汽车连杆加工工艺及夹具设计.docx

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汽车连杆加工工艺及夹具设计

汽车连杆加工工艺及夹具设计

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

AUTOMOBILECONNCTINGRODPROCESSINGTECHNOLOGYANDFIXTUREDESIGN

ABSTRACT

Theconnectingrodisoneofthemaindrivingmediumofdieselengine,thistextexpoundsmainlythemachiningtechnologyandthedesignofclampingdeviceoftheconnectingrod.Theprecisionofsize,theprecisionofprofileandtheprecisionofposition,oftheconnectingrodisdemandedhighly,andtherigidityoftheconnectingrodisnotenough,easytodeform,soarrangingthecraftcourse,needtoseparatetheeachmainandsuperficialthickfinishmachiningprocess.Reducethefunctionofprocessingthesurplus,cuttingforceandinternalstressprogressively,revisethedeformationafterprocessing,canreachthespecificationrequirementforthepartfinally.

Keyword:

ConnectingrodDeforminationProcessingtechnologyDesignofclampingdevice

目　录

前　言1

第1章汽车连杆加工工艺2

1.1连杆的结构特点2

1.2连杆的主要技术要求3

1.2.1大、小头孔的尺寸精度、形状精度3

1.2.2大、小头孔轴心线在两个互相垂直方向的平行度3

1.2.3大、小头孔中心距4

1.2.4连杆大头孔两端面对大头孔中心线的垂直度4

1.2.5大、小头孔两端面的技术要求4

1.2.6螺栓孔的技术要求4

1.2.7有关结合面的技术要求4

1.3连杆的材料和毛坯5

1.4连杆的机械加工工艺过程7

1.5连杆的机械加工工艺过程分析10

1.5.1工艺过程的安排10

1.5.2定位基准的选择11

1.5.3确定合理的夹紧方法12

1.5.4连杆两端面的加工13

1.5.5连杆大、小头孔的加工13

1.5.6连杆螺栓孔的加工14

1.5.7连杆体与连杆盖的铣开工序14

1.5.8大头侧面的加工14

1.6连杆加工工艺设计应考虑的问题14

1.6.1　工序安排15

1.6.2　定位基准15

1.6.3　夹具使用15

1.7切削用量的选择原则15

1.7.1粗加工时切削用量的选择原则15

1.7.2精加工时切削用量的选择原则17

1.8确定各工序的加工余量、计算工序尺寸及公差17

1.8.1确定加工余量17

1.8.2确定工序尺寸及其公差18

1.9计算工艺尺寸链19

1.9.1连杆盖的卡瓦槽的计算20

1.9.2连杆体的卡瓦槽的计算21

1.10工时定额的计算22

1.10.1铣连杆大小头平面22

1.10.2粗磨大小头平面22

1.10.3加工小头孔23

1.10.4铣大头两侧面24

1.10.5、扩大头孔24

1.10.6铣开连杆体和盖25

1.10.7加工连杆体26

1.10.8铣、磨连杆盖结合面28

1.10.9铣、钻、镗（连杆总成体）30

1.10.10粗镗大头孔32

1.10.11大头孔两端倒角32

1.10.12精磨大小头两平面（先标记朝上）33

1.10.13半精镗大头孔及精镗小头孔33

1.10.14精镗大头孔33

1.10.15钻小头油孔34

1.10.16小头孔两端倒角34

1.10.17镗小头孔衬套35

1.10.18珩磨大头孔35

1.11连杆的检验35

1.11.1观察外表缺陷及目测表面粗糙度35

1.11.2连杆大头孔圆柱度的检验36

1.11.3连杆体、连杆上盖对大头孔中心线的对称度的检验36

1.11.4连杆大小头孔平行度的检验36

1.11.5连杆螺钉孔与结合面垂直度的检验37

第2章夹具设计38

2.1铣剖分面夹具设计38

2.1.1问题的指出38

2.1.2夹具设计38

1）定位基准的选择38

2）夹紧方案38

3）夹具体设计38

4）切削力及夹紧力的计算39

5）定位误差分析40

2.2扩大头孔夹具40

2.2.1问题的指出40

2.2.2夹具设计41

1）定位基准的选择41

2）夹紧方案41

3）夹具体设计41

4）切削力及夹紧力的计算42

5）定位误差分析43

结　论44

谢辞46

参考文献46

前　言

随着汽车工业制造技术的发展，对于汽车发动机的动力性能及可靠性能的要求越来越高，而连杆的强度、刚度对提高发动机的动力性能及可靠性至关重要，因此，国内外各大汽车公司对发动机连杆的材料及制造技术的研究都非常重视。

“小体积、大功率、低油耗”的高性能发动机对连杆的性能提出更新、更高的要求：

1）作为高速运动件重量要轻，减小惯性力，降低能耗和噪声；

2）强度、刚度要高，并且要有较高的韧性；

3）连杆不要大，要短；

这既意味着对连杆的设计和加工有着高的要求，其一，杆身有足够的刚度，可以预防工作是发生弯曲变形；其二，连杆的大端和连杆盖有足够的的刚度，以防大端变形时连杆螺栓承受附加的弯曲应力和大端失圆，使轴承润滑破坏，同时，还要求连杆具有足够的疲劳强度和冲击韧性。

第1章汽车连杆加工工艺

1.1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。

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（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±0.05mm。

1.2.4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）。

1.2.5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。

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便。

1.2.6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。

1.2.7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。

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。

目前我国有些生产连杆的工厂，采用了连杆辊锻工艺。

图（1-2）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（1-2）连杆辊锻示意图

图（1-3）、图（1-4）给出了连杆的锻造工艺过程，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见图（1-3），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见图（1-4）。

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。

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：

第2章夹具设计

2.1铣剖分面夹具设计

由连杆工作图可知，工件材料为45钢，年产量20万件。

根据设计任务的要求，需设计一套铣剖分面夹具，刀具为硬质合金端铣刀。

2.1.1问题的指出

本夹具主要作来铣剖分面，剖分面与小头孔轴心线有尺寸精度要求，剖分面与螺栓孔有垂直度要求和剖分面的平面度要求。

由于本工序是粗加工，主要应考虑如何提高劳动生产率，降低劳动强度。

2.1.2夹具设计

1）定位基准的选择

由零件图可知，在铣剖分面之前，连杆的两个端面、小头孔及大头孔的两侧都已加工，且表面粗糙要求较高。

为了使定位误差为零，按基准重合原则选Φ29.49H8小头孔与连杆的端面为基准。

连杆上盖以基面（无标记面）、凸台面及侧面定位，连杆体以基面和小头孔及侧面定位，均属于完全定位。

2）夹紧方案

由于零件小，所以采用开口垫圈的螺旋夹紧机构，装卸工件方便、迅速。

3）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。

夹具体图如下：

夹具体为铸造件，安装稳定，刚度好，但制造周期较长。

4）切削力及夹紧力的计算

切削力的计算：

，由《组合机床》（表7-24）得：

P=

=

=1902.538N

夹紧力的计算：

由《机床夹具设计手册》（表1-2-25）得：

用扳手的六角螺母的夹紧力：

M=12mm,P=1.75mm，L=140mm,作用力：

F=70N，夹紧力：

W0=5380N

由于夹紧力大于切削力，即本夹具可安全使用。

定位误差的计算:

由加工工序知，加工面为连杆的剖分面。

剖分面对连接螺栓孔中心线有垂直度要求（垂直度允差0.08）；对连杆体小头孔有中心距190

0.1要求；对剖分面有0.025的平面度要求。

所以本工序的工序基准：

连杆上盖为螺母座面，连杆体为小头孔中心线，其设计计算如下：

1）确定定位销中心与大头孔中心的距离及其公差。

此公差取工件相应尺寸的平均值，公差取相应公差的三分之一（通常取1/5~1/3）。

故此尺寸为190.3

0.010。

2）确定定位销尺寸及公差

本夹具的主要定位元件为一固定销，结构简单，但不便于更换。

该定位销的基本尺寸取工件孔下限尺寸Φ29.49。

公差与本零件在工作时与其相配孔的尺寸与公差相同，即为Φ29.49

。

3）小头孔的确定

考虑到配合间隙对加工要求中心距190

0.1影响很大，应选较紧的配合。

另外小头孔的定位面较短，定位销有锥度导向，不致造成装工件困难。

故确定小头定位孔的孔径为Φ29.49

。

5）定位误差分析

对于连杆体剖分面中心距190

0.1的要求，以Φ29.49

的中心线为定位基准，虽属“基准重合”，无基准不重合误差，但由于定位面与定位间存在间隙，造成的基准位置误差即为定位误差，其值为：

ΔDw=δD+δd+Δmin

结　论

通过对汽车连杆的机械加工工艺及对粗加工大头孔夹具和铣结合面夹具的设计，使我学到了许多有关机械加工的知识,主要归纳为以下两个方面：

第一方面：

连杆件外形较复杂，而刚性较差。

且其技术要求很高，所以适当的选择机械加工中的定位基准,是能否保证连杆技术要求的重要问题之一。

在连杆的实际加工过程中，选用连杆的大小头端面及小头孔作为主要定位基面，同时选用大头孔两侧面作为一般定位基准。

为保证小头孔尺寸精度和形状精度，可采用自为基准的加工原则；保证大小头孔的中心距精度要求，可采用互为基准原则加工。

对于加工主要表面，按照“先基准后一般”的加工原则。

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

谢辞

首先衷心感谢我的指导老师万玉琼，论文的选题、研究的方向和设计

参考文献

[1]陈宏钧,方向明,马素敏等编典型零件机械加工生产实例机械工业出版社2004.8

[2]王季琨,沈中伟,刘锡珍主编机械制造工艺学天津大学出版社2004.1

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[4]李洪主编机械加工工艺手册北京出版社1996.1

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[6]龚定安,蔡建国编著陕西科学技术出版社1981.7

[7]孟少农主编机械加工工艺手册机械工业出版社1991.9

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[9]孙丽嫒主编机械制造工艺及专用夹具冶金工业出版社2003.9

[10]杨叔子主编机械加工工艺师手册机械工业出版社2004.9

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