汽车连杆夹具设计1(1)

第一章 连杆零件的工艺规程设计

1.1 连杆零件结构分析

本课题设计的零件是汽车发动机连杆（零件图如图1），从零件图的分析可以知道，零件的表面大都由一系列的规则的直线和圆弧组成，因此选择通用的加工方法即可。

图1 连杆零件图

为了减少连杆的惯性力，要求连杆的质量要尽可能的轻，所以连杆采用“工字形”截面，以便保证有较高的强度和刚度，又能够减轻连杆的质量。各部分的精度都要求比较高, 在加工大、小头孔时，都有圆柱度和互相的平行度要求，加工时必须加以注意。两端面的加工有垂直度的要求，加工过程中可考虑设计专用夹具来适合加工需要。加工时根据尺寸精度选择合理的机床设备型号。 1.2零件加工表面及其加工要求 零件主要加工表面 A. 大头孔Φ53（未装轴瓦）

大头孔上要装轴瓦，通过瓦与曲轴配合，配合间隙为0.27～0.079mm ，为了保证良好的配合精度，减少冲击力的影响，大头孔的加工精度为IT6，圆柱度为0.003，表面粗糙度Ra 为0.8μm 。 B. 小头孔Φ33（未装铜套）

小头孔是与活塞销配合的表面，加工尺寸精度要求为IT5，圆柱度误差为0.007、表面粗糙度Ra1.6μm 。小头孔与活塞销的配合精度要求较高，如果配合间隙过小，

会影响连杆与活塞销之间的运动传力效果，如果配合间隙过大，又会晃动，使得发

动机在运行过程中发出敲击声，考虑到工作后的磨损量0.01mm ，因此，安装时必须保证连杆小头孔与活塞销之间的配合间隙为0.0045～0.0095。 C. 大小头孔端面

大、小头孔两端面与曲轴轴承座端面配合，其精度影响到安装和磨损，端面厚度公差为0.28mm ，它与孔的垂直度误差为0.05。厚度尺寸为290 0. 040mm D. 大小头孔中心距及孔的中心线的平行度和扭曲变

大、小头孔的中心距影响到发动机的压缩比，即发动机的工作效率，所以规定了较高的要求，中心距为180+0.05，大、小头孔的中心线的平行度误差会使活塞在汽缸中倾斜，造成汽缸壁磨损不均匀，同时使曲轴的连杆颈产生边缘磨损，缩短发动机的使用寿命，所以规定平行度公差为0.025/100mm。大、小头孔中心线的扭曲对不均匀磨损的影响较小，一般规定扭曲度不大于0.03/100。这两项技术要求，对于结构刚性较差的连杆来说，加工可能有些困难，但是为了保证发动机的使用寿命，必须达到这些要求，加工中应特别注意。 E. 连杆连接螺栓孔

连杆在工作过程中，受到急剧的动载荷的作用，这一作用又传递到连杆和盖的两个连接螺母上。因此，除了对螺栓及螺母提出较高的技术要求外，对螺栓孔及两螺栓孔端面也有一定的要求，两螺栓孔在互相垂直的方向的平行度公差0.03mm ，两螺栓孔与结合面的垂直度0.03mm ，两螺栓孔的尺寸公差为0.017mm 。 1.3 零件材料的选择

连杆是发动机的重要零件，其作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。其好坏与优劣直接影响发动机的整体性能 在工作过程中，连杆受力较复杂：一方面承受气体的压力和往复运动的惯性力所产生的冲击性拉压交变载荷；同时连杆摆动产生横向惯性力，导致其承受弯曲交变载荷。因其较长，所以要求连杆有足够的强度和剐度。在满足要求的前提下，尽量减小自身质量，以减少惯性力，保证发动机运转平稳，降低工作时的噪声和振动，因此材料选择的重要性显而易见。

本次毕业设计课题所采用的是40Cr 。并作调质处理, 使硬度为HB235-277。以提高强度和抗冲击能力。

40Cr 是使用比较广泛的调质钢种之一，调质处理后具有良好的综合机械性能；钢的

淬透性较好，但水淬易开裂，故宜用水油双液淬火；有回火脆性；此钢除调质外还可进行氰化和表面淬火处理。冷变形塑性中等；切削加工性尚好。可用做高速度及轻微冲击负荷下 工作的受磨损零件，如齿轮、轴套、涨圈、凸轮、转轴以及机床夹具元件定位器、主轴、滑块等。适合于做载荷较大的中型零件（如曲轴、连杆等）的材料。 1.4 连杆的技术要求分析

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, 连杆与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如下:

A、为了使连杆大, 小头运动副之间配合良好, 大头孔的尺寸公差等级取为IT6, 表面粗糙度应不大于0.8μm 。小头孔的尺寸公差等级取为IT5, 表面粗糙度不大于0.8μm 。对它们的圆柱度也相应规定了严格的要求。连杆大小头端面间距离的基本尺寸相同, 但技术要求不同。大头两端面与曲轴连杆轴颈两轴肩端面有配合要求, 而连杆小头两端面与活塞销孔座内档之间没有配合要求。故此, 大头两端面间的尺寸公差等级为IT9, 表面粗糙度不大于1.6μm; 小头两端面间的尺寸公差等级为IT12, 表面粗糙度不大于12.5μm 。 B 、连杆大小头孔的中心距影响到汽缸的压缩比, 故两孔中心距的尺寸公差等级应不低于IT 6。连杆大头孔两端面对大头孔中心线的垂直度误差过大, 将加剧连杆大头两端面与曲轴连杆轴颈两端面之间的磨损, 一般规定其垂直度公差等级不低于9级。

C 、为了使发动机在工作过程中运转平稳, 各缸连杆在往复运动中的惯性力应大致相同。因此对连杆大小头质量及总质量要求相当严格。对于6缸发动机中的6根连杆，要求重量尽量相同，以使其运动中的惯性相等而互相平衡。所以加工后按大小质量分组进行装配。要求连杆重量为1100+30G，同一台机中各连杆总成质量差为6G 分组要求如下表1：

表1

4、大端内径加工要领为：粗加工前装配拧紧力矩为85.5+5 N.M ；松动装配螺栓并打配对记号； 精加工前，再拧紧，拧紧力矩为85.5+5N.M。装配螺栓时，装配扭矩85+5N.M，螺纹底面及螺纹部涂机油。连杆及连杆盖结合处去毛吃刺。装机时连杆及连杆盖打汽

缸号。

此外，连杆的毛坯都要求通过锻造来改变金相组织。对于连杆体和盖分开锻造的毛坯，锻造工艺较整体锻造要简单，金属纤维呈连续型式，使大头具有较高的强度，不易产生变形，但分开锻造使材料消耗增加，机械加工虽然省去了切开工序，但结合面加工余量较大，两侧平面加工也需要分开进行，故机械工艺较整体锻造复杂。整体锻造在切开体和盖的工序之后，金属纤维呈断裂状，强度减弱，加工后变形较大，但比整体锻造节省材料，提高了金属的利用率，生产效率高，便于组织生产，特别适合于大批大量生产。

1.5确定毛坯类型及制造方法

正确地选择毛坯是工艺技术员应该高度重视的问题。零件加工过程中工序的内容或工序数目、材料消耗、热处理方法、零件制造费用等都与毛坯的材料、制造方法、毛坯的误差及其余量有关。

机械加工中常用的毛坯种类很多，主要有铸件、锻件、型材、焊接件、冷冲压件、其它（工程材料、粉末冶金等）。

在相同材料的条件下，锻件的机械强度和冲击韧性比铸件高，对于承受重载荷、交变载荷和冲击载荷工作的零件常选用锻件。

根据连杆零件本身的生产加工特点选择毛坯为模锻件。连杆锻坯有两种形式, 一种是体和盖分开模锻, 另一种是一体模锻。整体模锻的毛坯相对于分体模锻而言, 虽然有锻造设备动力大和金属纤维被切断等问题, 但由于整体锻造的毛坯具有材料损耗少, 锻造工时少, 模具少等优点, 故成为连杆毛坯的一种主要形式。

连杆是一种难以锻造成形的锻件，最大截面与最小截面之比很大，杆部细长为工字形，厚度尺寸公差较小．所以连杆成型要求有较高的锻造水平。连杆材料为40Cr 。其毛坯锻造工序过程为；切料一加热一道辊锻制坯一予锻、终锻一切边、冲孔一余热淬火一回火一抛丸一测硬一冷校正一探伤一压印一检查入库。根据连杆锻件图规定，毛坯错差不大于lmm ；表面缺陷深度不太于0.8mm 锻件残余飞刺不大于0.8mm ；表面抛丸清理；调质硬度为3．7～4.0dHBS ；特殊要求：两端头部放在同一平面检查时，其间隙不大于0.5mm 。

第二章 工艺规程的定制

2.1定位基准的分析

连杆件外形复杂而刚性较差, 它的技术要求又很高, 故恰当地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。

在连杆的实际加工中, 一般都对连杆进行完全定位, 多数情况下, 选用连杆大小头端面作为主要定位基准, 使零件的支承面积大, 定位稳定, 装夹方便。同时选择小头孔和大头连杆体的外侧面作为一般定位基准, 从而限制了连杆的六个自由度。

选用连杆的端面和小头孔作为定位基准, 不仅便于在加工中实现基准统一, 更重要的是使连杆的重要技术要求中加工过程中实现基准重合, 以减小定位误差。

对于一些要求高或加工中不易保证的技术要求, 在精加工时也可以采用自为基准的原则进行加工, 或采用互为基准的原则进行加工, 或由机床精度直接保证。

在制造连杆毛坯时, 在杆身一侧作出定位标记, 在对大小头端面进行粗加工时, 选取没有凸起标记的一侧为粗基准来加工。紧接着以已加工过的端面为基准来加工第二个端面。显然, 第一个端面的精度(如平面度) 要比第二个端面高, 在以后的加工中, 当然用第一个端面做精基准为好。加工连杆时要保证小头孔的壁厚均匀, 所以在拉小头孔时, 选大、小头孔的两个端面作为基准。

在加工中，先加工出大、小头孔两端面，可以为后续的精加工做好准备，既满足加工要求，方便加工，又符合统一基准选择的要求，提高了加工精度。 2.2热处理工序的安排

加工过程中经常进行热处理，以改善其机械性能。但是热处理会引起零件较大的变形，需通过后续的加工工序来消除。该零件的热处理主要是为了增加强度，所以为消除粗加工的内应力，降低粗加工的难度

本工艺中，在粗加工之前需要调质处理，硬度为HB235-277，调质可以完全消除锻造带来的内应力，而且可以获得较高的综合机械性能。 2.3加工工艺路线的拟定

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、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。连杆的加工路线按杆的分全可分为三个阶段; 第一个阶段为粗基准的加工。第二阶段为连杆体和盖切开前的加工, 第三个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(两端面的加工); 第二阶段主要是加工除精基准以外的其它表面, 包括小头孔的加工, 两侧面的加工，为合装做准备的螺栓孔和结合面的粗精加工等; 第三分阶段则主

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以及大头孔, 小头孔的精加工。如果按主要表面的粗, 精加工来划分连杆的加工阶段的话, 可以按连杆合装前后业分, 合装之前的工艺路线属于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。 连杆加工工艺方案的选择

选择工艺为传统的生产工艺，即连杆分离面的加工“切断法”。

发动机连杆分离面加工的传统方法也称作有屑切削法．即在对整体毛坯连扦的两端面及大、小头孔进行加工之后。用切削的方法(铣削或锯削) 将整体连杆切断．分成连杆体和连杆盖两个零件。然后再用拉削磨削或精铣的方法。对连杆体及连扦盖这两个零件的分离面分别进行精加工，以满足设计的尺寸、表面粗糙度、平面度和垂直度的要求-----这是一种带切屑的切削加工方法， 一般可称为切断法(CUT OFF)

根据前面的加工工序分析，这里对连杆的工艺, 拟定了两条工艺路线进行分析比较, 以便从中选择。

A、方案一: B. 方案二:

由上可知，因为连杆的技术要求高而刚性又较差, 各主要加工表面需经多次加工才能达到图纸要求，目的是使残余内应力有时间重新分布而使零件及早变形，两工艺都注重了工艺的可行性，可以达到工艺要求。 以下针对两方案进行比较分析：

方案A 中考虑到了精基准选择时应遵循统一基准原则。首先将两侧面这个后续工序中的精基准面先加工出来, 然后再加工小头孔, 而且加工时先把没有凸起标记的一侧面为粗基准，加工标志面，然后在翻转磨另一面，这样两端面互为基准。方案B 先把孔加工出来，整体上也可以符合加工要求，但一般原则是按“先加工基准面, 再加工其它表面”, “先加工平面, 后加工孔”，两端面的接触面大，便于做粗基准，加工也方便，所以在粗基准的选择上还是A 方案比较合适

方案B 的镗削大头孔在同一道工序中完成, 这使得零件不能充分变形。而方案A 也有些类似的方面，但是经过了几次反复的粗精加工，可以达到图纸要求，所以也无需加入更细致更烦琐的加工工序，这样节省了资金。

方案A 的螺栓孔是在切断之前加工的，这样和在一起加工，可以使连杆体和连杆盖的螺栓有位置精度的一致性。方案B 中将螺栓孔的加工放在切断之后, ，这样分开加工，对于各孔的加工精度是提高了，但是位置度不是很好。在这方面两个加工方案各都有优劣。

综上所述, 二种方案都各有千秋，前种方案优势明显一点，方案A 工序安排较为合理，最终选择方案一作为该零件的加工路线，

第三章 确定加工余量及生产设备

3.1 确定机械加工余量

根据前面所述的加工方法及工艺路线的选择，查有关手册得出各面的加工余量如表2所示。对表面只需粗加工的，取所查数据的小值；表面需经粗加工和半精加工时，可取较大值。

表2 机械加工余量

确定毛坯尺寸

钢质模锻件的机械加工余量按JB3834—85确定，确定时根据估算的锻件质量，加工

精度及锻件的形状复杂系数。 （1） 锻件质量

根据零件成品重量1.1Kg, 锻件估算为1.5Kg （2） 加工精度

各表面为一般加工精度F1 （3） 锻件的形状复杂系数S ： S=m锻件/m外廓包容体

假设锻件的最大包容体为长220mm, 宽90mm, 高40mm. m外廓包容体=220×90×40×7.85= 6.22Kg m锻件=1.5Kg

S=1.5/6.22=0.241

查表可知，锻件的形状复杂系数为S 3，属于较复杂级别。 （4）根据锻件质量、F1、S3，查表JB3834-85可得：

厚度方向的单边余量为：1.5～2.0mm 水平方向的单边余量为：1.5～2.0mm 即锻件各端面的单面余量为：1.5～2.0mm 。 两孔的单向的余量为：2.0mm 确定毛坯的尺寸

上面所查得的加工量适用于机加表面Ra ≥1.6μm ；Ra ≤1.6μm 的表面，余量要适当的放大。

分析本零件，可知零件的各表面粗糙度Ra ≥1.6μm 的有两端面而两孔Ra ≤1.6μm ，因此这些表面的毛坯尺寸只需将零件的尺寸加上所查得的余量即可。又由于加工时要把大头孔切断，所以留有切断的厚度最后确定毛坯的尺寸。

毛坯尺寸如下： 大头孔 Φ48.4mm 小头孔 Φ30mm 宽 80mm 厚度 33.2mm 确定毛坯尺寸公差

毛坯尺寸公差根据锻件重量、形状复杂系数、分模线形状种类及锻件精度等级从有关表中查得。

本零件的锻件重量为1.5Kg ，形状复杂系数是S 3，材料为40Cr 。由此查表得，锻件材质系数为M2, 采用平直分模线，锻件为普通精度等级，则毛坯公差可以从表JB3834-85查得。

3.2选择机床设备及工艺设备

机床的选择工件的对加工质量，生产率和经济性有很大的影响，为使所选的机床能满足工序的要求，必须综合考虑机床的工作精度、加工精度、功率、机床工作区的尺寸等因素。

根据以上的图示的分析，现有的生产设备及零件自身的尺寸、形状、位置精度的要求，各工序机床选择如表3所示

表3

第四章 专用夹具的设计

4.1精铣连杆两端面的夹具设计

连杆端面是整个连杆加工过程的主要定位基准, 应首先加工出来。由零件图可知, 连杆大小头端面厚度的基本尺寸是相同的, 但其精度要求不同。若在铣大小头端面时, 也按不同的要求加工, 会增加夹具制造与机床调整的复杂性。故在加工中使大小头端面处在同一平面上, 简化了后续工序的夹具结构, 减少了机床的调整工作。

4.2铣床夹具定位方案的确定

根据六点定位原理, 对本道工序的加工定位采用完全定位。其中, 选用连杆的大小头孔端面作为主要定位基准, 使零件的支承面积大, 定位稳定, 装夹方便。同时也符合精基准选择时应注意的基准重合原则。这个面定位共消除了3个自由度。再次, 选用连杆大、小头孔上下顶面作为第二定位基准, 压紧定位不仅便于在加工过程中实现基准统一, 而且装夹方便, 端面与大头孔中心线的垂直度要求也能很好的保证, 两端面的距离要求在加工中实现基准重合, 从而减少加工误差。另外, 采用互为基准反复加工的办法, 对连杆的两个端面进行加工。

在定位元件的选择上, 为满足六个自由度完全定位要求, 分别对三几个定位元件进行设计：

（1）首先考虑到夹具加工性及夹具在使用过程中出现的磨损, 故采用两个V 形块进行定位, 还可以替换降低夹具的制造费用。

（2）其次采用了两个定位销来定位。

图4 定位图

4.3 铣床夹具的夹紧机构的确定

夹紧装置是夹具的重要组成部分。因此在夹具设计过程中, 必须保证定位时获得的正确位置, 并使夹紧可靠, 适当, 操作方便安全。而且结构力求简单, 紧凑, 并尽可能地多采用标准件。

根据夹紧力的作用方向应有利于工件准确定位的原则, 在铣削侧面时, 为保证端面与大头孔中心线的垂直度要求, 故将夹紧力作用方向定在与定位销中心线相垂直的方向上。这个方向与工件刚度最大的方向也相一致, 使工件减少变形。

4.4铣床夹具对刀装置的确定

对刀装置用以确定夹具相对于刀具的位置。铣床夹具的对刀装置主要由对刀块和塞尺构成。本道工序是铣平面, 故采用用于加工平面的高度对刀块。

4.5铣床夹具的结构分析

根据工件, 定位元件, 夹紧装置和对刀块在总体上的配置来确定夹具体的外形尺寸。 夹具体上固定V 形块、活动V 形块和定位销。

夹紧结构也较为方便，转动手柄夹紧机构，当工件被放在夹具体的支承板平面上后，转动手柄，压板在推动活动V 形块，沿着导向面夹紧工件。压板在的拉力手柄作用下后退，然后就可以取下工件，在装夹下个零件。

因为该铣床夹具要承受较大的切削力，因此要有足够的稳定性。为此通过两个定位键与铣床工作台的T 形槽相配合来确定夹具在机床上的方位。上图中定位键与夹具体的配合采用H7/h6。另外在该夹具体的两头设有耳座，可通过螺栓将夹具牢固地紧固在机床的工作台上。

V 形块设计如下：

V 形块是两个定位平面间具有一定夹角的一种定位元件。V 形块工作面间夹角α常取60º、90º和120º，此时采用应用最多的是90º角。

V 形块结构尺寸主要根据工件定位基准直径来确定，并应确定定位高度T 。因为当V 形块加工完毕后需将心轴放在V 形块上，安尺寸T 综合检验V 形块的加工精度。

当α=60º时 T= H+D-0.867N；

当α=90º时 T= H+0.707D-0.5N；

当α=120º时 T= H-0.578D-0.289N；

式中 H——V 形块高度；

D ——工件定位基准直径；

N ——V 形块定位部分宽度，该尺寸可供划线和粗加工时使用。

下面是此夹具所用到的V 形块尺寸