连杆的机械加工工艺及工装设计

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本科生毕业论文（设计）

题目：连杆的机械加工工艺及工装设计

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层次：专科起点本科

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年级：年春/秋季

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完成日期：年月日

内容摘要

在机械制造批量生产中根据加工零件的工艺要求，就需要使用不同的加工方式。本文所要讲的连杆，其在柴油机的传动系统中颇为重要，由于连杆在柴油机中所占的重要地位，其加工的要求也较为精细，就例如在连杆加工中的形状精度以及尺寸精度的要求就很高。连杆在加工过程中，由于其自身的刚度条件较差，故而就可能在加工中产生变形，使零件作废，所以就需要在连杆的加工中将表面的粗加工及精加工分步而行，减小零件变形的可能性。零件加工技术要求的达成不仅仅需要在零件的加工中避免边形，还需要在加工中逐步的去达成加工要求，从而制造出精细标准的连杆零件。

连杆作为汽车发动机中的主要零件，其在柴油机中的作用就是将作用于柴油机活塞头部的力传递给柴油机的曲轴，再通过曲轴所作用的力带动活塞挤压活塞腔内的柴油气，从而不断的重复运动，带来源源不断的动力。而发动机所带来的动力是人们所不可缺少的，所以说，连杆零件在机械制造行业中占有十分重要的地位。

关键词：连杆；加工工艺；工装设计

目录

内容摘要........................................................................................................ I 引言 (1)

1 绪论 (2)

2 工艺规程设计 (3)

2.1年生产量和批量的确定 (3)

2.2零件分析 (3)

2.3 定位基准的分析与选择 (4)

2.3.1 基准的概念 (4)

2.3.2 基准选择原则 (4)

2.3.3 定位基准的选择 (4)

2.4 工艺路线的制定 (4)

2.5 工艺卡的填写 ............................................................... 错误！未定义书签。

3 夹具设计 (6)

3.1 定位基准的选择 (7)

3.2定位元件选择 (7)

3.3 夹紧元件的选择 (8)

3.4夹紧力的计算 (8)

结语 (10)

参考文献 (11)

引言

连杆的组成有连杆体、连杆盖、螺栓以及螺母等零件，作为柴油机的重要零件之一，其形状参数以及尺寸参数都对柴油机的重量及形状尺寸结构等存在着很大的影响。故而，在连杆设计定型后的加工中需要去选择适合的加工工艺及工装设计，从而保证连杆零件的生产质量及效果。连杆在诸多发达国家的生产质量都很高，相对于国内的诸多产品来说非常的领先，除了设备问题及设计问题外大都是由于加工工艺及工装设计间的差距所造成的。本课题就通过对连杆这个零件的研究与了解，对其工艺规程进行了设计，并对夹具也进行了配套设计，从而使得所制造的连杆质量能够更上一层楼。

1 绪论

本次设计主要研究的是连杆工艺以及钻孔夹具。在组合机床的设计中，夹具的设计是其中最为主要的一个部分，而夹具的设计是否合理，是被加工零件精度参数的最直接影响因素。此次设计中，主要针对以往手夹具动夹紧时的夹紧力不同、精度系数低、劳动强度大、误差大等不足进行改进，设计了气动夹紧的夹具，整体思路就是以加工端面作为工件的定位基准，以夹具的大断面孔和凸台作为定位面，以空气作为运行的动力源，具有环保、清洁、干净等优点。

具体设计思路:第一先确定已加工端面的定位方法，然后通过夹具的内孔、凸台，使用设计的气动夹具夹紧，这样可以使六个连杆的活动全部受到限制，从而夹紧零件，然后就可以确定零件的夹紧方法。

2 工艺规程设计

2.1年生产量和批量的确定

1）已知生产纲领：2000件/年，

年生产量=生产纲领?每台件数?（1+1%储备量）?（1+1%废品率）＝2000?1（单缸柴油机）?1.01?1.01

=2040件

月产量=年产量/12=170件

日产量=月产量/25.5=6.667 =7件

2）生产类型的确定：

查工艺人员手册，年产量2000件的属于中批生产。

3）批量的确定及生产间隔期

在一个零件总的加工时间及最长工序时间确定的情况下，批量和生产间隔期相互制约，批量越大，生产间隔期越长，生产率高，但资金周转慢，批量越小，生产间隔期短，资金周转快，但生产率低，所以要同时兼顾二者。

批量的确定：

除了要考虑生产间隔期外，还要考虑车间毛坯仓库的面积，如批量大，则占用车间面积过大，资金投入大，周转慢，反之，如批量小，则毛坯的供给满足不了加工需要，则出现停工，以至于设备的闲置，工人的浪费。

考虑到以上的种种因素，定的批量时间为2天。

2.2零件分析

1．零件作用：本零件作为柴油机活塞连杆用。

2．零件材料：本零件材料为HT200。

3．零件热处理要求：由于本零件为铸件，需要进行时效处理。

4．零件技术要求：

本零件需加工的表面为：两端面、大头凸块两侧面、体与盖的结合面、螺栓定位孔面，其中两端面及结合面本身尺寸精度、表面粗糙度有较高要求，而且位置精度也有一定要求。（详细见工件零件图）

5．零件结构特点：由连杆大头、小头及连杆组成。

6．加工出该工件所用的加工方法主要有：平面加工及孔加工。

7．零件设计基准：分析得知，其设计基准是大头孔。

2.3 定位基准的分析与选择

8．在制定零件加工工艺规程时，正确选择定位基准对保证加工表面的尺寸精度和相互位置精度的要求以及合理安排加工顺序都有重要的影响。

2.3.1 基准的概念

基准是机械制造中应用十分广泛的一个概念，机械产品从设计时零件尺寸的标注，制造时工件的定位，校验时尺寸的测量，一直到装配时零部件的的装配位置确定等，都要用到基准的概念。基准就是用来确定生产对象上几何关系所依据的点，线或面。

2.3.2 基准选择原则

在加工起始工序中。只能用毛坯上未曾加工过的表面作为定位基准，则该表面称为粗基准。利用已加工过的表面作为定位基准，则称为精基准。

2.3.3 定位基准的选择

在连杆的加工中，主要定位基准的选择是在小孔进行精铣之后选择小孔以及一个基面作为主要的定位基准，并用大头处指定一侧外表面为另一定位基面。

2.4 工艺路线的制定

（1）两端面的加工

（2）身盖分开面加工

（3）小头孔加工

（4）大头孔加工

其中工艺过程设计大致采用：锻造→调制→粗加工→检验→入库

在生产纲领已经确定为大量生产的条件下，可以考虑采用通用机床配以专用夹具，并尽量使工序集中来提高生产率。除此以外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。

2.5 切削用量的确定

正确的对切削用量进行选择，不仅仅能够提高切削效率，还能够保证必要的刀具耐用度和经济性，同时保证加工质量，具有相当重要的作用。

（1）切削深度的选择，在进行加工时的切削深度应根据加工的粗精留下的余量确定。通常希望加工余量不要留得太大，否则，当吃刀深度较大时，切削力增加较为显著，从而就影响加工质量。

（2）进给量的选择，在进行加工时限制进给量提高的主要因素就是表面粗糙度。在进给量增大时，虽有利于断屑，但残留面积的高度会增大，从而导致切削

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。

3 夹具设计

夹具是根据机床的工艺和结构方案的具体要求而专门设计的，它是用于实现被加工零件的准确定位、夹压、刀具的导向，以及装卸工件时的限位等作用的。

组合机床的工作常常是多刀、多面和多工序同时加工，会产生很大的切削力和振动，因此组合机床佳句必须具有很好的刚性和足够的夹压力，以保证在整个加工过程中工件不产生任何位移。同时，也不应该对工件产生不容许的变形，组合机床的夹具是保证加工精度（尺寸精度、几何精度和位置精度等）的关键部件，其设计、制造和调整都必须有严格的要求，使其能持久的保持精度。此外，组合机床夹具应便于实现定位和夹压的自动化，并有动作完成的检查信号，保证切屑从加工空间自动排出，便于观察和检查，以及再不从机床上拆除夹具的情况下，能够更换易损件和维护调整。

在组合机床上加工时，必须使被加工零件对刀具及其导向保持正确的相对位置。这是靠夹具的定位支承系统来实现的，定位支承系统除用以确定被加工零件的位置外，还要承受被加工零件的重量和夹紧力，有时还需承受切削力。

定位支承系统主要由定位支承、辅助支承和一些限位元件组成，定位支承是指在加工过程中维持被加工零件的一定位置的元件。辅助支承是仅用作增加被加工零件在加工过程中的刚度及稳定性的一种活动式支承元件。

由于支承元件直接与被加工零件相接触，因此其尺寸、结构、精度和布置都直接影响被加工零件的精度，其设计应注意以下问题：

（1）合理布置定位支承元件，力求使其组成较大的定位支承平面，最好使夹紧力的位置对准定位支承元件，当受工件结构限制不能实现时，也应使定位支承元件尽量接近压紧力的作用线，并应使夹压力的各力中心处于定位支承平面内。

（2）提高刚度，减小定位支承系统的变形，应力求使定位元件（定位销）不受力。

（3）提高定位支承系统的精度及其元件的耐磨性，一边长期保持夹具的定位精度。

可靠的排出定位支承部件的切屑，使切屑不堵塞和粘附在支承定位系统上，对保证定位的准确性和工作可靠性有很大的影响。因此设计时应尽可能不使切屑落到定位支承系统上，当切屑有可能落在其上，必须采取有效的排屑和清理措施。

夹具体的设计：

夹具体是夹具的最大和最复杂的元件，而且也是承受符合最大的元件。在它上

面安装定位元件、夹紧元件，对刀元件和导向元件，及其它的一切元件和机构并通过它将夹具安装在机床上。工件的加工精度与夹具体本身的精度有很大关系，而且在加工过程中产生的切削力，惯性力等及工件的自重作用在夹具体上，都可能影响工件的加工精度。因此，设计夹具体应考虑以下问题：

1) 有适当的精度和尺寸稳定性，特别是位置精度直接影响工件在加工过程中产生的误差。

2) 夹具体要有足够的强度和刚度，使夹具体能承受在加工过程中产生的作用力而不止变形和发生振动。

3) 夹具体的机构要紧凑形状要简单，同时要有足够的空间位置，保证夹具的其它元件和机构安装方便，更换易损元件容易以及装卸工件方便。

4) 夹具体的结构工艺性要好以便于制造，并注意消除内应力避免变形。

5) 夹具体的中心要低，安装在机床上能稳固和安全，为了安装后得到稳定，底面的中部一般都挖空，同时应根据机床连接部分的机构形状来确定夹具体连接部分的形状和结构。

6) 在满足刚度和强度的前提下，夹具体应尽量轻，不重要的部位，可以挖空以减轻重量，便于装卸。

7) 夹具体采用铸造件，由于铸造可得到各种复杂的外形，刚性好还能吸振，但需进行时效处理以消除内应力。

3.1 定位基准的选择

第一道工序，采用毛坯端面基准。由毛坯零件图可知，通过两孔四点定位，再加上下部两点定位，能够将毛坯稳稳固定在机床上，不会产生位移，符合六点定位原理。

3.2定位元件选择

定位元件的选择有4条原则：

（1）定位元件要有较高的精度；

（2）定位元件要有较高的耐磨性；

（3）定位元件要有足够的刚度和硬度；

（4）定位元件要有良好的工艺性。

对于本工序而言，定位销可设计为固定销，这样定位方便稳定，装置不复杂，直接将定位销打入孔中即可，当定位销时间长了有磨损时，可以直接换掉即可。

3.3 夹紧元件的选择

选择夹紧元件主要有3条原则：

1）夹紧元件结构要简单，制造要容易，体积小，重量轻，并且要有足够的强度；

2）夹紧动作迅速，操作方便，使用安全，有足够的夹紧行程和装卸工作的空间；

3）夹紧力要适当。

对于本道工序而言，夹紧力要求不大，而定位面的面积比较大，为了保证夹紧可靠，夹紧机构采用了螺纹夹紧机构,此套机构是利用螺纹直接夹紧工件,结构紧凑,所占空间位置较小,便于装卸工件。

3.4夹紧力的计算

对于加工顶面，夹紧力向下的分力与切削力垂直，夹紧力的向里的分力与定位元件给的支持力抵消。计算加紧力时，通常将夹具和工件看成是一个刚性系统，根据工件受切削力、夹紧力（大型工件还应考虑工件重力，运动的工件还应考虑惯性力等）的作用情况，找出在加工过程中对夹紧最不利的瞬时状态，按静力平衡原理计算出理论夹紧力。最后为保证夹紧可靠，再乘以安全系数作为实际所需夹紧力的数值。

W k =WK

式中 W k ——实际所需夹紧力

W ——在一定条件下，由静力平衡计算出的理论夹紧力（N ） K ——安全系数 安全系数K 可按下式计算：

K=6543210K K K K K K K =2.84

0K ——考虑工件材料及加工余量均匀性的基本安全系数，取1.4

1K ——加工性质，取1.2 2K ——刀具钝化程度，取1.3 3K ——切削特点，取1.0

4K ——夹紧力的稳定性，取1.3

5K ——手动夹紧时的手柄位置，取1.0

6K ——仅有力矩使工件回转时工件与支承面接触的情况，取1.0

切削力：

F=419·D·f0.8·Kp

=90526 N

切削扭矩：

M=0.21·D2·f0.8·Kp

=5194.136N·M

由夹紧力公式：

W=QL／r z tgφ1+r z tg(ω+φ2)

=36735.321N

W k=W·K=104328.312N

W k > F 故而，机构产生的夹紧力足够

结语

通过对连杆零件的机械加工工艺及其工装设计，使我学到了诸多的在课堂上难以学到的机械加工的知识，大致就有以下的三个方面：

首先，连杆零件的外形较为复杂，其制造技术要求相对较高，加工的刚度较差，容易在加工中产生边形。这就需要我们不仅仅能够正确的掌握定位基准的选择、切削用量、精度控制等专业知识，还应当要有严谨的设计态度，因为设计过程繁琐，要仔细认真才能够更好地完成。

其次，就是关于夹具的设计方法及步骤：定位基准的选择、定位元件的选择、夹紧元件的选择以及夹紧力的计算等等。在以前的课堂学习中，只是通过课本与老师的讲解才了解了一些关于夹具方面的专业知识，而通过这次设计，我在网络上查阅了诸多的相关资料，从而对夹具相关知识有了更多的了解，让我的专业知识能力得到了长足的进步。

最后，在本次的设计之中，我将这几年来所学的专业知识进行了温习，也掌握了诸多学习之外的专业知识。在设计中，将我所掌握的知识进行了整合，让我所学的知识得到了全面的整合，对我之后的学习与工作有着极大的帮助。

除了以上的三个方面，在设计过程中我还熟悉了资料的查阅途径，接触到了大量的专业相关书籍，可谓是收获良多。在此我要感谢在设计中给我帮助的老师与同学们，为我解决了诸多的问题，对本次设计起到了至关重要的作用。

参考文献

[1]丁儒琳，陈家彬.汽车厂实习教程.哈尔滨工业大学出版社,92-101.

[2]赵如福.金属机械加工工艺人员手册.上海科学技术出版社,1038-1054.

[3]陈志祥,段守道.机械制造工艺学简明手册.华中工学院出版社,42-58.

[4]机床夹具设计手册.上海科学技术出版社,50-66,5-13.

[5]定位与夹紧符号手册.机械工业标准化技术服务部,1-10.

[6]赵家齐.机械制造工艺学课程设计指导书.机械工业出版社,62-97.

[7]艾兴.切削用量简明手册.机械工业出版社,19-34.

[8]机械制图.高等教育出版社,239-246.

[9]顾为鹏. 连杆零件的机械加工工艺规程和专用夹具设计[J]. 现代企业教育,2012,17:253-254.

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