汽车及发动机制造工艺课程设计.

交通与汽车工程学院

课程设计说明书

课程名称: 汽车及发动机制造工艺课程设计

课程代码: 8235570

题目:连杆加工工序流程及磨杆盖结合面工序夹

具设计

年级/专业/班: 2009级/热能与动力工程

（汽车发动机）/ 1 班学生姓名:

学号: 312009********* 开始时间: 2012 年 12 月 17 日

完成时间: 2012 年 12 月 28 日

课程设计成绩：

指导教师签名：年月日

目录

摘要 (2)

1引言 (3)

1.1问题的提出 (3)

1.2国内外研究的现状 (3)

1.3任务与分析 (5)

2 零件分析 (6)

2.1 零件结构分析及作用 (6)

2.2工艺分析 (7)

2.2.1毛坯选择 (8)

2. 2. 2基准选择 (9)

3指定工序的夹具设计 (18)

3.1 定位基准（元件）的选择 (18)

3.2 夹紧力的计算 (19)

3.3 定位误差分析 (19)

3.4指定工序的加工余量和工序尺寸的确定 (20)

3.5指定工序的基本工时的确定 (20)

3.6夹具操作原理 (20)

4 结论 (21)

5 谢词 (22)

参考文献 (22)

摘要

《汽车及发动机制造工艺课程设计》是我们大学阶段最后一个综合的课程设计，它是将设计和制造知识有机的结合，并融合现阶段汽车制造业的实际生产情况和较先进成熟的制造技术的应用，而进行的一次理论联系实际的训练，通过本课程的训练，将有助于我们对所学知识的理解，并为后续的课程学习以及今后的工作打下一定的基础。

本次课程设计的既是通过对发动机连杆结构的分析研究，设计在连杆加工生产工艺过程所必须使用的夹具，并保证其合理性、可靠性。希望能通过本次课程设计的学习，学会将所学理论知识和工艺课程实习所得的实践知识结合起来，并应用于解决实际问题之中，从而锻炼自己分析问题和解决问题的能力；同时，又希望能超越目前工厂的实际生产工艺，而将有利于加工质量和劳动生产率提高的新技术和新工艺应用到机器零件的制造中，为改善我国的汽车制造业相对落后的局面探索可能的途径。

关键词：汽车制造发动机连杆夹具生产工艺

1 引言

1.1 问题的提出

随着连杆的尺寸精度、形状精度以及位置精度的要求的提高，传统的夹具已渐渐不能满足加工的需求。夹具的设计制造在整个制造生产准备工作中占有很重要的地位，它的设计与制造质量对保证产品质量有决定性的影响，其设计与制造的周期在整个生产准备中最长，实际决定着整个生产准备周期。通过调研得知，一般企业仍习惯于大量采用传统的专用夹具，在具有中等生产能力的工厂里，约拥有数千甚至近万套专用夹具，传统专用夹具设计依赖设计人员的设计经验，会导致产生以下主要问题。

(1) 生产准备周期长、设计效率低、生产成本高;

(2) 很少采用标准件，难以实现对高精度、相似性特征工件设计。

将参数化、模块化技术应用到系统当中，从机床专用夹具可重构性的角度出发，建立参数化夹具定位机构、夹紧机构、对定机构以及对机床专用夹具的建模和虚拟装配，基于UG的二次开发对机床专用夹具进行设计，改变传统夹具设计模式，技术革新，创建夹具三维设计的新环境，可以大大缩短设计与制造周期，减少重复劳动，提高工作效率，降低生产成本。此外，利用UG二次开发三维参数化技术应用于夹具设计，对夹具的标准化、系列化将会起到积极的推动作用，有利于夹具设计的科学性和系统性管理，有利于企业取得良好的经济效益和社会效益。

1.2国内外研究的现状

夹具是数控机床加工过程中必不可少的部件，随着CAD技术的普及应用越来越广和越来越深入，夹具设计已经从传统的手工设计发展到利用二维、三维CAD绘图软件的集成设计。同时，为了达到现代机床加工对数控技术提出了更高的要求，在数控技术向高速、高效、高精度、模块化、智能化、柔性化和集成化方向发展的带动下，现代机床夹具设计技术正朝着高效化、精密化、模块化、智能化、柔性化、集成化、标准化等7个方向发展。

（1）高效化

高效化夹具主要用来减少加工工件的基本时间和辅助时间，以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。如瑞典3R夹具仅用1分钟，即可完成线切割机床夹具的安装与校正、美国Jergens（杰金斯）公司的球锁装夹系统，1分钟内就能将夹具定位和锁紧在机床工作台上。

（2）精密化

随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。精密化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达±0.1＇；用于精密车削的高精度三爪自定心卡盘，其定心精度为5μm。

（3）模块化

夹具元件模块化是实现组合化的基础。利用模块化设计的系列化、标准化夹具元件，快速组装成各种夹具，已成为夹具技术开发的基点。

（4）智能化

智能化夹具最初主要应用的是专家系统，利用人工智能技术将各种技术综合应用，有助于提高机床夹具的设计效率。

（5）柔性化

机床夹具的柔性化是指机床夹具通过调整、组合等方式，以适应工艺可变因素的能力。工艺的可变因素主要有：工序特征、生产批量、工件的形状和尺寸等。具有柔性化特征的新型夹具当前夹具发展的重要方向。

（6）集成化

机床夹具设计是生产准备的重要部分。确定该工序所使用的夹具，给出夹具的装配图和零件图是连接设计与加工的纽带，实现与CAPP的集成。集成化是夹具设计发展的必然方向，是企业信息集成的必然要求。

（7）标准化

标准化是提高机床夹具设计系统适应性和促进集成的基础。目前我国已有夹具零件及部件的国家标准：GB/T2148～T2259－91以及各类通用夹具、组合夹具标准等。机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。

汽车连杆的发展目前主要在其材料上的发展, 碳素调质钢和合金调质钢是连杆用钢的传统钢种，通常小功率的发动机采用碳素调质钢，大功率的发动机采用合金调质钢。碳素钢调质硬度一般在229~269HBS，合金钢可达到300HBS，但最高不超过330HBS。碳素钢抗拉强度可达到800MPa以上，冲击韧度在60J/cm2以上；合金调质钢抗拉强度可达到900MPa以上，冲击韧度在80J/cm2以上。调质钢连杆用于要求连杆有较高强度和韧性的大功率柴油机。非调质钢是在中碳钢基础上添加钒、钛、铌等微合金元素，通过控制轧制或控制锻造过程的冷却速度，使其在基体组织中弥散析出碳、氮的化合物使其得到强化。非调质钢省略了锻后的热处理。按其强韧性可以分4类，其中基本型和高强度型适用于发动机连杆。

我国研究的非调质钢主要是钒系、锰钒系、锰钒氮系。每个系列都开发了添加易切削元素的钢种。用于发动机连杆的钢种有35MnVS、35MnVN、40MnV、48MnV

等，其强度都在900MPa以下。疲劳试验表明，非调质钢连杆的疲劳强度与相同级别调质钢相当。我国现在用的材料是从德国进口的C70SC系列高碳非调质钢。其成分特点是低硅、低锰、添加微量合金元素钒及易切削元素硫。合金元素的范围要求窄、材料纯净度要求高。我国已开展该系列钢种的国产化工作。非调质钢正逐步取代调质钢，国外几乎完全采用非调质钢生产连杆。

随发动机轻量化的要求，连杆的设计应力提高，C70S6系列的钢种的应用会越来越多。德国在该钢种的基础上开发了强度级别更高的钢种。

1.3任务与分析

《汽车及发动机制造工艺课程设计》是《汽车制造工艺学》课程学习及《汽车及发动机制造工艺生产实习》结束后的一次综合性课程设计，是一个将理论知识与生产实践结合的、重要的教学环节，本设计主要的目的是：（一）培养学生理论联系实际设计思想，能运用《汽车制造工艺学》的基本理论及在生产实习中学到的实践知识，正确解决汽车、发动机零件在

加工中的定位、加紧、工艺路线安排、工艺尺寸确定等问题；培养学

生综合运用已学理论来分析和解决发动机生产实践中问题的能力。

（二）对学生进行工程师基本技能的训练。如计算，绘图，运用手册、标准查阅资料等，增长学生实践知识和拓宽眼界，培养学生独立工作能力，

为今后的工作打下良好的基础。

（三）提高结构设计能力。经过夹具设计的训练，能根据被加工零件的尺寸要求，设计出高效、省力、既经济又能保证零件加工质量的夹具的能

力。

2 零件分析

连杆是汽车发动机中的重要零件，在发动机内的曲柄连杆机构中，连杆的大头孔与曲轴连接，小头孔通过活塞连接，其作用是将活塞的直线往复运动转变为曲轴的旋转运动并输出动力。连杆承受动态载荷，因此，要求连杆质量小，强度高，硬度好。

2.1零件结构分析

连杆由大头、小头和杆身等部分组成。大头为分开式结构，连杆体与连杆盖用螺栓连接。大头孔和小头孔内分别安装轴瓦和衬套。为了减轻重量并保证连杆体具有足够的强度和刚度，连杆的杆身截面多为工字形，其外表不需要机械加工。连杆的大头和小头端面，通常都与杆身对称。

连杆是汽车发动机中的主要传动部件之一，它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。为了减少磨损和便于维修，连杆的大头孔内装有薄壁金属轴瓦。轴瓦有钢质的底，底的内表面浇有一层耐磨巴氏合金。在连杆体大头和连杆盖之间有一组垫片，可以用来补偿轴瓦的磨损。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。

图：连杆结构

在发动机工作过程中，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。为了保证发动机运转平衡，同一发动机中各连杆的质量不能相差太大。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，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摩擦运动副。

2.2工艺分析及工艺流程制定

连杆的结构形式，直接影响到机械加工工艺的可靠性和经济性。影响连杆结构工艺性的因素除应考虑一般的结构工艺性外，还要考虑以下几点：①连杆盖和连杆体的连接方式连杆盖和连杆体的定位方式，有连杆螺栓、套筒、齿形定位和凸肩定位4种。②连杆的大小头的厚度考虑到加工时的定位和加工时的传输等，连杆大、小头的厚度应相等。③连杆杆身油孔的大小和深度由于活塞销与连杆小头衬套之间需要进行润滑，为此连杆杆身钻有油孔。但为了使润滑油从连杆大头沿油孔通向小头衬套，油孔一般为Φ4-Φ8㎜的深孔,加工困难。为了避免深孔加工，汽车发动机连杆可改为重力润滑，则只在连杆小头铣槽或钻孔就可。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。

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。

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。

2.2.1毛坯选择

连杆材料一般采用45钢或40Cr、45Mn2等优质钢或合金钢，近年来也有采用球墨铸铁的。其毛坯多用锻造，可将连杆体和连杆盖分开锻造，也可整体锻造，主要取决与锻造毛坯的设备能力。锻造可用自由锻或模锻，但模锻与自由锻相比，模锻的尺寸和精度比较高，机械加工余量小，材料的利用率高，锻件内部流线分布合理，操作方便，劳动强度低，生产率高。

汽车发动机连杆是承受冲击反动态应力最高的典型动力学定荷零件，连杆的结构形式，直接影响机械加工的可靠性和经济性。因此，连杆做成工字形断面，轻量化可减少发动机运行时的噪声震动，提高连杆的力学性能。

现已40Cr作为原料并经调质处理，以提高其强度及抗冲击能力。锻件的强度及可靠性很高，广泛应用于发动机变速器，转向器及其他零件上。

在大批量生产中采用模锻。特点是；（1）坯料整体塑性变形，三向受压：（2）锻件尺寸精确，加工余量小（3）锻件形状可较复杂：（4）生产效率高（5）锻模造价高，制造周期长

连杆的材料参考了德国krebsoge公司为宝马公司生产的美洲虎发动机AJ—V8型粉末锻造连杆，所用预合金钢粉的牌号为AIS14200，其化学成分(W)为：0．25％～0．35％Mn、0．25％～0．45％Mo、0．25％～0．35％Ni、

0 1％～0 1％Cr、0 65％C、其余为Fe。由于这种低合金钢粉的化学成分均

匀，物理性能及工艺性能优良，从而使经粉末锻造制成的高强度连杆零件的

综合性能，特别是冲击韧性及疲劳性能显著提高。

2. 2. 2基准选择

1）粗基准选择

粗基准选择是否正确，直接关系到被加工表面的余量分配和加工表面与非加工表面的相互位置要求。一般地，选择连杆的粗基准时，应满足以下几个要求：

A.连杆大小端孔及两端面应有足够而且均匀的加工余量;

B.连杆大小端孔圆柱面及两端面应与杆身纵向中心线对称；

C.连杆大小端外星应分别于大小端孔中心线对称。

为了满足上述几点要求，连杆在机械加工的第一道工序时，分别在一、二工位采用了两种不同的定位方式：一工位为铣其中的一个端面，用两个V型块夹持连杆大端的两侧圆弧面，以保持两侧面的加工余量均匀；二工位铣另一个端面，这时便可以用已经铣过的端面作为定位基准。

图：连杆钻小端面孔工装定位示意图

2）精基准选择

选择精基准主要是从经济可靠地保证连杆各加工表面间的相互位置精度出发。一般应考虑如下问题：

A.因为连杆的大小端孔、大小端两端面、分开面以及螺栓孔等各加工表面间的相互位置精度要求都很高，既不能一次加工而成，又不能在一次安装中把这些有相互位置精度要求的各加工面都同时加工出来，而是经过多次安装，反复加工后逐渐达到图纸的要求，所以，为了保证各加工表面间的相互位置精度，要避免过多地转换定位基准，应尽量选择一个使大部分工序都可以用它来作为定位基准

的表面作为精基准。这就是基准统一原则。

B.由于连杆刚性较差，容易产生弯曲变形，而直接影响各加工表面的相互位置精度，所以，要选择支撑面积大、精度高、定位准确、同时又能防止夹紧变形的表面作为精基准。

C.尽量选择零件图上的设计基准作为精基准，既要符合基准重合的原则。这样，图纸上的设计尺寸是直接保证的，可以避免因为定位基准与设计基准不重合而引起的基准不重合即基准转换误差对该设计尺寸的影响。

为了满足要求，连杆选择大小端端面a和b、小端孔c、大端一侧面d作为定位精基准(见下图），并且在机械加工生产线的头几道工序就把这组定位基准面加工出来，且达到一定精度。

图：连杆统一精基准的分析

3）工艺流程的制定

、钻小

、镗小头工步：小头孔一

工步：用锉刀进工步：增大连杆

工步：对连杆盖工步：对连杆和工步：精磨连杆

工步：对连杆大

工步：对连杆小工步：粗珩连杆

工步：精珩连杆

小头孔

工步：对连杆进

行磁力探伤3指定工序的夹具设计

3.1 定位基准（元件）的选择

连杆机械加工工艺过程的大部分工序都采用统一的定位基准-——一个指定的端面，小头孔及工艺凸台。这样不久有利于保证连杆的加工精度。特别是作为技术要求的关键项目——连杆大、小头孔的尺寸精度。几何形状精度和相互位置精度，而且端面的面积大，定位比较稳定。

根据本道工序的加工过程，连杆盖的定位基准面选择盖后平面，连杆盖正平面以及盖侧平面；连杆杆身的定位基准选择杆后平面，连杆正平面以及连杆侧平面，具体见后夹具图。

3.2 夹紧力的计算

夹紧力k W =W*K

式中 k W ：实际所需的夹紧力（N ）；

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。

0K ：考虑工件材料及加工余量均匀性的基本安全系数 取K0=1.2～1.5

1K ：加工性质，粗加工取 K1=1.2

2K ：刀具钝化程度 K2=1.0 1.9

3K ：切削特点，连续切削取 K3=1.0

4K ：夹紧力的稳定性，手动夹紧 K4=1.3

5K ： 手动夹紧时的手柄位置，操作方便取 K5=1.0

6K ：

仅有力矩使工作回转时工件与支承面的接触情况，接触点确定取K6=1.0 K=0K *1K *2K *3K *4K *5K *6K =1.3*1.2*1.0*1.0*1.3*1.0*1.0=2.028

k W =604.7N

3.3 定位误差分析

因为工序基准同时为定位基准，即基准重合，没有基准不重合误差。基准位置误差为零。所以对加工剖分面来说，定位误差为零。即当基准重合时，造成加工表面定位误差的原因是定位基准的基准位置误差。