连杆工艺及扩孔夹具设计

连杆工艺及扩孔夹具设计绪论连杆是汽车与船舶等发动机中的重要零件，它连接着活塞和曲轴，其作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。连杆在工作中，除承受燃烧室燃气产生的压力外，还要承受纵向和横向的惯性力。它既受交变的拉压应力、又受弯曲应力。因此机械加工工艺对零件由设计到成品是至关重要的。机械制造加工工艺主要是用切削的方法改变毛坯的形状、尺寸和材料的物理性质，成为具有一定精度、粗糙度的零件。对于加工艺的编制主要是对其加工工序的确定对机械加工工艺规程的基本要求可以总结为质量、产生率和经济性三个方面。所以在对机械加工工艺过程、机械制造工艺过程、加工工艺的编制时应取其长，避其短。在编制工艺过程时应在保证零件质量的前提下，尽可能的降低生产成本。因此零件的质量、生产率和经济性应综合考虑。连杆的结构分析和技术要求2.1连杆的结构分析连杆是柴油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。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。连杆的结构图如下图：图（2—1）连杆结构图在柴油机工作过程中，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。为了保证柴油机运转均衡，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）连杆大小头平面的中心对称度；（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。2.2连杆的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。连杆的具体技术要求如下：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100：0.04mm。2大、小头孔中心距大小头孔的中心距影响到发动机的效率，所以规定了比较高的要求：190±0.1mm。3大、小头孔两端面粗糙度连杆大、小头孔两端面间距离的基本尺寸相同，大小头两端面的尺寸公差等级为IT9，表面粗糙度Ra不大于0.8μm。4螺栓孔的技术要求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。5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。第三章连杆毛坯类型的选择和工艺路线的制订3.1连杆的材料和毛坯类型的选择连杆是传递动力的主要运动件之一，在运动过程中连杆承受着复杂的力和力矩。连杆的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形。通常疲劳断裂的部位是在连杆上的三个高应力区域。连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能；又要求具有足够的钢性和韧性。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、40Cr、40CrMnB等等。图（3—1）连杆毛坯图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。本工艺中我们将采用连杆的材料是45号钢，毛坯采用模锻制造，整体锻造毛坯。毛坯锻造出来之后需进行热处理至223—262HB，在指定处检验硬度；连杆的毛坯图如图（3—1）。3.2连杆工艺过程的安排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。所以要选好连杆加工工艺过程，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及螺栓孔定位面，次要的加工表面为轴瓦锁口槽、油孔、大头两侧面及连杆体和盖上的螺栓座面等。连杆机械加工路线是围绕主要加工表面来安排的。连杆加工路线按连杆的分合可以分为三个阶段：第一个阶段为连杆体和盖切开之前的加工；第二个阶段为连杆体和盖的切开加工；第三个阶段为连杆体和盖合装后的加工。连杆加工工艺过程方案如下表：表（3—1）连杆加工工艺过程工序工序名称工序内容工艺装备05锻造锻造毛坯，热处理223-262HB.空气锤10铣铣连杆大小头两平面，每面留磨量0.5mm。X52K15粗磨以一平面定位，磨另一平面，保证中心对称，无标记面即基面。M375020钻扩铰以基面定位，先钻小头孔Ф27.8mm再扩小头孔Ф29.09mm，最后铰小头孔Ф29.49mm。Z308025铣以基面及大小头孔定位，铣大头两侧面，保证中心对称（此平面为工艺基准面）。X62W30粗镗以基面和小头定位，粗镗大头孔。T71635铣以基面定位和小头孔定位，切开工件，编号连杆体及上盖。X613240铣以基面和一侧面定位装夹工件，铣连杆体和上盖结合面。X62W45磨以基面和一侧面定位装夹工件，磨连杆体和上盖结合面。M375050铣以基面和结合面定位装夹工件，铣连杆体和上盖轴瓦锁紧槽。X62W55铣以基面，结合面和一侧面定位，铣连杆体和上盖的两螺栓座面。X62W60钻以基面和小头孔定位钻2—Ф10mm螺栓孔。Z305065扩以基面和小头孔定位，先扩2—Ф12.2mm，再扩2—Ф13mm深10mm螺栓孔。Z305070倒角对螺栓孔内部倒角。Z305075装配用专用螺钉螺母将编号的连杆体合上盖装配起来，扭紧力矩为98-118N.m，扳手80半精镗以基面和小头孔定位，半精镗大头孔至Ф64.3mm。T71685倒角以基面小头孔定位，对大头孔两端倒45°。Z308090磨以基面定位，精磨大小头两端面，保证中心对称。M713095钻以基面定位，钻扩小头油孔。Z2030100倒角以基面定位，对小头油孔倒角。Z2030105压及基面和两侧面定位，压小头铜套孔。压床110倒角以基面和大头两侧面定位，对小头铜套孔倒角45°。Z3080115精镗以基面和侧面定位，精镗大头孔和小头铜套孔。T2115120称重按规定称重。弹簧秤125去重按规定去重。虎钳锉刀130珩磨以基面和小头和两侧面定位，珩磨大头孔和小头铜套孔，保证尺寸。珩磨机床135检验检验各尺寸精度。140验伤无损验伤145入库连杆的第一阶段的加工主要是为其后续加工准备精基准（端面、小头孔和大头外侧面）；第二阶段主要是加工除精基准以外的其它表面，包括大头孔的粗加工，为合装做准备的螺栓孔和结合面的粗加工，以及轴瓦锁口槽的加工等；第三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及大、小头孔的精加工。如果按连杆合装前后来分，合装之前的工艺路线属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。3.3连杆的机械加工工艺过程分析3.3.1工艺过程的安排在连杆加工中有两个主要因素影响加工精度：（1）连杆本身的刚度比较低，在外力（切削力、夹紧力）的作用下容易变形。（2）连杆是模锻件，孔的加工余量大，切削时将产生较大的残余内应力，并引起内应力重新分布。因此，在安排工艺进程时，就要把各主要表面的粗、精加工工序分开，即把粗加工安排在前，半精加工安排在中间，精加工安排在后面。这是由于粗加工工序的切削余量大，因此切削力、夹紧力必然大，加工后容易产生变形。粗、精加工分开后，粗加工产生的变形可以在半精加工中修正；半精加工中产生的变形可以在精加工中修正。这样逐步减少加工余量，切削力及内应力的作用，逐步修正加工后的变形，就能最后达到零件的技术条件。各主要表面的工序安排如下：（1）大小头两平面：粗铣、粗磨、精磨（2）小头孔：钻孔、扩孔、铰孔、压入衬套、半精镗、精磨（3）大头孔：粗镗、半精镗、精镗、珩磨一些次要表面的加工，则视需要和可能安排在工艺过程的中间或后面。3.3.2定位基准的选择在连杆机械加工工艺过程中，大部分工序选用连杆的一个指定的端面和小头孔作为主要基面，并用大头处指定一侧的外表面作为另一基面。这是由于端面的面积大，定位比较稳定，用小头孔定位可直接控制大、小头孔的中心距。这样就使各工序中的定位基准统一起来，减少了定位误差。具体的办法如图（3—2）所示：在安装工件时，注意将成套编号标记的一面不与夹具的定位元件接触（在设计夹具时亦作相应的考虑）。在半精镗小头孔时，也用小头孔（及衬套孔）作为基面，这时将定位销做成活动的称“假销”。当连杆用小头孔（及衬套孔）定位夹紧后，再从小头孔中抽出假销进行加工。为了不断改善基面的精度，基面的加工与主要表面的加工要适当配合：即在粗加工大、小头孔前，粗磨端面，在精镗大、小头孔前，精磨端面。由于用小头孔和大头孔外侧面作基面，所以这些表面的加工安排得比较早。在小头孔作为定位基面前的加工工序是钻孔、扩孔和铰孔，这些工序对于铰后的孔与端面的垂直度不易保证，有时会影响到后续工序的加工精度。在第一道工序中，工件的各个表面都是毛坯表面，定位和夹紧的条件都较差，而加工余量和切削力都较大，如果再遇上工件本身的刚性差，则对加工精度会有很大影响。因此，第一道工序的定位和夹紧方法的选择，对于整个工艺过程的加工精度常有深远的影响。在精加工主要表面开始前，先粗铣两个端面，其中粗磨端面又是以毛坯端面定位。因此，粗铣就是关键工序。在粗铣中工件中有两种定位方法，一个方法是以毛坯端面定位，在侧面和端部夹紧，粗铣一个端面后，翻身以铣好的面定位，铣另一个毛坯面。但是由于毛坯面不平整，连杆的刚性差，定位夹紧时工件可能变形，粗铣后，端面似乎平整了，一放松，工件又恢复变形，影响后续工序的定位精度。另一方面是以连杆的大头外形及连杆身的对称面定位。这种定位方法使工件在夹紧时的变形较小，同时可以铣工件的端面，使一部分切削力互相抵消，易于得到平面度较好的平面。同时，由于是以对称面定位，毛坯在加工后的外形偏差也比较小，但是，难以夹紧。图（3—2）连杆的定位3.3.3确定合理的夹紧方案既然连杆是一个刚性比较差的工件，就应该十分注意夹紧力的大小，作用力的方向及着力点的选择，避免因受夹紧力的作用而产生变形，以影响加工精度。在加工连杆的夹具中，可以看出设计人员注意了夹紧力的作用方向和着力点的选择。在粗铣两端面的夹具中，夹紧力的方向与端面平行，在夹紧力的作用方向上，大头端部与小头端部的刚性高，变形小，既使有一些变形，亦产生在平行于端面的方向上，很少或不会影响端面的平面度。夹紧力通过工件直接作用在定位元件上，可避免工件产生弯曲或扭转变形。在加工大小头孔工序中，主要夹紧力垂直作用于大头端面上，并由定位元件承受，以保证所加工孔的圆度。在精镗大小头孔时，只以大平面（基面）定位，并且只夹紧大头这一端。小头一端以假销定位后，用螺钉在另一侧面夹紧。小头一端不在端面上定位夹紧，避免可能产生的变形。3.3.4各孔及面的加工第四章对工艺规程部分工序的说明10工序：设备为X52K，在铣平面时，先以一个平面为基准，铣另一个平面。等该平面加工好后，再翻过来，以加工好的平面为基准，加工另一平面，此平面用作后道工序的基准平面。15工序：设备为M7350，主要是对上一道工序中加工的平面进一步磨削加工，以上一道工序最后加工出来的面为定位基准磨另一平面。在加工过程中，多翻转几次，保证零件中心对称。20工序：设备为Z3080，工序内容为钻、扩、铰小头孔，先钻Φ20mm。在钻的时候要注意定位，不能引偏，否则可能使工件报废。在扩小头孔至Ф29.09mm，最后铰小头孔到Ф29.49mm。25工序：设备为X62W铣大头两侧面，零件在装卡时要注意平行度，否则会使大头两侧面倾斜，因此该道工序中零件的装卡很重要。30工序：镗大头孔，设备为T716，加工尺寸为Φ64mm。35工序：切开连杆体和上盖，设备为X6132。当加工完成之后，一定要给连杆体和连杆盖编上号，目的是防止后面组装连杆体和连杆盖时出错。40工序：铣连杆体和连杆盖结合面，设备为X62W。45工序：磨连杆体和连杆盖结合面，设备为M7350。50工序：铣连杆体和连杆盖的轴瓦锁口槽，设备X62W。55工序：铣连杆体和连杆盖上的螺栓座面，设备为X62W。60工序：钻螺栓孔，设备为Z3050，钻孔时注意不要引偏。65工序：扩螺栓孔，设备为Z3050，先扩2—Ф12.2mm螺栓孔，再扩2—Ф13mm深10mm螺栓孔。70工序：螺栓孔倒角。75工序：装配之前在30道工序切开并编号的连杆体和连杆盖，用螺栓螺母紧固起来，扭紧力矩为98-118N.m。该工序的目的是为以后连杆的精加工做准备。80工序：镗大头孔，设备为T716，定位有底平面，侧面和小头孔。在保证孔尺寸的同时，还要保证孔中心距。85工序：大头孔倒角。90工序：精磨大小头两平面，此道工序是大小头端面加工的最后一道工序，因此，在保证尺寸，粗糙度的同时，还有保证中心对称。95工序：钻小头油孔。100工序：小头油孔倒角90°。105工序：压铜套孔，设备为压床。110工序：铜套孔两端倒角。115工序：镗大小头孔，设备为T2115。该工序为精加工，而且是镗大头孔和小头孔，因此大小孔尺寸和孔中心距以及表面粗糙度都要保证。130工序：该工序为珩磨大小头孔，属于精加工，也是最后一道保证大小头孔尺寸，粗糙度，和孔中心距的工序。夹具设计和分析设计夹具时，应该满足以下几条基本要求：（1）保证工件的加工精度要求，即在机械加工工艺系统中，夹具要满足以下三项要求：工件在夹具中的正确定位；夹具在机床上的正确位置；刀具的正确位置。（2）保证工人的操作方便、安全。（3）达到加工的生产率要求。（4）满足夹具一定的使用寿命和经济性要求。5.1扩大头孔的方法和要求扩孔的加工方法很多，可以在车床上加工，可以在钻床上直接利用扩孔钻加工，可以在铣床上加工，也可以在镗床上加工。由连杆工作图可知，连杆材料为45钢，年产量20万件。根据指导老师的要求，需设计第80道工序镗大头孔（镗孔也属于扩孔的一种）夹具。根据工序要求，需限制的自由度有：、、、、。为了提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动强度，需要设计专用夹具。主要目的是镗大头孔至Φ65mm，表面粗糙度要求3.2μm，大小孔中心距要求190±0.13mm。由于本工序是半精加工，在加工本道工序时，主要应考虑如何提高劳动生产率，降低劳动强度。5.2定位基准和夹紧方案由零件图可知，在粗加工大头孔之前，连杆的两个端面，小头孔及大头孔的两侧面都已加工，且表面粗糙度要求较高。为了使定位误差减小，按基准重合原则选Φ29.49h7定位销与基面为定位基准，定位销限制工件两个自由度和，基面限制工件三个自由度,，，大头孔的外侧面限制工件1个自由度，属完全定位。由于生产批量大，为了提高加工效率，缩短辅助时间，准备采用手动夹紧方式，采用了常用的手动齿轮啮合锁紧装置，装卸工件方便、迅速。由于所加工的零件比较小，夹具的夹紧力与加工零件时的轴向力方向相同，为了装卸工件方便，采用手动夹紧方案。加工的大头孔为通孔，沿Z方向的位移自由度可不予限制，但实际上以工件的端面定位时，必须限制该方向上的自由度。故应按完全定位设计夹具。该夹紧装置由夹具体、轴齿轮、齿条轴杆、压板和衬套所组成。使用时，转动手柄，经过齿轮齿条的传动使压板和衬套向下移动，便能将工件夹紧或松开。同时齿轮齿条之间又具有自锁，可以起到放松作用，结构简单，操作方便。5.3夹具的设计由上述条件知道该镗孔夹具应该具备的定位键有小头孔的定位销钉、固定大小头平面的压板和支架，还有固定一侧面的压紧螺钉。除了定位键，还有夹紧装置。镗孔夹具图如下图：图（5—1）夹具图其中定位元件有：圆柱定位销、垫块、定位销、支架。夹紧装置包括：轴齿轮、齿条轴杆、压板、手柄、螺钉、螺母。采用齿轮齿条自锁手动加紧方式，简化了夹具的夹紧结构，而且提高了装卸速度。5.4夹具体设计夹具体是将夹具上各种装置和元件连接成一个整体的最大、最复杂的基础件。夹具体的形状和尺寸取决于夹具上各种装置的布置以及夹具与机床的连接，而且在零件的加工过程中，夹具还要承受夹紧力、切削力以及由此产生的冲击和振动，因此，夹具体必须具有必要的强度和刚度。切削加工过程中产生的切屑有一部分还会落在夹具体上，切屑聚集过多会影响工件的定位和夹紧，因此设计夹具体时，必须考虑其结构应便于排屑。此外，及具体结构的工艺性、经济性以及操作和装拆的便捷性等等，在设计时也都必须认真加以考虑。镗孔夹具体设计结构如图5-2。图（5—2）夹具体主视图和俯视图夹具体毛坯的制造方法，通常根据工序加工情况和工厂生产情况确定。一般有四类：铸造夹具体，其特点是能铸造出各种复杂的形状，工艺性好，有较好的强度、刚度和抗振性。但是生产成本高，生产周期长。用于切削力较大，工艺系统刚度不足或工件要求精度高的夹具体。焊接夹具体，特点是制造方便，成本低。缺点是工艺性差。适用于夹具体形状简单，零件精度要求一般，切削力不大的场合。锻造夹具体，用于形状简单，尺寸不大，要求强度和刚度大的夹具体。装配夹具体，特点是制造成本低，周期短，精度稳定。由于该夹具体形状复杂，所以用铸造方法得到。5.5切削力及夹紧力的计算由于本工序要求半精镗加工大头孔，所以需要对夹具的稳定性进行计算，稳定性计算主要内容是切削力与夹紧力的计算。5.5.1切削力的计算刀具材料选高速钢，刀具主偏角为45°，前角为10°，刃倾角为5°，刀尖圆弧半径为2mm,背吃刀量取0.5mm，进给量取2mm。工件材料是45号钢，其为600MPa.根据（《现代机床夹具设计》吴拓主编）表4—18查得：镗孔时的圆周分力镗孔时的径向分力镗孔时的轴向分力其中,根据刀具参数差得，，，各值如下表：表5—1名称1.01.01.01.01.01.01.01.250.851.01.01.0根据工件材料取得，其中n的取值如下表：表5—2名称n0.352.01.5由上述数据求得个切削分力为=1297N=1016N=266N从而切削合力为：==1669N5.5.2夹紧力的计算由上述内容可以知道，三个切削分力的大小。但是由于三种力各自的作用不同，是校验和选择机床功率，校验和设计机床主运动机构、刀具和夹具强度和刚性的主要依据；在加工工艺系统刚性差，例如在纵车细长轴、镗孔和机床主轴承载间隙较大的情况下，是顶弯工件、刀具、引起振动，影响加工精度、表面粗糙度的主要因素；是校验进给机构强度的主要依据。由于本工序是镗孔，半精加工，需要对夹具稳定性计算，而影响夹具稳定性的主要因素是，因此在计算夹紧力时，是主要切削力。根据夹具结构查《现代机床夹具设计》（吴拓主编）表4—21知夹紧力计算公式为：安全系数式中：基本安全系数；取1.5加工性质系数；取1.1刀具钝化系数；取1.5连续切削系数；取1.0手动加紧系数；取1.3手柄位置系数；取1.0支撑面接触系数；取1.0则==3.22从而==3272N5.6夹具精度分析在夹具结构方案确定及总图设计完之后，还应对夹具精度进行分析和计算，以确保设计的夹具能满足工件的加工要求。造成被加工表面位置误差的影响因素大致可分为五种分别是：定基误差（）、定位误差（）、夹紧误差（）、安装误差（），加工误差（）。他们在原始尺寸方向上的总和应小于该尺寸的公差，即满足下列不等式：连杆要加工的孔如图所示，下面将进行有关误差的分析和校核。对影响尺寸190±0.13mm的误差分析。1）定基误差。由于基准重合，所以定基误差=0。2）定位误差。因圆柱销定位，定位误差