件及采用先进的毛坯制造方法的可能性来确定毛坯的制造方法。
根据生产纲领为大量生产，连杆多用模锻制造毛坯。
连杆模锻形式有两种，一种是体和盖分开锻造，另一种是将体和盖锻成—体。
整体锻造的毛坯，需要在以后的机械加工过程中将其切开，为保证切开后粗镗孔余量的均匀，最好将整体连杆大头孔锻成椭圆形。
相对于分体锻造而言，整体锻造存在所需锻造设备动力大和金属纤维被切断等问题，但由于整体锻造的连杆毛坯具有材料损耗少、锻造工时少、模具少等优点，故用得越来越多，成为连杆毛坯的一种主要形式。
总之，毛坯的种类和制造方法的选择应使零件总的生产成本降低，性能提高。
1.4 连杆的机械加工工艺过程
由上述技术条件的分析可知，连杆的尺寸精度、形状精度以及位置精度的要求都很高，但是连杆的刚性比较差，容易产生变形，这就给连杆的机械加工带来了很多困难，必须充分的重视。
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—
12mm螺栓孔
Z3050
12
扩
先扩2—
12mm螺栓孔，再绞2—M14mm深19mm螺栓孔并倒角
Z3050
13
铰
铰2—14mm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。
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。
1.5连杆的机械加工工艺过程分析
1.5.1工艺过程的安排
在连杆加工中有两个主要因素影响加工精度：
（1）连杆本身的刚度比较低，在外力（切削力、夹紧力）的作用下容易变形。
（2）连杆是模锻件，孔的加工余量大，切削时将产生较大的残余内应力，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。
这样逐步减少加工余量，切削力及内应力的作用，逐步修正加工后的变形，就能最后达到零件的技术条件。
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。
1.5.2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（1—5）所示：
在安装工件时，注意将成套编号标记的一面不
图（1-5）连杆的定位方向
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。
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。
1.5.3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。
1.5.4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M7130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。
1.5.5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。
1.6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。
1.6.1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≈V.f.ap.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切削深度（mm）
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。
但是，在这三个因素中，影响刀具耐用度最大的是切削速度，其次是进给量，影响最小的是切削深度。
所以粗加工切削用量的选择原则是：
首先考虑选择一个尽可能大的吃刀深度ap,其次选择一个较大的进给量度f，最后确定一个合适的切削速度V.
选用较大的ap和f以后，刀具耐用度t显然也会下降，但要比V对t的影响小得多，只要稍微降低一下V便可以使t回升到规定的合理数值，因此，能使V、f、ap的乘积较大，从而保证较高的金属切除率。
此外，增大ap可使走刀次数减少，增大f又有利于断屑。
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，降低加工成本是比较有利的。
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。
1.6.2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要求较高，加工余量要小且均匀。
因此，选择精加工的切削用量时应先考虑如何保证加工质量，并在此基础上尽量提高生产效率。
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。
3）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，而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的几何参数，尽可能提高切削速度。
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，精加工时选用较小的吃刀深度ap和进给量f，并在保证合理刀具耐用度的前提下，选取尽可能高的切削速度V，以保证加工精度和表面质量，同时满足生产率的要求。
1.7确定各工序的加工余量、计算工序尺寸及公差
1.7.1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）
单面加工方法
单面余量
经济精度
工序尺寸
表面粗糙度
毛坯
43
12.5
粗铣
1.5
IT12（
）
40（
）
12.5
精铣
0.6
IT10（
）
38.8（
）
3.2
粗磨
0.3
IT8（
）
38.2（
）
1.6
精磨
0.1
IT7（
）
38（
）
0.8
则连杆两端面总的加工余量为：
A总=
=（A粗铣+A精铣+A粗磨+A精磨）
2
=（1.5+0.6+0.3+0.1）
2
=
mm
（2）、连杆铸造出来的总的厚度为H=44+
=
mm
1.7.2确定工序尺寸及其公差
（根据《机械制造技术基础课程设计指导教程》表2—29表2—34）
1）、大头孔各工序尺寸及其公差（铸造出来的大头孔为
75mm）
工序名称
工序基
本余量
工序经济
精度
工序尺寸
最小极限尺寸
表面粗糙度
珩磨
0.08
75
75
0.4
精镗
0.4
75.4
75.4
0.8
半精镗
1
75
75
1.6
二次粗镗
2
74
74
6.3
一次粗镗
2
72
72
12.5
扩孔
5
70
69
2）、小头孔各工序尺寸及其公差
（根据《机械制造技术基础课程设计指导教程》表2—29表2—30）
工序
名称
工序基本余量
工序经济
精度
工序
尺寸
最小极限尺寸
表面
粗糙度
精镗
0.2
1.6
铰
0.2
6.4
扩
9
12.5
钻
钻至
12.5
1.8工时定额的计算
1.8.1铣连杆大小头平面
选用X52K机床
根据《机械制造工艺设计手册》表2.4—81选取数据
铣刀直径D=100mm切削速度Vf=2.47m/s
切削宽度ae=60mm铣刀齿数Z=6切削深度ap=3mm
则主轴转速n=1000v/
D=475r/min
根据表3.1—31按机床选取n=500/min
则实际切削速度V=
Dn/（1000×60）=2.67m/s
铣削工时为：
按表2.5—10
L=3mmL1=
+1.5=50mmL2=3mm
基本时间tj=L/fmz=（3+50+3）/（500×0.18×6）=0.11min
按表2.5—46辅助时间ta=0.4×0.45=0.18
升级会员 