连杆夹具设计说明书

第一章柴油机连杆加工工艺

1.1 连杆的结构特点

连杆由连杆体及连杆盖两部分组成。连杆体和连杆盖上的大头孔用螺栓和螺母与曲轴装配在一起。为了减少惯性力的影响，在保证连杆有足够的强度和刚度的前提下，要尽可能的减轻其重量，所以连杆采用了从大头到小头逐步变小的“工”字型截面形状。

连杆的形状复杂而不规则，而孔本身及孔与平面之间的位置精度要求较高：杆身断面不大，刚度较差，易变形，如图（1—1）所示。

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。

1.2 连杆的主要技术要求

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。

1.2.1 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一般在0.004~0.008mm之间。小头孔公差等级为IT8，表面粗糙度Ra应不大于3.2μm。

1.2.2 大、小头孔轴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。两孔轴心线在连杆的轴线方向的平行度在100 mm长度上公差为0.02—0.04 mm；在垂直与连杆轴心线方向的平行度在100 mm长度上公差为0.04—0.06 mm。

1.2.3 大、小头孔中心距

大小头孔的中心距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：280±0.03 mm。

1.2.4 连杆大头孔两端面对大头孔中心线的垂直度

连杆大头孔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；所以对它也提出了一定的要求。

1.2.5 大、小头孔两端面的技术要求

连杆大、小头孔两端面间距离的基本尺寸相同，但从技术要求是不同的，大头两端面的尺寸公差等级为IT9，表面粗糙度Ra不大于0.8μm, 小头两端面的尺寸公差等级为IT12，表面粗糙度Ra不大于6.3μm。这是因为连杆大头两端面与曲轴连杆轴颈两轴肩端面间有配合要求，而连杆小头两端面与活塞销孔座内档之间没有配合要求。连杆大头端面间距离尺寸的公差带正好落在连杆小头端面间距离尺寸的公差带中，这给连杆的加工带来许多方便。

1.2.6 有关结合面的技术要求

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0.025 mm。

1.3连杆的材料和毛坯

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。

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。

1.4连杆的机械加工工艺过程

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。

连杆体机械加工工艺过程如下表(1—1)所示：

杆盖机械加工工艺过程如下表(1—2)所示

连杆合件加工工艺过程如下表(1—3)所示：

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，次要加工表面为轴瓦锁口槽、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。连杆的加工路线按连杆的分合可分为三个阶段：第一阶段为连杆体和盖切开之前的加工；第二阶段为连杆体和盖切开后的加工；第三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（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。

1.5 连杆的机械加工工艺过程分析

1.5.1 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）两端面：粗铣、精铣、粗磨、精磨

（2）小头孔：钻孔、扩孔、铰孔、精镗、压入衬套后再精镗

（3）大头孔：扩孔、粗镗、半精镗、精镗、金刚镗、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。

1.5.2 定位基准的选择

连杆加工工艺过程大部分工序都采用统一的定位基准：一个端面、小头孔及工艺凸台。这样有利于保证连杆的加工精度，而且端面的面积大，定位也较稳定。其中，端面、小头孔作为定位基准，也符合基准重合原则。

由于连杆的的外形不规则，为了定位需要，在连杆体大头处作出工艺凸台（俗称工艺搭子面），作为辅助基面。

连杆大、小端面对称分布在杆身的两侧，由于大、小头孔厚度不等，所以大头端面与同侧小头端面不在一个平面上，这样的端面作为定位基准显然是不利的。为了避免用阶梯面定位产生定位误差，拟定工艺规程时，先把大、小头做成一样的的厚度，这样不仅避免了上述缺点，而且加大了定位面积，增加了定位稳定性。在加工的最后阶段才铣出这个阶梯面。用端面定位安装工件时，注意将厂标号及件好标记的一面不与家具的定位元件接触。

在精镗小头孔及小头活塞销轴承孔时，用小头孔（轴承孔）作为定位基准，这是精加工中自身定位的典型例子。将定位销做成活动的，当连杆定加紧后，定位西销从小头孔抽出。精镗大、小头孔时，用大头端面起主要定位作用，有利于保证大头孔与端面的垂直度要求，而精镗小头轴承时，大头孔用可涨心轴起主要定位足以，有利于保证大、小头孔轴线的平行度。

1.5.3 确定合理的夹紧方法

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。

1.5.4 连杆两端面的加工

采用粗铣、精铣、粗磨、精磨四道工序，并将精磨工序安排在精加工大、小头孔之前，以便改善基面的平面度，提高孔的加工精度。粗磨在转盘磨床上，使用砂瓦拼成的砂轮端面磨削。这种方法的生产率较高。精磨在M7130型平面磨床上用砂轮的周边磨削，这种办法的生产率低一些，但精度较高。

1.5.5 连杆大、小头孔的加工

连杆大、小头孔的加工是连杆机械加工的重要工序，它的加工精度对连杆质量有较大的影响。

小头孔是定位基面，在用作定位基面之前，它经过了钻、扩、铰三道工序。钻时以小头孔外形定位，这样可以保证加工后的孔与外圆的同轴度误差较小。

小头孔在钻、扩、铰后，在金刚镗床上与大头孔同时精镗，达到IT6级公差等级，然后压入衬套，再以衬套内孔定位精镗大头孔。由于衬套的内孔与外圆存在同轴度误差，这种定位方法有可能使精镗后的衬套孔与大头孔的中心距超差。

大头孔经过扩、粗镗、半精镗、精镗、金刚镗和珩磨达到IT6级公差等级。表面粗糙度Ra 为0.4μm，大头孔的加工方法是在铣开工序后，将连杆与连杆体组合在一起，然后进行精镗大头孔的工序。这样，在铣开以后可能产生的变形，可以在最后精镗工序中得到修正，以保证孔的形状精度。

1.5.6 大头侧面的加工

以基面及小头孔定位，它用一个圆销（小头孔）。装夹工件铣两侧面至尺寸，保证对称（此对称平面为工艺用基准面）。

1.6 连杆加工工艺设计应考虑的问题

1.6.1工序安排

连杆加工工序安排应注意两个影响精度的因素：（1）连杆的刚度比较低，在外力作用下容易变形；（2）连杆是模锻件，孔的加工余量大，切削时会产生较大的残余内应力。因此在连杆加工工艺中，各主要表面的粗精加工工序一定要分开。

1.6.2定位基准

精基准：以杆身对称面定位，便于保证对称度的要求，而且采用双面铣，可使部分切削力抵消。

统一精基准：以大小头端面，小头孔、大头孔一侧面定位。因为端面的面积大，定位稳定可靠；用小头孔定位可直接控制大小头孔的中心距。

1.7 切削用量的选择原则

正确地选择切削用量，对提高切削效率，保证必要的刀具耐用度和经济性，保证加工质量，具有重要的作用。

1.7.1 粗加工时切削用量的选择原则

粗加工时加工精度与表面粗糙度要求不高,毛坯余量较大。因此，选择粗加工的切削用量时，要尽可能保证较高的单位时间金属切削量（金属切除率）和必要的刀具耐用度，以提高生产效率和降低加工成本。

金属切除率可以用下式计算：

Z w≈V.f.a p.1000

式中：Z w单位时间内的金属切除量（mm3/s）

V切削速度（m/s）

f 进给量（mm/r）

a p切削深度（mm）

1）切削深度的选择：

粗加工时切削深度应根据工件的加工余量和由机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统的刚性来确定。在保留半精加工、精加工必要余量的前提下，应当尽量将粗加工余量一次切除。只有当总加工余量太大，一次切不完时，才考虑分几次走刀。

2）进给量的选择：

粗加工时限制进给量提高的因素主要是切削力。因此，进给量应根据工艺系统的刚性和强度来确定。选择进给量时应考虑到机床进给机构的强度、刀杆尺寸、刀片厚度、工件的直径和长度等。在工艺系统的刚性和强度好的情况下，可选用大一些的进给量；在刚性和强度较差的情况下，应适当减小进给量。

3）切削速度的选择：

粗加工时，切削速度主要受刀具耐用度和机床功率的限制。切削深度、进给量和切削速度三者决定了切削功率，在确定切削速度时必须考虑到机床的许用功率。如超过了机床的许用功率，则应适当降低切削速度。

1.7.2 精加工时切削用量的选择原则

精加工时加工精度和表面质量要求较高，加工余量要小且均匀。因此，

选择精加工的切削用量时应先考虑如何保证加工质量，并在此基础上尽量提高生产效率。

1）切削深度的选择：

精加工时的切削深度应根据粗加工留下的余量确定。通常希望精加工余量不要留得太大，否则，当吃刀深度较大时，切削力增加较显著，影响加工质量。

2）进给量的选择：

精加工时限制进给量提高的主要因素是表面粗糙度。进给量增大时，虽有利于断屑，但残留面积高度增大，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。

由此可见，精加工时选用较小的吃刀深度a p和进给量f，并在保证合理刀具耐用度的前提下，选取尽可能高的切削速度V，以保证加工精度和表面质量，同时满足生产率的要求。

1.8 确定各工序的加工余量、计算工序尺寸及公差

1.8.1 确定加工余量

用查表法确定机械加工余量：

（根据《机械加工工艺手册》第一卷表3.2—25 表3.2—26 表3.2—27）（1）、平面加工的工序余量（mm）

则连杆两端面总的加工余量为：

A总=

2 1

?∑

=

n

i

i

A

=（A粗铣+A精铣+A粗磨+A精磨）?2

=（0.85+0.65+0.15+0.1）?2

=3.5mm

（2）、连杆铸造出来的总的厚度为H=65+3.5 =68.5mm

1.8.2 确定工序尺寸及其公差

（根据《机械制造技术基础课程设计指导教程》表2—29 表2—34）1）、大头孔各工序尺寸及其公差（铸造出来的大头孔为Φ55 mm）

2）、小头孔各工序尺寸及其公差

（根据《机械制造技术基础课程设计指导教程》表2—29表2—30）

1.10.14精镗大头孔

选用镗床T2115

根据《机械制造工艺设计手册》表2.4—66选取数据

镗刀直径D = 65.4 mm 切削速度V = 0.20 m/s

进给量f = 0.2 mm/r 切削深度a

= 1 mm

p

根据表3.1—39 按机床选取n = 1000 r/min

镗削工时为：按表2.5—3

L = 65 mm L1 = 2.8 mm L2 =3. 5 mm

基本时间t j = Li/fn = (65+2.8+3.5)/(0.20×1000) = 0.3565min

1.11 连杆的检验

连杆在机械加工中要进行中间检验，加工完毕后要进行最终检验，检验项目按图纸上的技术要求进行。

1.11.1 观察外表缺陷及目测表面粗糙度

1.11.2 连杆大头孔圆柱度的检验

用量缸表，在大头孔内分三个断面测量其内径，每个断面测量两个方向，三个断面测量的最大值与最小值之差的一半即圆柱度。

1.11.3 连杆体、连杆上盖对大头孔中心线的对称度的检验

采用图（1－6）所示专用检具（用一平尺安装上百分表）。用结合面为定位基准分别测量连杆体、连杆上盖两个半圆的半径值，其差为对称度误差。

1.11.4 连杆大小头孔平行度的检验

如图（1—7）所示,将连杆大小头孔穿入专用心轴，在平台上用等高V形铁支撑连杆大头孔心轴，测量小头孔心轴在最高位置时两端面的差值，其差值的一半即为平行度。

图（1—7）大小头孔平行度的检验图

1.11.5 连杆螺钉孔与结合面垂直度的检验

制做专用垂直度检验心轴，其检测心轴直径公差，分三个尺寸段制做，配以不同公差的螺钉，检查其接触面积，一般在90%以上为合格，或配用塞尺检测，塞尺厚度的一半为垂直度公差值。

第二章夹具设计

2.1 精镗大、小头孔夹具设计

由连杆工作图可知，工件材料为45钢，年产量20万件。根据设计任务的要求，需设计一套精镗大、小头孔夹具设计，刀具为镗刀。

2.1.1问题的指出

本夹具主要用来精镗大、小头孔，其应满足各项要求，包括大头孔与轴瓦及曲轴、小头孔与活塞销能密切配合，以及两孔轴线在连杆轴线平面的平行度、在垂直于连杆轴线平面内的平行度要求；这两项技术要求对于结构钢性较差的连杆来说在制定工艺规程时要给与足够重视，以保证达到此项精度。

2.1.2 夹具设计

1) 定位基准的选择

由零件图可知，在精镗大小头孔之前，连杆的大、小头端面，小头孔及工艺凸台都已加工，且表面粗糙要求较高，为了使定位误差为零，按基准重合原则选大小头端面、小头孔及工艺凸台为定位基准。

2) 夹紧方案

由于零件小，所以采用开口垫圈的螺旋夹紧机构，装卸工件方便、迅速。

3) 夹具体设计

夹具体的作用是将定位、夹具装置连接成一体，并能正确安装在机床上，加工时，能承受一部分切削力。

夹具体为铸造件，安装稳定，刚度好，但制造周期较长。 4) 切削力及夹紧力的计算

切削力的计算：，由《组合机床》（表7-24）得：

P=242.02250a =242

.022250

=1902.538N

夹紧力的计算：由《机床夹具设计手册》（表1-2-25）得：

用扳手的六角螺母的夹紧力：M=12mm, P=1.75mm ，L=140mm,作用力：F=70N ，夹紧力：W0=5380N

由于夹紧力大于切削力，即本夹具可安全使用。

定位误差的计算: 由加工工序知，加工面为连杆的大小头孔。两孔轴心线在连杆的轴线方向的平行度在100 mm 长度上公差为0.02—0.04 mm ；在垂直与连杆轴心线方向的平行度在100 mm 长度上公差为0.04—0.06 mm 。所以本工序的工序基准：小头孔中心线，其设计计算如下：

1）确定定位销中心与大头孔中心的距离及其公差。此公差取工件相应尺寸的平均值，公差取相应公差的三分之一（通常取1/5~1/3）。故此尺寸为280.65±0.01mm 。

2）确定定位销尺寸及公差

本夹具的主要定位元件为一固定销，结构简单，但不便于更换。该定位销的基本尺寸取工件孔下限尺寸Φ54mm 。公差与本零件在工作时与其相配孔的尺寸与公差相同，即为Φ54（上限+0.01下限0）。

3）小头孔的确定

考虑到配合间隙对加工要求中心距280±0.01影响很大，应选较紧的配合。另外小头孔的定位面较短，定位销有锥度导向，不致造成装工件困难。故确

定小头定位孔的孔径为)(5403

.00+Φ。

5) 定位误差分析

① 对于连杆体剖分面中心距280±0.03的要求，以)(5403

.00+Φ的中心线

为定位基准，虽属“基准重合”，无基准不重合误差，但由于定位面与定位间存在间隙，造成的基准位移误差即为定位误差，其值为：

ΔDw=δD+δd+Δmin =0.03+0+0

=0.03mm

ΔDw－－剖分面的定位误差

δD――工件孔的直径公差

δd――定位销的直径公差

Δmin――孔和销的最小保证间隙

此项中心距加工允差为0.12—0.18mm,因此工件在加工过程中能够保证加工精度要求。

结束语：

通过对柴油机连杆的机械加工工艺及对粗加工大头孔夹具和铣结合面夹具的设计，使我学到了许多有关机械加工的知识,主要归纳为以下两个方面：第一方面：连杆件外形较复杂，而刚性较差。且其技术要求很高，所以适当的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。在连杆的实际加工过程中，选用连杆的大小头端面及小头孔作为主要定位基面，同时选用大头孔两侧面作为一般定位基准。为保证小头孔尺寸精度和形状精度，可采用自为基准的加工原则；保证大小头孔的中心距精度要求，可采用互为基准原则加工。

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。

第二方面：主要是关于夹具的设计方法及其步骤。

（1）、定位方案的设计：主要确定工件的定位基准及定位基面；工件的六点定位原则；定位元件的选用等。

（2）、导向及对刀装置的设计：由于本设计主要设计的是扩大头孔夹具和铣结合面夹具，所以主要考虑的是选用钻套的类型及排屑问题，以及对刀块的类型，从而确定钻套和对刀块的位置尺寸及公差。

（3）、夹紧装置的设计：针对连杆的加工特点及加工的批量，对连杆的夹紧装置应满足装卸工件方便、迅速的特点，所以一般都采用自动夹紧装置。

（4）、夹具体设计：连杆的结构特点是比较小，设计时应注意夹具体结构尺寸的大小。夹具体的作用是将定位及夹具装置连接成一体，并能正确安装在机床上，加工时能承受一部分切削力。所以夹具体的材料一般采用铸铁。

（5）、定位精度和定位误差的计算：对用于粗加工的夹具，都应该进行定位误差和稳定性的计算，以及设计的夹具能否满足零件加工的各项尺寸要求。

（6）、绘制夹具装备图及夹具零件图。

参考文献:

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