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1、序言机械制造工艺学课程设计是在我们学习完了大学的全部基础课、技术基础课以及大部分专业课之后进行的一门课程设计。目的是让我们更好地巩固和学习以往学过的和没学过的知识，并达到可以及早的应用好它们。本设计说明书将就连杆的加工工艺以及连杆大头端的外圆弧面的加工，为该部分的加工设计出专用的加工夹具。在节省时间，节省成本的基础上，设计出相对最为合理的专用夹具。由于能力和知识面的局限，设计还有许多不足，敬请指教。目 录1零件的分析31.1零件的作用31.2零件的工艺分析31.2.1连杆大小端孔的尺寸精度、形状精度41.2.2连杆大小端孔的中心线在两个互相垂直方向的平行度41.2.3连杆大小端孔的中心距41.
2、2.4连杆大端两端面对大头孔中心线的垂直度41.2.5连杆大小端两端面的技术要求41.2.6螺栓孔的技术要求51.2.7结合面的技术要求52工艺规程设计52.1确定毛坯的制造形式52.2基面的选择52.2.1粗基准的选择62.2.2精基准的选择62.3制定工艺路线62.4机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定92 .4.1 粗车外圆表面92.4.1粗车外圆表面112.5确定车连杆大头外侧圆弧面切削用量及基本工时122.5.1加工条件122.5.2计算切削用量及基本工时133夹具设计163.1问题的提出163.2定位基准的选择163.3切削力及夹紧力计算173.3.1粗车外圆弧面时的切削力及夹紧
3、力计算173.3.2粗车外圆弧面时的切削力及夹紧力计算183.4对刀块203.5定位误差分析203.5夹具结构及操作介绍203.5.1夹具的结构203.5.2夹具的操作介绍203.6本设计的优缺点20附件23 正文1零件的分析连杆的零件图见附图一“连杆”和“连杆盖（柴油机）”。1.1零件的作用连杆是汽车发动机中的主要传动部件之一，是连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件。连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件。例如在往复活塞式动力机械和压缩机中，用连杆来连接活塞与曲柄。连杆多为钢件，其主体部分的截面多为圆形或工字形，两端有孔，孔内装有青铜衬套或滚针轴承，
4、供装入轴销而构成铰接。 连杆是汽车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。因此，连杆在一个复杂的应力状态下工作。它既受交变的拉压应力、又受弯曲应力。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，同时又压缩汽缸内气体。1.2零件的工艺分析连
5、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。连杆零件为杆类零件，其结构特点：（1）大小头端面对称分布在连杆中截面的两侧;（2）精度要求高；（3）加工部位多；（4）其加工面主要是两端面面和大小头孔。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。1.2.1连杆大小端孔的尺寸精度、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
6、。大头孔公差等级为IT7，表面粗糙度Ra应不大于；大头孔的圆柱度和锥度公差为0.012 mm，小头孔公差等级为IT8，表面粗糙度Ra应不大于；大头孔的圆柱度和锥度公差为0.014 mm。 1.2.2连杆大小端孔的中心线在两个互相垂直方向的平行度两孔轴心线在连杆轴线方向的平行度误差会使活塞在汽缸中倾斜，从而造成汽缸壁磨损不均匀，同时使曲轴的连杆轴颈产生边缘磨损，所以两孔轴心线在连杆轴线方向的平行度公差较小；而两孔轴心线在垂直于连杆轴线方向的平行度误差对不均匀磨损影响较小，因而其公差值较大。因此，（1）、连杆大小端孔的中心线的不平行度允许误差为0.03：100；（2）、连杆大小端的中心线应在同一平
7、面上；其平面度允许误差为0.06：100。1.2.3连杆大小端孔的中心距连杆大小端孔的中心距大小会影响到汽缸的压缩比，即影响到发动机的效率，所以规定了比较高的要求，即连杆大小端孔的中心距为2000.03 mm。1.2.4连杆大端两端面对大头孔中心线的垂直度连杆大端两端面对大头孔中心线的垂直度，影响到轴瓦的安装和磨损，甚至引起烧伤，所以此处也有一定的垂直度要求；规定连杆大端剖分面对大端孔中心线的不平行度以及对连杆纵向中心线的不垂直度允差0.3:100。1.2.5连杆大小端两端面的技术要求连杆大小端两端面间距离的基本尺寸相同，但从技术要求是不同的，由于连杆大头端两端面与曲轴连杆轴颈两轴肩端面间有配
8、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。所以大头两端面的尺寸公差等级为IT9，表面粗糙度Ra不大于， 小头两端面的表面粗糙度Ra不大于。1.2.6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IT7级公差等级加工，表面粗糙度Ra应不大于；两螺栓孔在大头孔剖分面的对称度公差为0.15 mm。1.2.7结合面的技术要求在连杆受动载荷时，对口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
9、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0.02 mm。2工艺规程设计2.1确定毛坯的制造形式 零件材料为45钢。考虑到汽车在运行过程中要经常加速及正、反向行驶，零件在工作过程中则经常承受交变载荷及冲击载荷，因此应该选用锻件，以使金属纤维尽量不被切断，保证零件工作可靠。由于零件为大批生产，而且零件的轮廓尺寸不大，故可采用模锻成型。这是从提高生产率、保证加工精度等因素上考虑的。2.2基面的选择 基面选择是工艺规程设计中的重要工作之一。基面选择的正确与合理，可以使加工
10、质量得到保证，生产率得以提高。否则，加工工艺过程中会问题百出，更有甚者，还会造成零件大批报废，使生产无法正常进行。2.2.1粗基准的选择第一道工序为粗铣连杆两端面。由于零件大小头端面距离尺寸不等，因而毛坯大小头端面距离尺寸也不相等。所以，粗铣连杆大头端面时，以连杆大头一端面作基准，加工大头另一端面；同理，粗铣连杆小头端面时，以连杆小头一端面作基准，加工小头另一端面。连杆的其他位置的加工是依照这两个端面为基准依次加工而出的。2.2.2精基准的选择主要应该考虑基准重合的问题。当设计基准与工序基准不重合时，应该进行尺寸换算，这在以后还要专门计算，此次不再重复。本设计说明书是车连杆大头外侧圆弧面夹具设
11、计说明书，专门介绍车连杆大头外侧圆弧面的，所以此处的精基准的选择是指加工连杆大头外侧圆弧面的精基准的选择。这里选择连杆的中心线为精基准。2.3制定工艺路线 制定工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证。在生成纲领已确定为大批生产的条件下，可以考虑采用万能性机床配以专用夹具，并尽量使工序集中来提高生产率。除此之外，还应当考虑经济效益，以便使生产成本尽量下降。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两螺栓孔定位面，次要加工表面为轴瓦锁口槽、油槽、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
12、加工来安排的。连杆的加工路线按连杆的分合可分为三个加工阶段。（1）连杆体和盖切开之前的加工。这个阶段主要是为以后的加工准备精基准（端面、小头孔和大头外侧圆弧面)；并把一些加工表面切去大部分的余量，以便使毛坯制造和粗加工中产生的内应力有较长的稳定时间，减少由内应力引起的变形所产生的误差。（2）连杆体和盖切开后的加工。这个阶段主要是粗加工大头孔，粗精加工螺栓孔和结合面，加工轴瓦锁口槽等，为连杆体和盖合装后的加工创造条件。（3）连杆体和盖合装后的加工。这个阶段则主要是最终保证连杆各项技术要求的加工，包括重新修整基准面（如大、小头端面）、主要表面（如大、小头孔）的半精加工和精加工。如果按连杆合装前后来
13、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。连杆的加工路线确定如下：1. 工艺路线方案一工序1粗铣、半精铣、精铣连杆两端面工序2粗镗大头孔，钻小头孔工序3铣孔倒角工序4热处理（调质处理HB240293）工序5表面抛（喷）丸工序6磁力探伤并退磁工序7精铣两端面工序8粗磨两端面工序9铣两倒角工序10粗镗大小头孔工序11车连杆大头外圆（94和89.8两外圆）工序12刻字，铣开连杆体和连杆盖工序13钻、扩、铰螺栓孔工序14精磨连杆体和连杆盖接合面（同时加工）工序15镗连杆盖内圆面工序16去毛刺，安装连杆体和连杆盖，上工艺螺丝工序17车大头倒角工序
14、18精磨内侧平面工序19半精镗大小头孔工序20精镗大小头孔工序21小头压入铜套工序22铣油坑（槽）工序23精镗铜套工序24珩磨大头孔工序25拆工艺螺栓、螺母工序26铣定位坑（槽）工序27车小头工序28去毛刺，锐边及螺栓孔倒角工序29总检工序30涂油入库2. 工艺路线方案二工序1粗铣、半精铣、精铣连杆两端面工序2粗镗大头孔，钻小头孔工序3铣孔倒角工序4热处理（调质处理HB240293）工序5表面抛（喷）丸工序6磁力探伤并退磁工序7精铣两端面工序8粗磨两端面工序9铣两倒角工序10粗镗大小头孔工序11车连杆大头外圆（94和89.8两外圆）工序12刻字，铣开连杆体和连杆盖工序13精磨连杆体和连杆盖接合
15、面（同时加工）工序14去毛刺工序15 钻、扩、铰螺栓孔工序16镗连杆盖内圆面工序17去毛刺，安装连杆体和连杆盖，上工艺螺丝工序18车大头倒角工序19精磨内侧平面工序20半精镗大小头孔工序21精镗大小头孔工序22小头压入铜套工序23铣油坑（槽）工序24精镗铜套工序25珩磨大头孔工序26拆工艺螺栓、螺母工序27铣定位坑（槽）工序28车小头工序29去毛刺，锐边及螺栓孔倒角工序30总检工序31涂油入库3. 工艺方案的比较与分析上述两个工艺方案的区别在于连杆体和盖切开后是先加工螺栓孔，还是先模结合面。其中工艺方案一则方便于保证结合面同时与连杆中心线与连杆大头端孔的中心线垂直；工艺方案二则方便于保证连杆体
16、和连杆盖的螺栓孔的中心线重合。由于连杆在工作是会受交变应力的影响，在连杆体和连杆盖的连接处容易受损，而保证结合面同时与连杆中心线与连杆大头端孔的中心线垂直可以降低连杆体和连杆盖的连接处受交变应力的影响，所以选择工艺方案一。详见附件二“机械加工工艺过程卡”。2.4机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定连杆零件材料为45#钢，硬度，毛坯重量约为3.54kg，生产类型为大批生产，采用在锻锤上合模模锻毛坯。工序11 粗车连杆大头外侧圆弧面。（因为加工后连杆大头外侧圆弧面的表面粗糙度Ra不大于。）2 .4.1 粗车外圆表面（1）查机械制造工艺设计简明手册（以下简称工艺手册）表2.2-25，取加工精度，锻
17、件复杂系数，锻件重3.54kg，则连杆大头外侧圆弧面的单边加工余量为2.02.5，取Z=2mm。锻件公差按工艺手册表2.2-14，材质系数取，复杂系数，则锻件的偏差为。由于表面的偏差为，且表面只需粗加工，所以粗车的公称余量（单边）为：。粗车公差：现规定本工序（粗车）的加工精度为IT12级，因此可知本工序的加工公差为-0.23mm，尺寸为（入体方向）。所以：所以此处毛胚的尺寸为，取整为。连杆大头外侧圆弧面尺寸加工余量和工序间余量及公差分布图见图2-2。图2-2 连杆大头外侧圆弧面工序间尺寸公差分布图（调整法） 毛坯名义尺寸：； 毛坯最大尺寸：；毛坯最小尺寸：。2.4.1粗车外圆表面查机械制造工艺
18、设计简明手册（以下简称工艺手册）表2.2-25，取加工精度，锻件复杂系数，锻件重3.54kg，则连杆大头外侧圆弧面的单边加工余量为22.5mm，取Z=2mm。锻件公差按工艺手册表2.2-14，材质系数取，复杂系数，则锻件的偏差为。由于94mm表面为自由尺寸公差，且表面只需粗加工，所以粗车的公称余量（单边）为：。所以此处毛胚的尺寸为。连杆大头外侧圆弧面尺寸加工余量和工序间余量及公差分布图见图2-2。图2-2 连杆大头外侧圆弧面工序间尺寸公差分布图（调整法） 毛坯名义尺寸：； 毛坯最大尺寸：；毛坯最小尺寸：。最后，将上述计算的工序间尺寸及公差整理成表2-1。表2-1 加工余量计算表(单位：) 工序
19、加工尺寸及公差粗车外圆表面粗车94mm外圆表面加工前尺寸最大96.4100.2最小92.497加工后尺寸最大89.6896最小89.4596加工余量（单边）最大3.352.1最小1.4750.5加工公差（单边）2.5确定车连杆大头外侧圆弧面切削用量及基本工时2.5.1加工条件工件材料：45#钢正火，243290HBS，模锻。加工要求：粗车和外圆表面，精度等级IT12，表面粗糙度 Ra不大于12.5。机床：C620-1卧式车床。选择刀具：刀片材料YT15硬质合金，车刀几何形状为（见切削手册表1.3）：刀杆尺寸， ，。2.5.2计算切削用量及基本工时1）粗车外圆表面（1）切削深度：粗车单边余量Z=
20、（94-89.68）/2=2.16mm，可在一次走刀内切完。（2）进给量：根据切削手册表1.4， 。按C620-1车床说明书（切削手册表1.31）选择。（3）计算切削速度：见切削手册表1.27得：；其中，修正系数：；见切削手册表1.28得：；所以，。（4）确定主轴转速；按机床选取：；所以实际切削速度：。（5）检验机床功率：主切削力按切削手册表1.29所示公式计算；其中：，；所以，；切削时消耗功率为 ： ； 由切削手册表1.31可知，C620-1机床的主电动机功率为，所以机床功率足够，可以正常加工。（6）校验机床进给系统强度：已知主切削力，径向切削力按切削手册表1.29所示公式计算： ；其中：，
21、；所以， 。 而轴向切削力；其中：， ，；轴向切削力。取机床导轨与床鞍之间的摩擦系数，则切削力在纵向进给方向对进给机构的作用力为：。而机床纵向进给机构可承受的最大纵向力为3530N（见切削手册表1.31），故机床进给系统可正常工作。 （7）切削工时：；式中， 。查切削手册表1.26，车削时的入切量及超切量，则，所以：。2）粗车外圆表面（1）切削深度：粗车单边余量Z=2mm，可在一次走刀内切完。（2）进给量：根据切削手册表1.4， 。按C620-1车床说明书（切削手册表1.31）选择。（3）计算切削速度：见切削手册表1.27得：；其中，修正系数：；见切削手册表1.28得：；所以，。（4）确定主轴
22、转速；按机床选取：；所以实际切削速度：。（5）检验机床功率：主切削力按切削手册表1.29所示公式计算；其中：，；所以，；切削时消耗功率为 ： ； 由切削手册表1.31可知，C620-1机床的主电动机功率为，所以机床功率足够，可以正常加工。（6）校验机床进给系统强度：已知主切削力，径向切削力按切削手册表1.29所示公式计算： ；其中：，；所以， 。 而轴向切削力；其中：， ，；轴向切削力。取机床导轨与床鞍之间的摩擦系数，则切削力在纵向进给方向对进给机构的作用力为：。而机床纵向进给机构可承受的最大纵向力为3530N（见切削手册表1.31），故机床进给系统可正常工作。 （7）切削工时：；式中， 。查
23、切削手册表1.26，车削时的入切量及超切量，则，所以：。3）倒和外圆弧表面之间的30倒角采用30成型刀片，为了缩短辅助时间，取倒角时的主轴转速与粗车外圆是一样，n=380r/min，手动进给。3夹具设计3.1问题的提出 本夹具主要用来粗车和外圆表面，精度等级IT12，表面粗糙度 Ra不大于12.5。加工本道工序时，连杆大头两端面已经过粗铣和半精铣，小头端孔已铰孔至，大头端孔已粗镗至。本夹具将用于C620-1卧式车床，刀具为YT15硬质合金车刀。3.2定位基准的选择 由零件图可知，连杆大头端外侧和圆弧面的设计基准为连杆杆身中心对称线。本工序以连杆小头端孔、大头端孔以及连杆大头端面对工件完全定位，
24、采用螺旋夹紧。3.3切削力及夹紧力计算3.3.1粗车外圆弧面时的切削力及夹紧力计算1）主切削力按切削手册表1.29所示公式计算；其中：，；所以，。2）径向切削力按切削手册表1.29所示公式计算： ；其中：，；所以， 。3）轴向切削力按切削手册表1.29所示公式计算：；其中：， ，；轴向切削力 4）在计算切削力时，必须把安全系数考虑在内。安全系数。 其中：为基本安全系数1.5；为加工性质系数1.1；为刀具钝化系数1.1；为断续切削系数1.1。取机床导轨与床鞍之间的摩擦系数，则切削力在纵向进给方向对进给机构的作用力为5）为克服切削时的纵向作用力，实际夹紧力N应为；其中为夹具中圆柱销对连杆大头端孔内
25、圆柱面的作用力，为夹紧面上的摩擦系数，查机床夹具设计手册表1-2-12，取。 当时，所需夹紧力最大，此时。但由于实际加工中定位挡板提供很大的作用力来平衡切削力，故夹紧力可取。3.3.2粗车外圆弧面时的切削力及夹紧力计算1）主切削力主切削力按切削手册表1.29所示公式计算；其中：，；所以，。2）径向切削力径向切削力按切削手册表1.29所示公式计算： ；其中：，；所以， 。3）轴向切削力按切削手册表1.29所示公式计算：；其中：， ，；轴向切削力。 4）在计算切削力时，必须把安全系数考虑在内。安全系数。 其中：为基本安全系数1.5；为加工性质系数1.1；为刀具钝化系数1.1；为断续切削系数1.1。
26、取机床导轨与床鞍之间的摩擦系数，则切削力在纵向进给方向对进给机构的作用力为：5）为克服切削时的纵向作用力，实际夹紧力N应为；其中为夹具中圆柱销对连杆大头端孔内圆柱面的作用力，为夹紧面上的摩擦系数，查机床夹具设计手册表1-2-12，取。 当时，所需夹紧力最大，此时。但由于实际加工中定位挡板提供很大的作用力来平衡切削力，故夹紧力可取。3.4对刀块在夹具的用顶尖顶住的一端加多一个以顶尖孔中心线为中心线的圆柱作为对到快，以达到工件加工时的定位。3.5定位误差分析定位元件尺寸及公差的确定。夹具的主要定位元件为一个菱形销、一个圆柱销和一个定位挡板。连杆小头端孔与菱形销的配合为，连杆大头端孔和圆柱销的配合为
27、，定位挡板主要限制工件沿轴线方向的位移，对其尺寸误差对工序尺寸没有影响。 对于工序尺寸和，其工序基准与定位基准重合，所以。由公差配合表知：连杆小头端孔 ；菱形销连杆大头端孔 ；圆柱销则定位误差。所以该夹具可行。3.5夹具结构及操作介绍3.5.1夹具的结构本夹具的夹具体可一端直接装在车床主轴法兰上随主轴一同旋转，另一端装在顶尖上。为保证夹具工作平稳，使用配重块的方法进行平衡。夹具采用螺旋夹紧机构，易于制造，增力比大，自锁性能好。其三维图如下图所示。图3、专用夹具三维图3.5.2夹具的操作介绍图3所示的专用夹具中的螺栓1、螺栓3和螺栓5均可旋松；旋松后，车床专用夹具顶板将可绕螺栓1转动90，从而可
28、以装上工件或卸下工件。装上工件，旋紧螺栓1和螺栓5后，需要在旋紧螺栓3，这样才能保证工件在加工时，不会因为随主轴的旋转而移动。3.6本设计的优缺点本夹具的优点是便于使用，无需借用其他工具就可以安装在机床上加工，而且夹具中的各个零件的加工工艺简单，装配起来也很简单。与此同时，它也有不可避免的缺点，例如，当连杆大端的外圆弧面的精度等级比较高时，该夹具将要改变很大才能使用；而且，用该夹具加工时，连杆的上下的对称度将会很差。参 考 文 献1 王先逵.机械制造工艺学.第2版.北京：机械工业出版社，2006.12 胡凤兰.互换性与技术测量基础.第二版.北京：高等教育出版社，2010.83 赵家齐.机械制造
29、工艺学课程设计指导书.第2版. 北京：机械工业出版社，2000.104 艾兴，肖诗纲.切削用量简明手册.第3版.北京：机械工业出版社，1994.75 李益民.机械制造工艺设计简明手册.北京：机械工业出版社，1994.76 李洪.机械加工工艺手册.北京：北京出版社，1998.127 王光斗，王春福.机床夹具设计手册.第3版.上海：上海科学技术出版社。2000.118 孙丽媛.机械制造工艺及专用夹具设计指导.北京：冶金工艺出版社。2002.12附件附件一：连杆体和连杆盖零件图；附件二：机械加工工艺过程卡；附件三：零件加工工艺设计表；附件四：车连杆大头外侧圆弧面机械加工工序图；附件五：连杆零件毛胚图；附件六：车床专用夹具的重要零件图；附件七：车床专用夹具的装配图。
