发动机连杆夹具与数控设计.docx
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发动机连杆夹具与数控设计
毕业设计（论文）
发动机连杆夹具与数控设计
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摘要
本文是对连杆零件加工应用及加工的工艺性分析，主要包括对零件图的分析、毛坯的选择、零件的装夹、工艺路线的制订、刀具的选择、切削用量的确定、加工工艺文件的填写。
选择正确的加工方法，设计合理的加工工艺过程。
此外还对连杆零件的两道工序的加工设计了专用夹具.
机床夹具的种类很多，其中，使用范围最广的通用夹具，规格尺寸多已标准化，并且有专业的工厂进行生产。
而广泛用于批量生产，专为某工件加工工序服务的专用夹具，则需要各制造厂根据工件加工工艺自行设计制造。
本论文夹具设计的主要内容是设计加工孔夹具。
关键词：
连杆，加工工艺，加工方法，工艺文件，夹具
Abstract
ThispaperistheanalysisoftechnologyofautomobileKVconnectingpartsprocessingapplicationandprocessing,mainlyincludingthepartsdiagramanalysis,thechoiceofblank,partsoftheclamping,thecraftrouteformulation,toolselection,thedeterminationofcuttingconditions,processdocuments.Choosethecorrectmethodsforprocessing,processingprocessdesignreasonable.Inaddition,processingoftwoprocessesofautomobileKVconnectingrodpartsofthedesignofthefixture.
Manytypesofmachinetoolfixture,wherein,universalfixtureusedthemostwidely,sizehasbeenstandardized,andprofessionalfactoryproduction.Butwidelyusesinthevolumeproduction,speciallyforaspecialfixtureworkpiecemachiningprocessservice,thenneedsvariousmanufacturingplantaccordingtotheworkpieceprocessingtechnologytodesignandmanufacture.ThemaincontentofthispaperisthedesignoffixturedesignprocessingKongJiaju.
KeyWords:
Connectingrod,processingtechnology,processingmethod,processdocuments,fixture
第1章绪论
1.1机械加工工艺概述
机械加工工艺就是在流程的基础上，改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品，是每个步骤，每个流程的详细说明，比如，上面说的，粗加工可能包括毛坯制造，打磨等等，精加工可能分为车，钳工，铣床，等等，每个步骤就要有详细的数据了，比如粗糙度要达到多少，公差要达到多少。
技术人员根据产品数量、设备条件和工人素质等情况，确定采用的工艺过程，并将有关内容写成工艺文件，这种文件就称工艺规程。
这个就比较有针对性了。
每个厂都可能不太一样，因为实际情况都不一样。
总的来说，工艺流程是纲领，加工工艺是每个步骤的详细参数，工艺规程是某个厂根据实际情况编写的特定的加工工艺。
1.2机械加工工艺流程
制订工艺规程的步骤
1）计算年生产纲领，确定生产类型。
2）分析零件图及产品装配图，对零件进行工艺分析。
3）选择毛坯。
4）拟订工艺路线。
5）确定各工序的加工余量，计算工序尺寸及公差。
6）确定各工序所用的设备及刀具、夹具、量具和辅助工具。
7）确定切削用量及工时定额。
8）确定各主要工序的技术要求及检验方法。
9）填写工艺文件。
在制订工艺规程的过程中，往往要对前面已初步确定的内容进行调整，以提高经济效益。
在执行工艺规程过程中，可能会出现前所未料的情况，如生产条件的变化，新技术、新工艺的引进，新材料、先进设备的应用等，都要求及时对工艺规程进行修订和完善。
1.3夹具概述
夹具是一种装夹工件的工艺装备，它广泛地应用于机械制造过程的切削加工、热处理、装配、焊接和检测等工艺过程中。
工具是人类文明进步的标志。
自20世纪末期以来，现代制造技术与机械制造工艺自动化都有了长足的发展。
但工具（含夹具、刀具、量具与辅具等）在不断的革新中，其功能仍然十分显著。
机床夹具对零件加工的质量、生产率和产品成本都有着直接的影响。
因此，无论在传统制造还是现代制造系统中，夹具都是重要的工艺装备。
1.4机床夹具的功能
在机床上用夹具装夹工件时，其主要功能是使工件定位和夹紧。
1．机床夹具的主要功能
机床夹具的主要功能是装工件，使工件在夹具中定位和夹紧。
（1）定位确定工件在夹具中占有正确位置的过程。
定位是通过工件定位基准面与夹具定位元件面接触或配合实现的。
正确的定位可以保证工件加工的尺寸和位置精度要求。
（2）夹紧工件定位后将其固定，使其在加工过程中保持定位位置不变的操作。
由于工件在加工时，受到各种力的作用，若不将工件固定，则工件会松动、脱落。
因此，夹紧为工件提供了安全、可靠的加工条件。
2．机床夹具的特殊功能
机床夹具的特殊功能主要是对刀和导向。
（1）对刀调整刀具切削刃相对工件或夹具的正确位置。
如铣床夹具中的对刀块，它能迅速地确定铣刀相对于夹具的正确位置。
（2）导向如钻床夹具中的钻模板的钻套，能迅速地确定钻头的位置，并引导其进行钻削。
导向元件制成模板形式，故钻床夹具常称为钻模。
镗床夹具（镗模）也具有导向功能。
1.5机床夹具的发展趋势
随着科学技术的巨大进步及社会生产力的迅速提高，夹具已从一种辅助工具发展成为门类齐全的工艺装备。
1.5.1机床夹具的现状
国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多品种生产的工作品种已占工件种类总数的85%左右。
现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场激烈的竞争。
然而，一般企业仍习惯于大量采用传统的专用夹具。
另一方面，在多品种生产的企业中，约4年就要更新91%左右的专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为15%左右。
特别是近年来，数控机床（NC）、加工中心（MC）、成组技术（GT）、柔性制造系统（FMS）等新技术的应用，对机床夹具提出了如下新的要求：
1）能迅速而方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本。
2）能装夹一组具有相似性特征的工件。
3）适用于精密加工的高精度机床夹具。
4）适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具。
5）采用液压或气压夹紧的高效夹紧装置，以进一步提高劳动生产率。
6）提高机床夹具的标准化程度。
1.5.2现代机床夹具的发展方向
现代机床夹具的发展方向主要表现为精密化、高效化、柔性化、标准化四个方面。
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卡盘，其定心精度为5μm；精密心轴的同轴度公差可控制在1μm内；又如用于轴承套圈磨削的电磁无心夹具，工件的圆度公差可达0.2～0.5μm。
高效化
高效化夹具主要用来减少工件加工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。
常见的高效化夹具有：
自动化夹具、高速化夹具、具有夹紧动力装置的夹具等。
例如，在铣床上使用电动虎钳装夹工件，效率可提高5倍左右；在车床上使用的高速三爪自定心卡盘，可保证卡爪在（试验）转速为2600r/min的条件下仍能牢固地夹紧工件，从而使切削速度大幅度提高。
柔性化
机床夹具的柔性化与机床的柔性化相似，它是指机床夹具通过调整、拼装、组合等方式，以适应可变因素的能力。
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种类主要有：
组合夹具、通用可调夹具、成组夹具、拼装夹具、数控机床夹具等。
在较长时间内，夹具的柔性化将是夹具发展的主要方向。
标准化
机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。
在制订典型夹具结构的基础上，首先进行夹具元件和部件的通用化，建立类型尺寸系列或变型，以减少功能用途相近的夹具元件和部件的型式，屏除一些功能低劣的结构。
通用化方法包括夹具、部件、元件、毛坏和材料的通用化。
夹具的标准化阶段是通用化的深入，主要是确立夹具零件或部件的尺寸系列，为夹具工作图的审查创造良好的条件。
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。
采用二维CAD软件进行设计，它使我们甩掉了图板，解决r使用绘图板带来的诸多弊端。
现在，大量三维实体造型软件崛起，如PR0／E、UG、3D、SoIidedge等，推动了设计领域的新革命．由于这些三维软件．不仅仅可创建三维实体模型，还可利用设计出三维模型进行模拟装配和静态干涉检查、机构分析、动态干涉检查、动力学分析、强度分析等，并且与其它软件配合可进行零件的数控加工演示和数控代码的生成。
这些功能是以往的二维CAD无法比拟的。
结合夹具设计的复杂性、高精度性等特点．采用了易学易懂的3D三维实体造型软件来实现设计过程。
第2章连杆分析
2.1连杆零件的作用
连杆由连杆大头、杆身和连杆小头三部分组成，连杆大头是分开的，一半与杆身为一体，一半为连杆盖，连杆盖用螺栓和螺母与曲轴主轴颈装配在一起。
连杆是较细长的变截面非圆形杆件，其杆身截面从大头到小头逐步变小，以适应在工作中承受的急剧变化的动载荷。
其形状也比较复杂，很多表面并不容易加工，不管是在其工作过程之中还是在加工过程中也很容易产生变形。
连杆是将活塞上下的直线运动转化为曲轴的旋转运动的重要部件，所以要求要求有较高的强度、韧性和疲劳性能之外，对发动机连杆还有较高的位置精度和尺寸形状精度要求以及表面质量要求。
基本要求如：
连杆杆身不垂直度≤0.5，小头、大头两端面对称面与杆身相应对称面之间的偏移≤0.6，杆身横向对称面对大小头孔中心偏移≤1.
首先必须保证大头中心孔中心线和小头孔中心线之间的平行度，这样才能保证连杆在工作过程中平稳不刮曲轴和轴瓦；第二个就是保证两个端面的平行度，以及两端面中心线与两孔中心线之间的垂直度，用于保证工作中不会刮伤曲轴平衡块，可以减少噪声，保持平稳；第三个要保证的是连杆体和盖的分和面之间的配合和吻合，以保证大头孔的圆柱度，以免刮伤轴瓦；第四要确保大小头孔中心线之间的距离，如果其得不到保证，将保证不了发动机在工作时的气体压缩比等。
2.2零件的工艺分析
由零件图可知。
可将其分为三组加工表面。
它们相互间有一定的位置要求。
现分析如下：
首先连杆的加工表面如下：
（1）以端面互为基准加工的两端面，尺寸为，以其中一加工端面为基准的小头孔Φ45，大头孔Φ91。
（2）以小头孔为中心的加工有：
铣连杆体卡挖槽，加工侧面工艺凸台。
（3）以大头孔为中心的加工表面有：
加工连杆盖卡挖槽，加工螺栓孔，和连杆盖上螺钉光孔。
连杆精度的参数主要有五个：
1.连杆大端中心面和小端中心面相对于连杆身中心面的对称；2.连杆大小头空中心距尺寸精度；3.连杆大小头孔平行度；4.连杆大小头孔的尺寸精度、形状精度；5.连杆大头螺栓孔与接合面的垂直度。
其余技术参数如下表：
表2.1
技术要求项目
具体要求或数值
满足的主要性能
大、小头孔的椭圆度，锥度
椭圆度≤0.012
锥度≤0.014
保证与衬套、轴瓦的良好配合
两孔中心距
±0.03～0.05
气缸气体的压缩比
两孔轴线在同一个平面内
在连杆轴线平面内：
≤0.03
在垂直连杆轴线平面内：
≤0.06
减少气缸壁和曲轴颈磨损
大孔两端面对轴线的垂直度
≤0.015
减少曲轴颈边缘磨损
两螺孔中心线（定位孔）的位置精度
在两个在45°方向上的平行度：
0.02~0.04
对结合面的垂直度≤0.015
保证正常承载和轴颈与轴瓦的良好配合
同一组内的重量差
±30g
保证运转平稳
第3章 机械加工工艺规程设计
3.1生产纲领的确定
生产纲领的大小对生产组织和零件加工工艺过程起着重要的作用，它决定了各工序所需专业化和自动化的程度，以及所选用的工艺方法和工艺装备。
零件生产纲领计算:
N=Qn（1+α%）（1+β%）
式中N──零件的年生产纲领（件/年）;
Q──产品的年产量（台/年）;
n──每台产品中,该零件的数量（件/台）;
α%──备品率;
β%──废品率。
根据教材中生产纲领与生产类型及产品大小和复杂程度的关系，确定其生产类型。
图3.1为某产品上的一个连杆零件。
该连杆用于6105柴油机，年产量为5000台。
设其备品率为10%，机械加工废品率选择为0.5%，每台产品中该零件的数量为1件
N=Qn（1+α%）（1+β%）
=5000×1（1+10%）（1+0.5%）
=5527件/年
假设连杆零件的年产量为5000件，现已知该产品属于中型机械，根据生产类型与生产纲领的关系查阅参考文献，确定其生产类型为大量生产。
大量生产的工艺特征：
（1）零件的互换性：
具有广泛的互换性，少数装配精度较高处，采用分组装配法和调整法。
（2）毛坯的制造方法和加工余：
广泛采用金属模机器造型，一般采用模锻。
毛坯精度高，加工余量小。
（3）机床设备及其布置形式：
广泛采用专用机床及自动机床，按流水线和自动排列设备。
（4）工艺装备：
广泛采用高效夹具，复合刀具，专用量具或自动检验装置，靠调整法达到精度要求。
（5）对工人的技术要求：
对调整工的技术水平要求高，对操作工的技术水平要求较低。
（6）工艺文件：
有工艺过程卡或工序卡，关键工序要调整卡和检验卡。
（7）成本：
较低。
（8）生产率：
高。
（9）工人劳动条件：
较好。
3.2连杆的材料选择与毛坯的制造方法
3.2.1连杆的材料选择
考虑到在该工艺方案中采用铣结合面工艺，那么选择材料也是很重要的。
在过去其发动机连杆多采用中碳钢或者中碳合金钢，经过淬火和高温回火处理，处理后一般硬度在HBS288～HBS269之间.后来为了减低成本研发了非调质钢并用与生产，在锻造后空冷，通过析出强化得到与淬火高温回火一样的力学性能，省去了淬火和高温回火，从而降低了成本。
后来为了减少机加工，更进一步降低成本，于是开发了用粉末冶金的方法来制造连杆，大大减少了机加工。
而且粉末冶金连杆的质量公差小，更适合用于发动机连杆是的制造。
美国就广泛的运用粉末冶金的方法来生产连杆。
实际上它是一种含0.7%左右的高碳钢。
连杆的主要材料为粉末烧结材料、高碳微合金非调质钢、球墨锻铁以及可锻锻铁，其中45和粉末烧结材料应用最广。
与粉末冶金连杆相比，45钢在成本和使用性能上都具有一定优越性，首先锻造后空冷不需要热处理；装配后连杆体与连杆盖的裂解面能紧密地接触并相互锁定，使其不产生错位和移动，提高了与曲轴零件的配合，同时也提高了曲轴的刚度，大大地改善了发动机的性能。
减轻连杆的重量一直都是连杆制造上讨论的一个主题，如果采用粉末冶金技术，在不改变连杆形状结构的前提之下会导致连杆的重量增加15%～30%，这样使得连杆得重量有了很大的增加，那么发动机的重量也会在一定程度的增加，会影响其使用性能。
如果用粉末冶金制造连杆，就必须重新设计连杆的形状结构，以减轻连杆的重量。
综上所述，考虑了各种因素，并经过组内成员的共同讨论，最后决定采用45钢作为本次设计中连杆的材料。
3.2.245钢的成分和力学性能
45材料中主要各化学成分质量百分比分别为：
C为0.72%，Mn为0.5%，S为0.06%，P为0.009%，V为0.04%；其金相组织为珠光体加断续的铁素体，抗拉强度为：
900MPa～1050MPa，屈服极限为520MPa，最大延伸率为10%。
其中Mn作为强化项而存在，用以提高材料的强度。
铣结合面工艺要求连杆切断后的塑性变形最小，又要保证材料有良好的可切削加工性能。
45为高碳钢，含C量提高后，便增加了钢材的淬透性能，假如保持含Mn量不变，连杆锻造空冷后硬度会提高，而且金相组织中可能会出现贝氏体，恶化可切削加工性能，须通过适当途径降低含Mn量。
为了改善可切削加工性，提高了含S量，钢中的Mn和S的亲和力大于Fe和S的亲和力，优先形成MnS，从而降低钢的塑性，防止金相组织中可能会出现的贝氏体；另外FeS会引起钢的“热脆”，促进了铣削时的断裂。
Mn和S结合时含Mn量又不能过低，至少要高于S三倍的含量。
3.2.3毛坯的制造方法
由于连杆在发动机工作中要承受交变载荷以及冲击性载荷，一次应选用锻造，以使金属纤维尽量不被切断，保证连杆可靠地工作。
而且该零件的年产量是5000，已经达到了大量生产的水平，要求其生产率比较高，零件尺寸不是很大，再者为了保证它的尺寸精度、加工精度，故选择模锻。
胀断工艺要求连杆锻件在胀断过程之中不能有过大的塑性变形，因此模锻连杆性能的合格就是保证连杆达到理想的脆性断裂的因素。
用于胀断工艺的45系列高碳非调质钢，它的成分特点是低硅，低锰及添加了微量合金元素钒和易切削的S元素，范围窄，纯度高。
胀断连杆工艺现有的模锻工艺主要有以下三种：
（1）辊锻（楔横轧）制坯——热模锻生产线
工艺：
下料→加热→辊锻→成型（预锻，终锻）→切边冲孔→热校正→BY处理→喷丸处理→探伤处理→精压处理。
设备配置：
下料机（带锯机）→中频感应加热炉（300KW）→辊锻机（Φ460型）→热模锻压力机（25000KN）→闭式单点压力机→BY控冷设备→喷丸机→探伤机→精压机
该生产线比较先进，以载货车连杆为主导产品，其采用了中频感应加热，辊锻或楔模轧制坯，在国内被广泛采用。
这种生产线便于实现自动化生产，具有噪声小，劳动环境好等优点。
可生产各种类型的发动机连杆。
（2）辊锻（楔横轧）制坯——锤上模锻生产线
工艺：
下料→加热→辊锻→成型（预锻，终锻）→切边冲孔→热校正→BY处理→喷丸处理→探伤处理→精压处理。
设备配置：
下料机（带锯机或棒料剪切机床）→中频感应加热炉（300KW）→辊锻机（Φ370型）→液压精锻锤（25～50KJ）→开式压力机（1000KN）→BY控冷设备→抛丸机（600～1200kg/h）→荧光探伤机600WE型）→电动螺旋压力机（450KW）
该生产线主要柴油机连杆为主，锻件厚度公差基本在±0.2mm以内，错差在0.4mm以内，切边模具没有氮气缸，可使模锻件定位后再切边，切边变性很小，精压尺寸精度可以控制在±0.1mm以内
（3）辊锻制坯——摩擦压力机模锻（高能螺旋压力机）生产线
工艺：
下料→加热→辊锻→预锻→终锻→切边冲压→热校正→BY处理→抛丸处理→探伤处理→精压处理。
设备配置：
下料机（带锯机）→中频感应加热炉（250W）→辊锻机（Φ460型）→摩擦压力机（630t）→摩擦压力机（1000t）→闭式单点压力机（250t）→摩擦压力机。
该生产线以柴油机连杆为主，在摩擦压力机上进行预锻、终锻、热校正，其工艺过程较为稳定，生产效率也比较高，适合中小型企业。
3.3机械加工余量，工序尺寸及毛坯尺寸确定
根据模锻的基本要求，在零件的基本尺寸上加上加工余量2～4mm，所以在加工多数表面在基本尺寸的基础上单面加2mm，一些特殊表面如螺钉座面上加2mm，侧面工艺凸台加工精度不是很高，在其表面加1mm。
（如图3.2，详细尺寸请查阅柴油机连杆毛坯图图纸）
3.4指定工序定位基准的选择
定位基准有粗基准和精基准之分。
在加工起始工序中，只能用毛坯尚未曾加工过的表面作为定位基准，则该表面称为粗基准；利用已加工表面作为定位基准，则称为精基准。
其基准的选择也是工艺规程设计之中的重要问题之一，定位基准的选择合理与否，将直接影响所制订的零件加工工艺规程的质量。
基准选择不当，往往会增加工序，或使工艺路线不合理，或使夹具设计困难，甚至达不到零件的加工精度（特别是位置精度）要求，造成零件报废等情况。
选择粗基准时主要考虑两个问题：
一是保证加工表面与非加工表面之间的相互位置精度要求；二是合理分配各加工面的加工余量。
粗、精基准具体选择时参考下列原则：
（1）对于同时具有加工表面和不加工表面的零件，为了保证不加工表面与加工表面之间的位置精度，应选择非加工表面作为粗基准。
（2）对于具有较多加工表面的工件，选择粗基准时，应考虑合理分配各加工表面的加工余量。
（3）粗基准应避免重复使用。
在同一尺寸方向上，粗基准通常只能使用一次，以免产生较大的定位误差。
精基准的选择应从保证零件加工精度出发，同时考虑装夹方便、夹具结构简单。
选择精基准一般应考虑如下原则：
（1）“基准重合”原则为了较容易地获得加工表面对其设计基准的相对位置精度要求，应选择加工表面的设计基准为其定位基准。
这一原则称为基准重合原则。
如果加工表面的设计基准与定位基准不重合，则会增大定位误差。
（2）“基准统一”原则当工件以某一组精基准定位可以比较方便地加工其它表面时，应尽可能在多数工序中采用此组精基准定位，这就是“基准统一”原则。
采用“基准统一”原则可减少工装设计制造的费用，提高生产率，并可避免因基准转换所造成的误差。
（3）“自为基准”原则当工件精加工或光整加工工序要求余量尽可能小而均匀时，应选择加工表面本身作为定位基准，这就是“自为基准”原则。
例如磨削床身导轨面时，就以床身导轨面作为定位基准。
（4）“互为基准”原则为了获得均匀的加工余量或较高的位置精度，可采用互为基准反复加工的原则。
（5）精基准选择应保证工件定位准确、夹紧可靠、操作方便。
3.5加工工艺阶段的划分和加工顺序的安排
粗加工阶段：
粗磨连杆两端面，粗、半精镗大小头孔，磨搭子面工艺凸台，枪钻螺纹底孔，铰螺钉光孔，攻丝；锪螺钉座面、倒角，激光开槽、作标记，胀断，铣卡瓦槽，压衬套，钻油孔。
首先要加工其他表面就必须先加工出精基准，端面的加工必须安排所以必须安排在第一，接着再在以端面为基准的基础之上加工其他面或者其他精基准，那么接下来要安排的就是粗镗大小头孔，粗磨搭子面，这样精基准就基本出来了。
那么在精加工之前必须把所有的粗加工都做完，紧接着的粗加工工序都在这样的一些基准上进行加工了。
精加工阶段：
精磨两端面，精镗大小头孔，珩磨大头孔，小头铣落差。
在连杆的加工过程之中，其辅助工艺（去毛刺，倒角，清洗等）必须贯穿整个工艺过程，所以说必须在其中安排辅助工序。
在连杆胀断之前安排一道磁力探伤，在锪螺钉座面、倒角之后安排了去毛刺、清洗，胀断之后要立即用螺钉套住连杆体与盖，以免错位，连杆总装时时必须要求清理连杆结合面之间的尘屑，最后还要来一道清洗。
3.6连杆加工工艺过程的拟定
经组内成员共同探讨和评比（其他方案
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