连杆零件加工工艺及专用钻床夹具的设计方案论.docx

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连杆零件加工工艺及专用钻床夹具的设计方案论

目录

第1章引言1

第2章连杆零件机械加工工艺规程的编制2

2.1连杆的结构特点

2.2计算生产纲领，确定生产类型2

2.3连杆零件的分析3

2.4毛坯的选择及毛坯制造方法3

2.5工艺过程的安排设计4

2.5.1定位基面的选择4

2.5.2连杆零件表面加工方法5

2.5.3制定工艺路线5

2.5.4选择加工设备及工艺装备6

2.5.5连杆的检验

2.5加工工序尺寸及切削用量的计算6

2.6时间定额的计算9

第3章连杆零件的夹具设计11

3.1专用夹具的概述及组成

3.1机床夹具设计的基本要求和一般步骤11

3.1.1对专用夹具的基本要求11

3.1.2专用夹具设计步骤11

3.2连杆零件的钻床夹具设计12

3.2.1对零件工序的加工要求分析12

3.2.2确定夹具类型13

3.3拟订定位方案和选择定位元件13

3.4绘制夹具总装图14

第4章总结16

参考文献17

致谢18

第1章引言

工作对于每一位即将毕业的毕业生来说都是非常重要的，它对我们以后走上工作岗位很有帮助。

对于我们机电专业来说，在以后的工作中经常要做关于夹具的设计工作，在这里，我以连杆零件为例，对它的工艺过程和夹具进行设计。

做毕业设计可以把以前所学的知识加以综合运用，起到巩固学到的知识的作用，从而提高分析，解决问题的能力。

因此，认真的完成毕业设计是很有必要的。

机械制造工艺规程的制定需选择机械加工余量，机械加工余量的大小，不仅影响机械零件的毛坯尺寸，而且也影响工艺装备的尺寸，设备的调整，材料的消耗，切削用量的选择，加工工时的多少。

因此，正确的确定机械加工余量，对于节约金属材料，降低刀具损耗，减少工时，从而降低产品制造成本，保证加工质量具有十分重要的意义。

在这次设计过程中，广泛的收集各种资料及标准，课程设计中另一个重要的设计为专用夹具的设计。

专用夹具的设计是为了特殊加工工序的技术要求的加工。

夹具是机械制造厂使用的一种工艺装备,分为机床夹具、焊接夹具、装配夹具及检验夹具等。

各种金属切削机床上用于装夹工件的工艺装备，称机床夹具，如车床上使用的三爪自定心卡盘、铣床上使用的平口虎钳等。

第二章连杆零件机械加工工艺规程

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

2.1计算生产纲领，确定生产类型

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。

零件生产纲领可按下式计算。

N=Qn<1+a%）<1+b%）

式中a-备品率

b-废品率

n-每件产品中该种零件的数量

Q-产品的计划期内产量

N-零件的计划期内产量

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2-1，为某产品上的一个连杆零件。

该产品年产量为6000台。

设其备品率为30%，机械加工废品率为0.2%，每台产品中该零件的数量为1件，现制定该连杆零件的机械加工工艺规程。

图2-1连杆零件工件

N=Qn<1+a%）<1+b%）

=6000x1x<1+30%）<1+0.2%）

=7815.6件/年

连杆零件的年产量为715.6件，现已知该产品属于轻型机械，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：

零件的互换性：

是指制成同一规格的零件部件，不需进行任何挑选、调整或修配，就能装到机器上取，并符合规定的设计性能要求。

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。

1.毛坯的制造方法和加工余量：

广泛采用金属模机器造型，铸或其他有效方法。

所要求的毛坯精度高，则零件的加工余量小。

2.机床设备及其布置形式：

广泛采用有效专用机床及自动机床，按流水线和自动排列设备。

3.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。

4.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。

2.2零件的分析

<1）加工表面的尺寸精度和形状精度。

<2）主要加工表面之间的相互位置精度。

<3）加工表面的粗糙度及其他方面的表面质量要求。

<4）热处理及其他要求。

连杆零件的图样的视图正确，完整，尺寸，公差及技术要求齐全。

但基准孔Φ14H8mm要求Ra1.6μm比较高，需要绞孔。

本零件的两大小头孔的加工并不困难。

根据零件的技术要求，其大小头孔的两中心的平行度要求比较高，达Φ0.08mm，因此在加工时应设计一夹具来保证两孔中心的平行度要求。

另外就是该零件的油槽加工，分析该小孔是做油孔之用，位置精度不需要太高，只要钻至沟槽之内，即能使油路畅通就行。

再就是铣小头孔上十字形通槽，需要设计一夹具来加工。

2.3选择毛坯及毛坯制造方法

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>根据零件用途确定毛坯类型。

（2>根据批量<生产纲领）确定毛坯制造方法。

（3>根据手册查定表面加工余量及余量公差。

根据技术要求，零件材料为ZG310—570，即铸造碳钢。

如表2-1。

按GB/T5613—1995规定，铸钢牌号用“铸”和“钢”两字汉语拼音首位字母“ZG”后加工两组数字表示。

毛坯的制造方法：

根据毛坯的材料，生产类型，生产纲领及零件的复杂程度，毛坯可采用铸成型。

零件并不复杂，因此毛坯可以与零件的形状尽量接近。

两孔可不必锻出，直接加工。

通过查加工余量表，得两端面的总加工余量为3mm，毛坯尺寸可以通过加工余量确定。

ZG310—570表示бs≥310MPa，бB≥570MPa的铸钢。

铸造碳钢的碳质量分数一般为0.15%—0.6%，其铸造性能比铸造铁差，但力学性能比铸造铁好。

主要用于制造形状复杂，力学性能要求高，而在工艺又很锻压等方法成形的比较重要的机械零件，例如机车车辆的车销和联轴器等。

铸造碳钢的牌号，化学成分，力学性能见表2-1。

表2-1铸造碳钢热处理及机械性能

主要化学成分W%

主要特性

用途举例

CSiMnPS

不大于

0.400.500.900.040.04

有较好强度、塑性、焊接、性能尚好。

轨刚机架模具、箱体、缸体连杆、曲轴等。

正火或退火温度[℃]

回火温度[℃]

870—890

620—680

σb[N/mm²]

σs[N/mm²]

δs[%]

φ[%]

аk[J/cm²]

570

310

15

21

30

选择毛坯铸的主要依据：

铸可锻造形状复杂的毛坯，尺寸精度较高，尺寸偏差0.1mm~0.2mm，表面粗糙度Ra为12.5μm，毛坯的钎维组织好，强度高，生产率较高，但需要专用锻模及锻锤设备。

大批量生产，适于锻造碳素钢，合金钢。

锻件加工表面直线度，平面度公差。

铸件长度为160mm，热处理为调质时，直线度和平面度公差的普通级为1.1mm，精密度为0.7mm。

2.4工艺规程设计

连杆的加工顺序大致如下：

粗铣精磨上下断面——钻、扩、铰小头孔——粗精铣工艺凸台及结合面——两件连杆半圆孔和拼镗大头孔——磨结合面——钻铰定位孔——配钻、攻螺栓孔——合件联结——磨削合见两端面——半精镗大头孔——精镗大小头孔——钻小油孔、倒角——研磨大头孔——压装小头孔衬套——铣小头孔端面——精镗小头孔衬套——拆分合件并配对编号——铣轴瓦定位槽——对号装配——清洗——检验

连杆小头孔压入衬套后常以金刚镗孔作为最后加工。

大头孔常以研磨或冷挤压作为底孔的最后加工。

整个过程体现出“先粗后精”、“先面后孔”、“先基准而后其他面”、“先主要后次要面”的工艺顺序。

2.4.1定位基面的选择

定位基面的选择是拟定零件的机械加工路线，确定加工方案中首先要做的重要工作。

基面选择得正确、合理与否，将直接影响工件的加工质量和生产率。

在选择定位基面时，需要同时考虑以下三个问题：

<1）以哪一个表面作为加工时的精基面或统一基准，才能保证加工精度，使整个机械加工工艺过程顺利地进行。

<2）为加工上述精基面或统一基准，应采用哪一个表面作为粗基面。

<3）是否有个别工序为了特殊的加工要求，需要采用统一基准以外的精基面。

精基面的选择：

根据精基面的选择原则：

<1.基准重合原则2.基准统一原则3.自为基准原则4.互为基准原则5.保证工件定位准确，夹紧安全可靠，操作方便、省力的原则）选择精基面时，首先应考虑基准重合的问题，即在可能的情况下，应尽量选择加工表面的设计基准为定位基准。

2.4.2连杆零件表面加工方法的选择

零件各表面加工方法和方案的选择，首先要保证加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求，还须考虑生产率和经济性方面的要求，在选择时，应根据各种加工方法的特点及其经济加工精度和表面粗糙度，结合零件的特点和技术要求，慎重决定。

本零件的加工面有：

大小头孔两端面，小头孔外圆，大小头孔，十字形槽，大小孔端槽及螺纹孔。

零件各表面加工顺序的确定

①机械加工顺序安排

根据机械加工顺序安排时应遵循的原则，考虑到该工件的具体特点，先安排大小头孔两端面的加工，接着安排钻大小头两孔，再就是铣十字型通槽，再钻大头端Φ6mm、Φ8mm的孔，攻M8的螺纹，铣大头端槽，最后钻大头端Φ5mm的油孔。

②热处理工序的安排

由于毛坯为铸件，在机械加工之前，首先安排正火处理，以消除锻造应力，改善金属组织，细化晶粒，改善切削性能。

③辅助工序的安排。

检验工序：

在热处理工序后安排中间检验工序，最后安排终结检验。

2.4.3制定工艺路线

制定工艺路线主要是确定加工方法和划分加工阶段。

（1>选择加工方法应以零件加工表面的技术条件为依据，主要是加工面的尺寸精度、形状精度、表面粗糙度，并综合考虑各个方面工艺因素的影响。

一般是根据主要表面的技术条件先确定终加工方法，接着再确定一系列准备工序的加工方法，然后再确定其他次要表面的加工方法。

（2>在各表面加工方法选定以后，就需进一步考虑这些加工方法在工艺路线中的大致顺序，以定位基准面的加工为主线，妥善安排热处理工序及其他辅助工序。

（3>排加工路线图表。

当生产批量不同时零件的工艺路线也会有较大的差别，先在列出连杆零件大量生产时的工艺路线。

2.4.4选择加工设备及工艺装备

（1>根据零件加工精度、轮廓尺寸和批量等因素，合理确定机床种类及规格。

（2>根据质量、效率和经济性选择夹具种类和数量。

（3>根据工件材料和切削用量以及生产率的要求，选择刀具，应注意尽量选择标准刀具。

（4>根据批量及加工精度选择量具。

由于生产类型为大批生产，故加工设备宜以通用机床为主，辐以少量专用机床的流水生产线。

工件在各机床上的装卸及各机床间的传送均由人工完成。

连杆的检验：

连杆加工工序多，中间又插入热处理工序，因而需经多次中间检验，最终检查工程和其他零件一样，包括尺寸精度、形状精度和位置精度。

以及表面粗糙度检验，只不过连杆某些要求较高而已。

由于装配的要求，大小头孔要按尺寸分组，连杆的位置精度要在检具上进行。

如：

大小头孔轴心线在两个互相垂直方向上的平行度。

在大小头孔中穿入心轴。

大头的心轴放在等高的垫铁上，使大头心轴与平板平行。

将连杆至于直立位置时，在小头心轴上距离为100mm处测量高度的读书差，既为大小头孔在连杆轴心线方向的平行度误差值：

工件置于水平位置是，同样方法测得出来的读书差，即为大小头孔在垂直连杆轴心线方向的平行度误差值，连杆还要进行探伤检查其内在质量。

2.5加工工序设计、工序尺寸及切削用量的计算

<1）用查表法确定工序余量。

<2）当无基准转换时，工序尺寸及其公差的确定应首先明确工序的加工精度。

<3）当有基准转换时的工序尺寸及其公差应由解算工艺尺寸链获得。

<4）确定工序尺寸一般的方法是，由加工表面的最后工序往前推算，最后工序的工序尺寸按零件图样的要求标注。

当无基准转换时，同一表面多次加工的工序尺寸只与工序<或工步）的加工余量有关。

有基准转换时，工序尺寸应用工艺尺寸链解算。

单件小批生产时，一般可由操作工人自定，大批生产条件下，工艺规程必须给定切削用量的详细数值，选择的原则是确保质量的前提下具有较高的生产率和经济性，具有选用可参考各类工艺人员手册。

⑴工序10粗铣及半精铣大小头孔两端面

查有关手册平面加工余量表，得半精加工余量Z为1mm，已知端面总余量Z总为3mm，故粗加工余量Z粗=<3-1）mm=2mm。

如表2-2所示，半精铣右端面以左端面定位，工序尺寸为：

表2-2钻、扩、大头端Φ30H11mm的孔的加工余量表

加工表面

加工方法

余量

公差等级

工序尺寸

Φ30H11

钻孔

14.1

—

Φ28.2

Φ30H11

扩孔

0.9<单边）

H11

Φ30+0.13

参考Z25140机床技术参数表，

取钻孔Φ30H11mm的进给量取f=0.4mm/r。

参考有关资料，得钻孔Φ28.2mm的切削速度Vc=0.445m/s=126.7m/min。

由此可算出转速为：

n=1000v/Πd=1000*26.7/3.14*28.2r/min=301.5r/min

按机床实际转速取n=300r/min，则实际切削速度为：

Vc=∏dn/1000=3.14*28.2*300/1000=26.56m/min

查有关资料得：

Ff=9.81*42.7dof0.8KF

M=9.81*0.021dof0.8KM

所以Φ30的Ff和M如下：

Ff=9.81*42.7*28.2*0.40.8*1N=5675.4N

M=9.81*0.021*28.2²*0.40.8*1N·M=78.71N·M

扩Φ30H11mm的孔，参考机床实际进给量取f=0.4mm/r。

参考有关资料

扩孔切削速度为钻孔时的1/2—1/3，故取扩孔时=1/2*26.56m/min=13.28m/min。

由此可算出转速为：

n=1000v/Πd=1000*13.28/3.14*30r/min=140.98r/min

按机床实际转速取n=400r/min。

⑷确定铣槽时的工序尺寸。

粗铣就可达到零件图样的要求，则该工序尺寸：

槽宽4mm、8mm、深12mm。

其工序余量既等于总余量12mm。

⑸钻大头端Φ12mm深20的孔及攻M8的螺纹：

本工序用钻孔就可以达到零件的图样要求。

本工序的切削用量及其余次要工序设计略。

图2-3半精铣右端面以左端面定位

X小精=61-0.5mm,

X大精=23mm

则粗铣右端面工序尺寸

X小精为62mm,X大精为24mm。

查教材表3－16平面加工方法，得粗铣加工公差等级为IT11~13，取IT11，其公差T小精=0.13mm，T大精=0.19mm，所以X小精=<62±0.065）mm,X大精=<24±0.095）mm，如表2-3。

Z小精=X小精min−X小精max=[<62−0.13）−（61+0>]mm=0.87mm

Z大精=X大精min−X大精max=[<24−0.19）−23]mm=0.81mm

故余量足够。

查阅有关资料手册，取粗铣的每齿进给量fz=0.2mm/z。

半精铣的每转进给量f=0.05mm/z,粗铣走刀1次，ap=2mm。

半精铣走刀1次，ap=1mm。

取粗铣的主轴转速为150r/min，取半精铣的主轴转速为300r/min，又前面已选定铣刀直径D为Φ50mm，故相应的切削速度分别为：

粗加工Vc=πDn粗/1000=3.14*50*150/1000m/min=23.55m/min

半精工Vc=πDn粗/1000=3.14*50*300/1000m/min=47.1m/min

表2-3加工端面的工步余量和工序尺寸及公差

加工表面

工序边余量/mm

工序尺寸及公差/mm

表面粗糙度/um

小头孔右端面

21

62±0.065　61±0.037

6.33.2

大头孔右端面

21

24±0.09523±0.026

6.33.2

小头孔左端面

21

59±0.06558-0.5

6.33.2

大头孔左端面

21

21±0.09520±0.026

6.33.2

⑵工序20：

钻、扩、铰Φ10的孔到Φ14H8

Φ14H8的孔钻、扩、铰余量参考有关资料手册Z扩=0.9mm，Z铰=0.1mm，由此可推算出Z钻=<14/2-0.9-0.1）=6mm。

参考Z25140机床技术参数表，取钻孔Φ14H8的进给量f=0.3mm/r，参考有关资料得钻孔Φ12的v=0.435m/s=26.1m/min。

由此算出转速为：

n=1000v/Πd=1000*26.1/3.14*12r/min=692.68r/min

按机床实际转速取n=630r/min，则实际切削速度为：

Vc=∏dn/1000=3.14*12*630/1000m/min=23.74m/min

扩孔Φ13.8mm，参考有关资料，并参考机床实际进给量，取f=0.3mm/r，

参考有关资料，扩孔切削速度为钻孔是的1/2-1/3，故取扩孔时=1/2*23.74m/min=11.87m/min。

由此算出转速为：

n=1000v/Πd=1000*11.87/3.14*13.8r/min=273.93r/min。

按机床实际转速取n=300r/min。

参考有关资料，取铰孔的切削速度为Vc=0.3m/s=18m/min。

由此算出转速为：

n=1000v/Πd=1000*18/3.14*14r/min=409.46r/min。

按机床实际转速取为n=400r/min。

则实际切削速度为：

Vc=∏dn/1000=3.14*14*400/1000m/min=17.58m/min。

工序30：

钻、扩大头端Φ30H11mm的孔。

Φ30H11mm的孔，扩余量参考有关手册取Z扩=0.9mm。

由此可算出Z钻=<30/2-0.9）=14.1mm。

2.6时间定额计算

1.计算工序20的时间定额

（1）机动时间。

参考有关资料，得钻孔的计算公式为：

Tj=

L1=D/2cotkr+<1~2）

L2=1~4，钻盲孔时l2=0。

对钻Φ12mm的孔有：

L1=D/2cotkr+<1~2）=[12/2cot<118°/2）+1.5]mm≈5.1mm

L=40mm，取l2=0mm。

参考有关资料，得扩孔的计算公式为：

Tj=

L1=

扩盲孔和铰盲控时l2=0。

对扩孔Φ13.8mm有：

L1=

L=40mm，取l2=0mm。

将以上数据及前面已选定的f及n代入公式得：

Tj=<40+2+0）/0.3*300min≈0.47min

对铰孔Φ14mm有：

L1=

将以上数据及前面已选定的f及n代入公式得：

Tj=<40+1.6+0）/0.3*400min≈0.35min

（2）总机动时间Tj<既基本时间tb）为：

Tb=<0.24+0.47+0.35）=1.06min。

2.计算工序30的时间定额

<1）机动时间。

参考有关资料得钻孔的计算公式为：

Tj=

L1=D/2cotkr+<1~2）

L2=1~4，钻盲孔时l2=0。

对钻Φ28.2mm的孔有：

L1=D/2cotkr+<1~2）=[28.2/2cot<118°/2）+1.5]mm≈9.96mm

L=21.5mm，取l2=3mm。

将以上数据及前面已选定的f及n代入公式得：

Tj=<21.5+9.96+3）/0.4*300min≈0.29min

参考有关资料，得扩孔的计算公式为：

Tj=

L1=

扩盲孔时l2=0。

对扩孔Φ30mm有：

L1=

L=21.5mm，取l2=3mm。

将以上数据及前面已选定的f及n代入公式得：

Tj=<21.5+2+3）