美国赛车连杆专用工装夹具设计Word版

如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!美国赛车连杆专用工装夹具设计作者姓名：吴贺专业班级：机械工程及自动化 2005060401班指导老师：孙未摘要连杆属典型零件，目前国内外都有比较成熟的加工工艺。美国赛车连杆的杆身横截面工字型方向与普通连杆不同，且它的每一个面都要求加工，这使得它比普通连杆更难加工。本文针对美国赛车连杆本身的结构特点、工作情况和现有的加工条件，根据已制定的工艺规程为钻连杆小头孔空间斜工艺孔设计专用钻床工装夹具、为铣连杆大头孔的两侧面设计专用铣床工装夹具。本文首先对连杆零件结构特点、主要表面加工技术要求、材料工艺性、加工工艺性进行了分析，然后提出加工工艺路线。主体内容为夹具的设计，分别提出两套钻床夹具和铣床夹具方案，进行分析、比较，选出最佳方案。再对所选方案进行精度分析，论证可行性。关键词： 连杆 工艺规程 专用夹具如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!A appropriative fixture designing for United States race car connecting rodAbstract： The connecting rod is a typical part. There are many mature technical schedules at home and abroad currently. The body of the United States races car connecting rod has a different exposure of the I -shaped to the common connecting rods. In addition to, its each face require to machining, which make it more difficult to be processed than those common connecting rods. This text based on the structure characteristics, the work circumstance and the existing process condition, and according to the established technical schedules, design appropriative fixture for drill press and milling machine.At first this test analyze the structure characteristics , main surface processing technology to be require , material processibility and machining processibility of the connecting rod. Then propose the technical schedule. The main content is fixture designing. Bring forward two set projects of appropriative fixture for drill press and milling machine separately. Then analyze, compare and choose the best project. At last do the accuracy analyzing and demonstrate feasibility of the project. Key word: connecting rod technical schedule fixture如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!目录第1章 前言11.1本课题的提出和研究意义11.2主要研究内容11.3研究步骤1第2章 连杆零件分析22.1作用及工作状况分析22.2零件的结构分析22.3零件材料的工艺性22.4零件主要表面的技术要求32.5零件加工工艺分析42.5.1连杆加工的主要问题及工艺过程设计所采取的措施42.5.2定位基准的选择：5第3章 零件工艺路线的制定63.1毛坯种类及其工艺过程的确定63.2工艺路线方案选择6第4章 专用夹具设计84.1专用机床夹具84.1.1专用机床夹具的组成84.2机床夹具设计要求94.3专用机床夹具设计的步骤104.4工件的六点定位规则114.5夹紧装置的组成和要求12第5章 专用钻床夹具设计155.1夹具设计任务165.2. 确定工件的定位方案175.3. 确定刀具的引导方式18如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载! 5.3.1 钻床夹具的刀具导向元件钻套185.4确定工件夹紧方案195.5.确定夹具体的形式和夹具总体结构205.6夹具方案分析：21第6章 专用铣床夹具设计2461夹具设计任务：246.2.确定工件的定位方案256.3.确定对刀装置256.4.确定工件的夹紧方案266.5.确定夹具体的形式和夹具总体结构266.6.方案分析：29结论31致谢32参考文献33如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!第1章 前言1.1本课题的提出和研究意义随着生活水平的提高以及工业的迅速发展，汽车行业也进入了一个全新的领域。汽车产品在质量，重量，工作稳定性以及可靠性等技术要求上也有了大的提高。赛车作为汽车的一种，有着比其他汽车更高的技术要求，尤其在发动机上面，超强的功率是无法比拟的。连杆作为发动机的一个重要零件，它的质量直接影响发动机的质量，从而影响赛车的整体性能。美国赛车连杆与普通连杆一样都具有刚性差，加工要求高，加工面复杂的特点，此外，该连杆还具有许多自身的特点，譬如，它的每个面都需要加工，截面工字型方向与普通连杆不同等。虽然连杆是典型零件，但为了确保加工精度，提高生产率，必须对某些工序设计专用夹具。而夹具质量的高低则是通过生产效率的高低，维护方便与否，操作是否安全，以及成本的高低等指标来衡量的。1.2主要研究内容根据已制定的工艺规程，为加工该零件设计两套专用夹具（铣床专用夹具，钻床专用夹具）。对该两套专用夹具分别进行方案比较，确定最佳方案，画出草图及设计装配图，对定位基准及精度加以分析。1.3研究步骤、零件图分析；、毛坯分析；、加工工艺分析；、夹具设计；、方案对比分析，选择最佳方案； 、精度分析。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!第2章 连杆零件分析2.1作用及工作状况分析连杆是发动机的重要零件之一，它连接活塞与曲轴（其小头经活塞销与活塞连接，大头与曲轴连杆颈连接），把作用于活塞顶面的膨胀气体的压力传给曲轴，将活塞的往复直线运动变为曲轴的旋转运动,又受曲柄的驱动而带动活塞压缩气缸中的气体。连杆工作时由于受到汽缸内气体压力的作用产生很大的压应力和纵向弯曲应力，加上活塞和连杆的自重所引起的惯性力，在连杆横断面上产生周期性变化且具有冲击性的拉压应力和横向弯曲应力。可见连杆在工作中承受着剧烈的变压力、惯性力和离心力等多向交变载荷的作用，在这样的工作环境下，不但要求连杆的精度高、表面质量高，而且要求其强度高、重量轻、刚性好、韧性好、使用寿命长。2.2零件的结构分析从零件图（图21）上看该连杆主要组成为：连杆体、连杆盖、螺栓、定位套筒、衬套，它们的外观尺寸不大，但形状及其复杂。由于大头孔安装轴瓦后与曲轴连杆轴颈装配在一起，小头孔用活塞销和活塞连接在一起，因此其结构刚性要求高，并且加工精度要求高。连杆杆身采用从大头到小头逐渐变小的工字截面形状以减轻重量且使连杆具有足够的强度和刚度。从零件图上看美国赛车连杆与一般连杆的工字形方向不同。连杆体和连杆盖的接合面是垂直于杆身轴线的平面，要求较高。在连杆的小头孔中压入锡青铜衬套以减少活塞销和连杆小头孔的磨损及磨损后便于修理。为了保证连杆大头孔和曲轴连杆轴颈之间的运动要求，在大头孔内装入轴瓦。在连杆小头的两侧设有方向朝下的两个油孔，发动机工作时，高速旋转把气缸下部的润滑油飞溅到油孔内，以润滑连杆小头铜衬套与活塞销之间的摆动运动副。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!2.3零件材料的工艺性 为满足强度高、韧性好的使用要求，连杆材料一般采用高强度碳钢和合金钢，如45钢、65钢、40Cr、40CrNiMo等。美国赛车连杆采用40CrNiMo合金钢，经调质处理图2-1连杆零件图后HRC3HRC38。40CrNiMo的综合机械性能比较好，Cr合金元素可提高淬透性,Ni合金元素可提高抗冲击，Mo合金元素可防止回火发生脆性。40CrNiMo调质状态下具有相当高的强度的同时，又具有良好的韧性，屈服强度850MN/m2,强度极限，淬透性良好，油淬临界淬透直径60100冷变形塑性中等，可焊性差，切削加工性较45#钢差。由此可见40CrNiMo合金钢适合于受冲击载荷的高强度零件，但为了保证设计图的要求，还必须对其进行消除锻件残余应力，提高综合机械性能。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!2.4零件主要表面的技术要求（1） 大头孔56.515，加工精度为IT9，粗糙度为Ra0.4。（2） 小头孔衬套底孔25，加工精度为IT7，粗糙度为Ra0.8。（3）大、小头孔的中心距影响到气缸的压缩比。进而影响发动机的效率，该连杆的中心距为152.40.05。大、小头孔在两个相互垂直的方向上的平行度误差（即两孔轴心线的平行度和交叉度）会使活塞在气缸中倾斜，致使气缸壁磨损不均匀，缩短使用寿命，同时也使曲轴的连杆轴颈磨损加剧。该连杆小头孔的轴心线对大头孔轴心线在100mm长度上公差为0.1mm.。（4） 连杆大头孔两端面对大头孔轴线的垂直误差过大，将加剧连杆大头端面与曲轴连杆轴颈两端面之间的磨损，甚至引起烧伤，一般规定其垂直度公差等级应不低于9级，该连杆的大头孔两端面对大头孔轴心线的垂直度不大于0.05mm。（5） 连杆体与连杆盖的结合面为配合面，它的表面粗糙度为Ra0.8。（6） 螺栓孔的主定位孔轴线对连杆体与连杆盖的结合面的垂直度在100mm长度上小于0.15mm，精度IT7。套筒外圆精度IT6，粗糙度Ra1.6配合尺寸。2.5零件加工工艺分析连杆是典型的零件，位置精度和粗糙度的要求较高，其加工工艺已经比较成熟，但美赛车连杆与普通连杆技术要求有所不同，该连杆的所有表面全部要求加工且要求高。从外观上看，外形较复杂，不易定位，大小头孔是由细长的杆身连接，刚性差，容易产生变形。此外，毛坯虽经调质处理，仍可能存在残余内应力，对整体模锻而言，毛坯在加工中尚需将体和盖切开，体和盖装配成连杆总成后还需加工，由于内应力重新分布而产生的变形不可忽视。2.5.1连杆加工的主要问题及工艺过程设计所采取的措施(1) 连杆本身的刚度比较低，在外力（切削力，夹紧力）的作用下容易产生变形，从而影响精度。因此，必须正确确定夹紧力的方向、及其大小。夹紧力应尽量作用于连杆大、小头端面上，并垂直于端面，尽量避免使夹紧力作用于连杆如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!杆身上；在需要将夹紧力作用于杆身时，应使夹紧力作用于刚性好的那个方向上，并采用双向浮动夹紧。在需要将夹紧力连杆轴线方向时，夹紧力大小应适当，并应使连杆端面不脱离定位元件。(2)由于连杆在工作中随着急剧变化的动载荷，受力大，要求强度高，所以要采用锻件毛坯。锻件的纤维组织方向尽量与受力方向一致，这样，综合性能较好。锻件毛坯加工余量大，切削时的切削热和切削力将产生较大的残余应力，从而会产生变形而影响加工精度，因此，在安排工艺过程时，就需要遵循粗，精加工分开的原则来划分粗，细，精，三个加工阶段的主要任务是切除掉大部分余量，并给细加工提供精度较高的基准。细加工安排在中间，粗加工之后，精加工之前，这样，粗加工产生的变形可以在半精加工中得到修正逐步减少加工余量，切削力及内应力的作用逐步修正加工后的变形，最后达到零件的技术条件。2.5.2定位基准的选择：由零件图分析可知，该连杆大小头的端面不在同一个平面上，为定位准确特采用了如下措施来避免因落差而产生的定位误差。首先，在加工过程中大部分工序中把大小头加工成一样的厚度，保持着同一平面，这样定位方便，夹紧也容易多，这样不但避免了上述存在着的不足之处，而且还加大了定位面积，增加了定位的稳定性，直到的最后几道工序中再加工出落差。大头端时采取铣削加工紧接着进行下一道磨销加工便可以达到图纸要求。由此可见，毛坯选取大小头两端面等高并对称的模锻件为佳。粗基准的确定：该连杆的所有表面都要求加工，这给加工带来一定的困难，为了确保连杆大小端与杆身的对称性及便于杆身后续工序的余量加工，选连杆大小头端面为粗基准。粗铣两端要求两端面与杆身的尺寸差0.5mm（要求毛坯单边尺寸差26mm时,用20钢制造,渗碳深度为0. 81. 2mm,热处理硬度为5864HRC。本夹具中钻套采用T10A钢制造,并经淬火处理。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!5.4确定工件夹紧方案在加工过程中，工件会受到切削力、惯性力、离心力等外力的作用，为了保证在这些外力作用下，工件仍能在夹具中保持定位的正确位置，而不致发生位移或产生振动，一般在夹具结构中都必须设置一定的夹紧装置，把工件压紧夹牢在定位元件上。（1） 采用螺旋夹紧机构3FJ=2FLd2tan+23f D3-d3D2-d2式中 螺纹升角； 螺纹摩擦角； f 螺杆（螺母）端面与工件之间的摩 擦系数；图54 螺旋夹紧机构 d2 螺杆中径（2）采用圆偏心夹紧机构4图55 圆偏心夹紧机构如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!FJ=FLtan+1+tan2=R+esincos , =arctanecosR+esin式中 接触点升角 偏心轮回转角 1 偏心轮与夹紧面的摩擦角 2 偏心轮与销轴的摩擦角R 偏心轮半径 回转中心到接触的的距离5.5.确定夹具体的形式和夹具总体结构方案一： 夹具体倾斜一定角度，为了保持刚性，设置加强筋。垂直于夹具体分别布置圆柱销和削边销，实现工件在夹具体上的定位，工件在空间垂直平面内前后形成一定的偏角。在夹具体中部设置翻转式钻模板，利于安装和拆卸工件，其上安装长快换钻套。夹紧机构采用单螺旋夹紧机构。A向旋转图56 方案一如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!方案二：夹具体与方案一类似，唯一不同的是工件定位后，在夹具垂直平面内左右形成一定的偏角，两定位销分别特别制造，左端与工件配合定位，右端用螺母联接在夹具体上。钻模板布置于夹具体上方，其上布置长快可换钻套。夹具机构采用圆偏心夹紧机构。5.6夹具方案分析：比较方案一和方案二：1. 定位方案基本一致，均属于一面双销式定位。方案一采用短销和支承板、削边组合定位，方案二采用长销及其轴肩、削边销组合定位，预期定位效果相同。2. 导向元件均采用长快换钻套。3. 夹紧方案不同。 方案一采用单简单的螺旋夹紧机构（图54），螺钉头部直接压紧工件表面，容易压坏工件表面，而且拧动时容易使工件产生转动，破坏原来的定位，而螺钉通过活动压A A旋转 图57 方案二如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!板与工件表面接触，在拧动螺杆时，压块不随螺杆转动，而只作轴向移动，可防止在夹紧时带动工件转动，并避免压坏工件表面。采用衬套可以提高夹紧机构的使用寿命，而当螺纹磨损时也可以通过更换衬套，迅速恢复螺旋夹紧功能。方案二采用偏心夹紧机构紧机构（图55），偏小夹紧机构是斜楔夹紧机构的一种转化形式。它是通过偏小件直接夹紧或与其他元件组合而实现夹紧工件的。圆心夹紧机构具有结构简单、夹紧迅速等优点。单它的夹紧行程小，增力倍数小，夹紧自锁性能较差，故一般适用于工件被夹紧表面的尺寸公差较小和切屑过程中振动较小的场合。由于铣削加工中断续切削，振动较大，因此铣床夹具不易采用偏心夹紧机构4. 夹具体机构不同。方案一 ： 夹具体设置有加强筋，提高了夹具体的刚度和强度，可以保证在夹紧力和切屑力等外力作用下，不产生过大的变形和振动。 夹具体底平面中间部位适当挖空，夹具体平面与机床工作台接触良好，夹具安装稳定。夹具体结构紧凑，工艺性能良好。 小头孔短销需特别制造，完成定位和夹紧，方法巧妙且易行。 夹紧装置结构简单，且无需特别制造，在短销轴上即可完成，可靠性程度高。方案二：1.夹具体结构设置不是很合理，刚度和强度较低，加工零件时夹具重心和切屑力等力的作用点没有处在夹具安装基面内。2.夹具高度较大，但相应的夹具体底平面面积不够大，且底平面中间部位没有挖空，夹具安装不稳定。3.钻模板置于夹具体上方，水平高度较高，不易于钻床工作，且钻孔时容易导致夹具体重心便宜，夹具体倾斜，最终无法保证斜孔加工精度要求。4.两销轴都需特别制造，夹具制造相对繁琐。5.夹紧装置结构简单、夹紧迅速，但夹紧装置需特别制造和安装，相对繁琐因此，选择方案一作为最终方案。夹具总体结构如下：见图58如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!图58钻床夹具总体结构简图如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!第6章 专用铣床夹具设计铣床夹具的设计特点：3（1） 铣床加工中切屑力较大，振动也较大，故需要较大的夹紧力，夹具刚性也要好。（2） 借助对刀装置确定刀具相对于夹具定位元件的位置，此装置一般固定在夹具体上。圆形对刀块，在加工水平面内的单一平面时对刀用。方形对刀块，在调整铣刀两相互垂直凹面位置对刀时用。是直角对刀块，在调整铣刀相互垂直凸面位置对刀时用。侧装对刀块，安装在侧面，在加工两相互垂直面或铣槽时对刀用。标准对刀块的机构尺寸，可参阅国标夹具零部件。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!（3） 借助定位键确定夹具在工作台上的位置。图是标准定位键结构。图定位键上部的宽度与夹具体底面的槽采用H7/h6或H8/h8配合；下部宽度依据铣床工作台T型槽规格决定，亦采用H7/h6或H8/h8配合。两定位键组合，起到夹具在铣床上定向作用，切削过程中也能承受切削扭矩，从而增加了切削稳定性。（4） 由于铣削加工中切削时间一般较短，因而单件加工时辅助时间相对较长，故在铣床夹具设计中，需特别注意降低辅助时间。61夹具设计任务：图61 铣连杆大头孔两侧面工序简图图61为工序20铣连杆大头孔的两侧面的工序简图，已知：工件材料为毛坯为锻件，所用机床为X62W，成批生产规模。为该工序设计一铣床夹具。要求夹具的相关结构和配合要求来保证以下位置精度：两侧面对连杆中心平面的对称度0.15.任务分析：1 为了确保后工序连杆杆身的加工余量均匀和提高生产率，便于后继工序的定位和连杆样品的对称性较好，故本工序需要较高的对称度和尺寸精度。工件若用通用夹具装夹需要找正，这样对称精度太低，若用组合夹具仍需要设计较多的专用元件，中批生产长期占用通用元件成本较高，所以需要设计专用铣床夹具。2 由工序图分析可知，该连杆大小头的端面不在同一个平面上，为定位准确特采用如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!了如下措施来避免因落差而产生的定位误差。首先，在加工过程中大部分工序中把大小头加工成一样的厚度，保持着同一平面，这样定位方便，夹紧也容易多，这样不但避免了上述存在着的不足之处，而且还加大了定位面积，增加了定位的稳定性，直到的最后几道工序中再加工出落差。这样连杆两端面等高（及大、小头孔两端面处于一个水平面）。加工两侧面时需要对连杆对称中心面有较高的对称度和尺寸精度，尺寸精度由刀具直接保证，依靠所设计的夹具来保证加工两侧面对连杆中心平面的对称度0.15.6.2.确定工件的定位方案 方案一： 根据工序简图规定的定位基准，选用一面两销定位方案，短定位销与工件定位孔（连杆大头孔）配合，限制两个自由度，支承板与工件定位端面配合，限制三个自由度，削边销与小头孔配合，限制一个自由度。方案二： 根据工序简图规定的定位基准及铣大头孔两侧面的对中性要求，可设置活动V形块对中。短定位销与工件定位孔配合，限制两个自由度，支承板与工件端面配合，限制三个自由度，活动短V型块限制一个自由度。6.3.确定对刀装置3铣床加工的对刀方法一般有一下三种：（1）试切对刀；（2）应用样件对刀；（3）采用对刀块装置对刀。对刀装置由对刀块和塞尺组成。采用对刀装置对刀时，为防损坏刀刃或造成对刀块过早磨损，刀具与对刀面不应直接接触，而是将对刀面移近刀具，而在对刀面和铣刀之间塞入塞尺，凭抽动的松紧感觉来判断对刀的准确程度。塞尺分为平塞尺和圆塞尺两种，其尺寸可取1mm、3mm、5mm。本铣床夹具选用圆形对刀块，主要用于加工平面，如图62。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!图62 圆形对刀块6.4.确定工件的夹紧方案铣削大头孔两侧面, 铣削出铣削力较大。采用螺旋夹紧机构（图54）并采用开口快换垫圈,这样有利于装卸方便。这样的结构简单,易行.6.5.确定夹具体的形式和夹具总体结构 方案一和方案二夹具体结构大体相同，如图63所示：夹具体依靠下方的定位键在铣床上准确定位，左右两端对称的环形底端用于将夹具体固定在铣床上。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!图63 铣床夹具体结构简图夹具总体结构：方案一：采用短销、支承板和削边销组合定位，单螺旋夹紧机构夹紧。夹具总体结构紧凑，刚度强度好，夹具体结构工艺性良好，夹具安装稳定。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!图54 铣床夹具简图 （方案一）方案二：采用短销、支承板和活动式V形块（浮动V形块）组合定位。下图中的V形块是靠螺旋移动，使V形块实现定位的同时兼起到夹紧的作用。活动式V形块可以限制一个自由度。选用标准活动V形块可查机械制造技术基础课程设计指导教程表812.如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!图55 铣床夹具简图（方案二）6.6.方案分析：方案一和方案二夹具体结构大体相同，唯一不同的是定位方式不同。方案一采用削边销定位连杆小头孔，方案二采用活动式V形块定位连杆小头孔。由于要求夹具的相关结构和配合要求来保证大头孔两侧面对连杆中心平面的对称度是0.15，所以夹具设计中需要对中元件。方案一定位方式完全可以完成连杆两侧面的加工,但不能保证对称度,因为夹具中没有对中元件.所以对称精度满足不了要求.方案二活动式V形块对外圆表面可起到对中作用，可保证大头孔两侧面的对称度要求。同时，活动式V形块也可起到削边销的作用，不至于使工件产生过定位，影响加工精度。而且它自带的螺旋夹紧机构可增加工件夹紧可靠性。提高工件加工精度。 所以选择方案二做为最终方案。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!结论 本设计的主要内容是美国赛车连杆专用钻床和铣床夹具设计。在设计时主要考虑的是夹具方案的确定，通过方案的对比最终选择最佳方案。其中钻床夹具的设计，本文提出两个方案，方案一和方案二定位方式相同，但夹具体结构不同，所以比较之处较多。最终选择方案二做为最佳方案。其中夹具体呈一定倾斜角度，以保证所加工孔的空间角度。翻转式钻模板布置在夹具体中部，有利于装卸工件且在空间上布置合理。其中铣床夹具的设计，在一定程度上有所改进。在原方案的基础上提出两个创新方案。原方案采用短销与V形块组合定位，短销与小头孔配合，V形块与连杆体工字形处配合，大头孔不定位，采用螺旋夹紧机构夹紧。原方案存在不足之处，因为V形块不能很好地对非圆形外表面起到对中作用，所以原方案不但不能完全限制加工时所需限制的自由度，而且也不能保证对称度要求。而新提出的方案一采用长销与削边销组合定位，可以满足加工时的所需限制的自由度要求，但不能完全保证对称度要求；方案二采用活动V形块对外圆表面起到对中作用，保证了对称度要求。当