1、连杆大小头双端面铣削组合机床及夹具设计第 1 页 共 28 页1 绪论对于连杆双端面铣削，我们一般采用组合机床，在保证连杆加工精度的基础上，以达到大批量的生产，减少连杆加工时间，从而达到缩短零件的生产周期，减少成本。利用一定的专用夹具，达到一定的工艺要求，完成的连杆零件的加工要求。1.1 组合机床的特点组合机床是根据工件加工需要，以大量通用部件为基础，配以少量专用部件组成的一种高效专用机床。它能够对一种（或几种）零件进行多刀、多轴、多面、多工位加工。在组合机床上可以完成钻孔、扩孔、铣削磨削等工序，生产效率高，加工精度稳定 1-2。组合机床与通用机床、其他专用机床比较，具有以下特点：（1） 组合
2、机床上的通用部件和标准零件约占全部机床零、部件总量的70%80%，因此设计和制造的周期短、投资少、经济效果好。（2） 由于组合机床采用多刀加工，并且自动化程度高，因此比通用机床生产效率高，产品质量稳定，劳动强度低。（3） 组合机床的通用部件是经过周密设计和长期生产实践考验的，又有厂成批制造，因此结构稳定、工作可靠、使用和维修方便。（4） 在组合机床上加工零件时，由于采用专用夹具、刀具和导向装置等，加工质量靠工艺装备保证，对操作工人水平要求不高。（5）当被加工产品更新时，采用其他类型的专用机床时，其大部分件要报废。用组合机床时，其通用部件和标准零件可以重复利用，不必另行设计和制造。（6）组合机床
3、易于联成组合机床自动线，以适应大规模的生产需要。组合机床常用的通用部件有：机身、底座、立柱、动力箱、动力滑台，各种工艺切削头等。对于一些按循序加工的多工位组合机床，还具有移动工作台或回转工作台。动力箱、各种工艺切削头和动力滑台是组合机床完成切削主运动或进给运动的动力部件，其中还有能同时完成切削主运动和进给运动的动力头。连杆大小头双端面铣削组合机床及夹具设计第 2 页 共 28 页机身、立柱、中间底座等是组合机床的支承部件，起着机床的基础骨架作用，组合机床的刚度和部件之间的精度主要是由这些部件保证 1-2。1.2 组合机床的分类和组成组合机床的通用部件分为大型和小型两大类。大型通用部件是指电机功
4、率为 1.5kw-30kw 的动力部件及其配套部件，这类动力部件多为箱体移动的结构形式。小型通用部件是指电机功率为 1kw-2.2kw 的动力部件及其配套部件，这类动力部件多为套筒移动的结构形式。用大型通用部件组成的机床称为大型组合机床，用小型通用部件组成的机床称为小型组合机床。按设计的要求本次设计的机床为大型通用机床 1。组合机床分为大型和小型外，按配置形式又分为单工为和多工位机床两大类。单工位机床又有单面、双面、三面和四面几种，多工位机床则有移动工作台式、回转工作台式、中央立柱式和回转鼓轮式等配置型式。本次设计的机床为单工位双面铣床。1.3 组合机床的方案选择(1)制定工艺方案 要深入现场
5、了解被加工零件的加工特点、精度和技术要求、定位夹紧情况以及生产率的要求等，确定在组合机床上完成的工艺内容及其加工方法。这里要确定加工工步数，决定刀具的种类和型式。（2）机床结构方案的分析和确定 根据工艺方案确定机床的型式和总体布局。在选择机床配置型式时，既要考虑实现工艺方案，保证加工精度，技术要求及生产效率；又要考虑机床操作、维护、修理是否良好；还要注意被加工零件的生产批量，以便使设计的组合机床符合多快好省的要求。（3）组合机床总体方案 这里要确定机床各部件间的相互关系，选择通用部件的刀具的导向，计算切削用量及机床生产率。给制机床的总联系尺寸图及加工示意图等。（4）组合机床的部分方案和施工方案
6、 制定组合机床流水线的方案时，与一般单个的组合机床方案有所不同。流水线上由于工序的组合不同，机床的型式和数量都会有较大的变化。因此，这时应按流水线进行全面考虑，而不应将某一台或几台机床分裂开来设计。即使暂时不能全面地进行流水线设计，制定方案时也应综合研究，才能将工序组合得更为合理，更可靠地满足工件的加工连杆大小头双端面铣削组合机床及夹具设计第 3 页 共 28 页要求，用较多的工作，也为进一步发展创造了有利条件 3-4。2 组合机床总体描述目前，组合机床主要用于平面加工和孔加工两类工序。平面加工包括铣平面、刮平面，车平面；孔加工包括钻、扩、铰、镗孔以及倒角、切槽、攻螺纹、磨削、等。随着综合自动
7、化的发展，其工艺范围正扩大到车外圆、行星铣削、拉削、推削、磨削、及抛光、冲压等工序。此外，还可以完成焊接、热处理、自动装配和检测、清洗和零件分类及打印等非切削工作 【1】2.1 组合铣床工艺方案的制定工艺方案的制定是设计组合铣床最重要的步骤之一。其制定过程应从以下的几个方面考虑：1、被加工零件的特点。2、加工的工序和加工精度的要求。3、工件的生产方式等诸多方面综合考虑。2.1.1 被加工零件的特点连杆是汽车发动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
8、。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轴瓦金属。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。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。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。为了保证发动机运转均衡，同一发动机中各连杆的质量不能相差太大，因
9、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，把气缸体下部的连杆大小头双端面铣削组合机床及夹具设计第 4 页 共 28 页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 5。2.1.2 加工的工序和加工精度的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，杆体与杆盖的接合面及连杆螺栓定位孔等。图 2-1 为汽车发动机连杆零件的主要技术要求。
10、连杆大小头双端面铣削组合机床及夹具设计第 5 页 共 28 页图 2-1 发动机连杆主要技术要求连杆大小头双端面铣削组合机床及夹具设计第 6 页 共 28 页连杆总成的主要技术要求如下：1. 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0.8 m，大头孔的圆柱度公差为 0.012 mm；小头孔公差等级为 IT8，表面粗糙度 Ra 应不大于 1.6m。小头压衬套的底孔的圆柱度公差为 0.005 mm，素线平行度公差为 0.04 mm。2.大小头孔的中心距影响到汽缸的压缩比，进而影响到发动机的效率，两孔中心距
11、的尺寸公差等级应不低于 IT9。3.连杆大头孔两端面对大头孔中心线的垂直度误差过大，将加剧连杆大头两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 IT9。4.连杆大小头两端面间距离的基本尺寸相同，但其技术要求是不同的。大头两端面间的尺寸公差等级为 IT9，表面粗糙度 Ra 不大于 3.2m；小头两端面间的尺寸公差等级为 IT12，表面粗糙度 Ra 不大于 6.3m 6-7。2.1.3 工件的生产方式由于本次设计主要对连杆进行双端面铣削，尺寸精度，形状精度，位置精度需要达到一定的技术要求，且端面的表面粗糙对连杆的运动有一定的要求。因此在设计本次工艺方案时，需
12、进行粗铣、精铣、粗磨、精磨四道工序。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。2.2 确定切削用量、切削力和切削功率2.2.1 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。铣削切削用量的选择与要求的加工表面粗糙度及其效率有关系。当铣削表面粗糙度数值要求时，铣削速度应高一些，每齿走刀量应小一些。若生产率要求不高，
13、可以取很小的每齿走刀量，一次铣削 4mm5mm 的余量达到 RA1.6m 的连杆大小头双端面铣削组合机床及夹具设计第 7 页 共 28 页表面粗糙度。这时每齿的进给量一般为 0.02mm0.03mm。表 2-1 是用硬质合金端铣刀的铣削用量查组合机床设计简明手册得知 1。表 2-1 用硬质合金端铣刀的铣削用量加工材料 工序 铣削深度（mm）铣削速度V(m.min-1)每齿走刀量Fz(mm/z)粗 24 80120 0.20.4钢 ab=520720MPa精 0.51 100180 0.050.20粗 24 60100 0.20.4钢 ab=700900 MPa精 0.51 90150 0.05
14、0.15粗 24 4070 0.10.3钢 ab=10001100 MPa精 0.51 60100 0.050.10粗 25 5080 0.20.4铸铁精 0.51 80130 0.050.2粗 25 300700 0.100.4铝及其合金精 0.51 5001000 0.0510.3由上表可知，对于本次设计，我们应该选用加工材料为钢 ab=520 MPa 720MPa ，粗铣：铣削深度 2mm4mm，铣削速度 80m.min-1120 m.min-1,每齿走刀量 0.2 mm/z 0.4mm/z；精铣：铣削深度 0.5mm1mm，铣削速度 100 m.min-1180 m.min-1,每齿走
15、刀量 0.05 mm/z 0.20mm/z。组合机床常用铣削方法加工平面，精铣的平面度可达 003 mm 0.05/1000mm，表面粗糙度可达 Ra0.8m 1.6m。对基面的平行度可保证在 0.05mm 以内，基面间距的尺寸精度可保证在 0.05mm 以内。2.2.1.1 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（金属切削率）和必要的刀具耐用度，以提高生产效率和降低加工成本 8-12。金属切削率可以用下式计算：Zw V.f.a p.1000连杆大小头双端面铣削组合机床及夹具设计第 8 页
16、 共 28 页式中：Z w单位时间内的金属切除量（mm 3/s）V 切削速度（m/s）f 进给量（mm/r）ap 切削深度（mm）提高切削速度、增大进给量和切削深度，都能提高金属切除率。但是，在这三个因素中，影响刀具耐用度最大的是切削速度，其次是进给量，影响最小的是切削深度。所以粗加工切削用量的选择原则是：首先考虑选择一个尽可能大的吃刀深度 ap,其次选择一个较大的进给量度 f，最后确定一个合适的切削速度 V。选用较大的 ap 和 f 以后，刀具耐用度 t 显然也会下降，但要比 V 对 t 的影响小得多，只要稍微降低一下 V 便可以使 t 回升到规定的合理数值，因此，能使 V、f、a p 的乘
17、积较大，从而保证较高的金属切除率。此外，增大 ap 可使走刀次数减少，增大 f 又有利于断屑。因此，根据以上原则选择粗加工切削用量对提高生产效率，减少刀具消耗，降低加工成本是比较有利的。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。本次设计选用铣削深度为 2mm4mm。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
18、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。本次设计选用每齿走刀量 0.2 mm/z 0.4mm/z。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。本次设计选用铣连杆大小头双端面铣削组合机床及夹具设计第 9 页 共 28 页削速度为 80 m.min-1120 m.min-1。2.2.1.2 精加工时切削用量的选择原则精加工时加工精度和表
19、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 12。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。本次设计选用铣削深度为 0.5 mm 1mm。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。本次设计选用每齿走刀量 0.05 mm/z 0.20mm/z。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
20、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 ap 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。本次设计选用铣削速度为 100 m.min-1180m.min-1。连杆大小头双端面铣削组合机床及夹具设计第 10 页 共 28 页2.2.2 连杆工艺方案确定图 2-2 发动机连杆零件简图连杆由大、小头和杆身等部分组成。大头为开式结构（系直剖式连杆） 。连杆和连杆盖用螺栓，螺母连接。为减少磨损和便于修理，大头孔和小头孔内分别安装轴瓦和铜套。连杆身的截面为工字形，可减少重量和减少惯性力又使连杆具有足够的强度和刚度。连杆头两端面有落差且杆身对称。大小头侧面设计有定位凸台作为机械加工时的辅助定位基准，便于定位基准的统一 1-5。连杆总的工艺特点是：外形复杂，不易定位；大、小头有细长的杆身连接，所以弯曲刚性差，易变形；尺寸精度，形状精度和位置精度及表面粗糙度要求很高。连杆所选的材料为 45 钢（精选含碳量为 0.42%0.47%） ，并经调质处理以提高其强度及其抗冲击能力，其硬度为 217 HBS 287HBS。其锻件重量为7.5kg。
