美国赛车连杆专用工装夹具设计.docx
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美国赛车连杆专用工装夹具设计
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
AappropriativefixturedesigningforUnitedStatesracecarconnectingrod
Abstract:
Theconnectingrodisatypicalpart.Therearemanymaturetechnicalschedulesathomeandabroadcurrently.ThebodyoftheUnitedStatesracescarconnectingrodhasadifferentexposureoftheI-shapedtothecommonconnectingrods.Inadditionto,itseachfacerequiretomachining,whichmakeitmoredifficulttobeprocessedthanthosecommonconnectingrods.Thistextbasedonthestructurecharacteristics,theworkcircumstanceandtheexistingprocesscondition,andaccordingtotheestablishedtechnicalschedules,designappropriativefixturefordrillpressandmillingmachine.
Atfirstthistestanalyzethestructurecharacteristics,mainsurfaceprocessingtechnologytoberequire,materialprocessibilityandmachiningprocessibilityoftheconnectingrod.Thenproposethetechnicalschedule.Themaincontentisfixturedesigning.Bringforwardtwosetprojectsofappropriativefixturefordrillpressandmillingmachineseparately.Thenanalyze,compareandchoosethebestproject.Atlastdotheaccuracyanalyzinganddemonstratefeasibilityoftheproject.
Keyword:
connectingrodtechnicalschedulefixture
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
①、零件图分析;
②、毛坯分析;
③、加工工艺分析;
④、夹具设计;
⑤、方案对比分析,选择最佳方案;
⑥、精度分析。
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2-1)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。
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HRC3~HRC38。
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≥60~100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。
2.4零件主要表面的技术要求
(1)大头孔Ф56.515
,加工精度为IT9,粗糙度为Ra0.4。
(2)小头孔衬套底孔Ф25
,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152.4
0.05。
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Ф0.15mm,精度IT7。
套筒外圆精度IT6,粗糙度Ra1.6配合尺寸Ф
。
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<0.5mm),必限自由度三个(一平面),但为了使夹具制造简单,夹紧加工方便,限制六个自由度。
在连杆机械加工工艺过程中,大部分工序选用连杆的一个指定的端面和小头孔作为精基准来定位,并用大头处指定的一侧面作为另一定位基面,这样端面的面积大,定位比较稳定,这样不仅实现了加工过程中基准统一,更重要的是使连杆的主要技术要求,如大小头孔之间的中心距要求,大小头孔的平行度要求,端面与大头孔的要求,
两端面间的距离要求等,在加过程中实现基准重合,减少了定位误差。
按照“基准先行”原则,作为连杆主要定位精基准的端面加工,一般安排在工艺过程最初工序进行,所以在粗加工大小头孔前,先铣两端并粗磨两端面。
第3章零件工艺路线的制定
3.1毛坯种类及其工艺过程的确定
美国赛车连杆材料结构要求金属纤维方向沿着连杆杆身轴线并与连杆的外形轮廓相适应,并且没有旋状和中断现象。
不允许有分层、气泡、裂纹和夹渣等。
中批量生产钢制连杆时多用模段法制造毛坯。
连杆锻坯形式有两种,一种是杆体和杆盖分开锻造,另一种是将杆体和杆盖锻成一体。
整体锻造的毛坯需要在以后的机械加工中将其切开,为保证切开后粗镗孔余量均匀,最好将整体连杆大头孔锻成椭圆形。
相对于分开锻造而言,整体锻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,故该连杆采用整体锻造。
由于连杆是中批量生产,故采用锤上模锻较好。
连杆毛坯工序如下:
下料——加热——拔长——预锻——终锻——切飞边——冲孔——校正——热处理——清理——检验。
毛坯也可采用辊锻,其毛坯工序如下:
下料——加热——多次辊锻——整形——切边——冲孔——热校正——清理——检验,但辊锻需经多次逐渐成型,比较适应大批大量生产,不适合该连杆。
查机械工艺设计手册中模锻的加工余量为内外表面加工余量为1.7——2.2mm,内孔直径加工余量为2.0mm,所以统一取毛坯机加工余量为2.0mm。
3.2工艺路线方案选择
下面的工艺路线是参考了同组成员的设计得出来的。
表3-1工艺路线方案
车间
工作程序
型别
零件号
零件名称
材料
毛料种类
第1页
QP—02804
赛车连杆
40CrNiMo
共1页
工序号
工序名称
设备型号
工序号
工序名称
设备型号
0
毛坯图检查
110
镗大头孔
CA6140
5
铣两端面
X52
115
铣杆身两侧面
X62W
10
磨两端面
M7132
120
铣小头圆弧
X52
15
钻、扩、铰小头孔
Z535
125
铣杆身凹下表面
X52
20
铣两侧面
X62w
130
磨杆身凹下表面
M7130
25
磨两侧面
M7130
135
铣杆身圆弧槽
X62W
30
标印基准
140
车大小端圆弧面
CA6140
35
裂解开盖体
145
钳修圆弧、装配衬套
40
铣盖台阶面
X62W
150
钻两斜孔
Z4006A
45
磨盖台阶面
M7130
155
打毛刺、倒角
50
锪盖台阶孔
Z518
160
精镗小头孔
T7140—1
55
钻铰盖孔
Z525B
165
磨大头孔
M2100
60
钻铰盖台阶孔
Z525B
170
铣大端平面
X62W
65
钻螺纹底孔
Z512—1
175
磨大端平面
M7130
70
扩铰台阶孔
Z525B
180
抛光、清洗、磁力擦伤、喷丸
75
攻螺纹孔
Z525B
185
标印分解清洗
80
铣连杆盖顶部圆弧面
X52
190
铣连杆盖锁口槽
X52
85
铣杆盖顶部形槽
X62W
195
铣连杆体锁口槽
X52
90
钳修R5和接刀台
200
钝化
95
中检、装配
205
检验装配
100
磨两端面
M7130
210
珩磨大头孔
M4216A
105
磨两侧面
M7130
215
终检、油封入库
第4章专用夹具设计[3]
在机床上加工工件时,为了使工件在该工序所加工的表面能达到规定的尺寸和位置公差要求,在开动机床进行加工之前,必须首先使工件占用一正确位置。
通常把确定工件在机床上或夹具中占有正确位置的过程,称为定位。
在夹具设计中,定位方案不合理,工件的加工精度就无法保证。
工件定位方案的确定是夹具设计中首先要解决的问题。
当工件定位后,为了避免在加工中受到切削力、重力等的作用而破坏定位,还应该用一定的机构或装置将工件加以固定。
工件定位后将其固定,使其在加工过程中保持定位位置不变的操作,称为夹紧。
将工件定位、加紧的过程称为装夹。
工件装夹是否正确、迅速、方便和可靠,直接影响工件的加工质量、生产效率、制造成本和操作安全。
在成批、大量生产中,工件的装夹是通过机床夹具来实现的。
机床夹具在生产中应用十分广泛。
机床夹具的作用可归结为以下四个方面:
●保证加工精度机床夹具可准确确定工件、刀具和机床之间的相对位置,可保证加工精度。
●提高生产效率机床夹具可快速地将工件定位和夹紧,减少辅助时间。
●减轻劳动强度采用机械、气动、液动等夹紧机构,可以减轻工人的劳动强度。
●扩大机床的工艺范围利用机床夹具,可使机床的加工工艺范围扩大,例如在卧式车床刀架处安装镗孔夹具,可对箱孔进行镗孔加工。
4.1专用机床夹具
机床专用夹具是为某一零件在某一道工序上的装夹而专门设计和制造的夹具,这类夹具定位准确,装卸工件迅速,但设计和制造的周期较长,费用较高。
因此主要用与产品相对稳定而产量较大的成批或大量生产。
在实际生产中,技术人员所设计的夹具通常是专用机床夹具。
4.1.1专用机床夹具的组成
在生产中使用的机床夹具种类繁多,结构千变万化,根据其元件,机构所起的作用,可以归纳出夹具一般由以下几部分组成:
1.定位元件
定位元件是用以确定工件正确位置的元件。
用工件定位基准或定位基面与夹具定位元件接触或配合来实现工件定位。
2.夹紧装置
夹紧装置是在工件定位后将工件夹牢的装置。
3.对刀、导向元件
对刀导向元件是志用于确定或引导刀具的元件。
如钻套、镗套、对刀装置等,其作用是使刀具与定位元件之间获得正确的相对位置。
4.夹具连接元件
夹具连接元件是指用于保证夹具在机床上定位和夹紧用的元件。
如铣床夹具底面上安装的定位键等。
5.其他元件及装置
根据工件的加工要求,有些夹具除上述组成部分外,还需要设置其他元件或装置。
如进行多工位加工用的分度装置、某些夹具的靠模装置、工件抬起装置和辅助支撑等。
6.夹具体
夹具体是用于联接夹具各元件及装置,使之成为一个整体的基础件。
通常定位元件、夹紧装置和夹具体是夹具的基本组成部分,其他部分根据夹具所属的机床类型、工件加工表面的特殊要求设置。
4.2机床夹具设计要求
1.机床夹具的结构应与其用途和生产规模相适应
夹具的用途和生产规模的大小不同,夹具的结构形式也不相同。
在大批大量生产中,夹具的主要作用一方面是要保证产品质量,另一方面还要考虑尽量提高生产效率的问题,应广泛采用多件夹紧机构,气动、液压和电动夹紧装置等高效、省力的夹具;在中小批生产中,由于受到生产条件的限制,为使经济性良好,夹具的作用主要是达道保证产品质量的目的,应尽量使夹具结构简单,广泛采用单件加工的夹具及手动夹紧机构。
在条件允许的情况下,应考虑采用可调夹具、成组夹具和组合夹具等。
2.机床夹具零件标准化程度高
夹具设计时尽量采用结构成熟的标准夹紧机构、标准夹具元件和标准件,减少非标准零件,以提高夹具的标准化程度,缩短夹具设计时间,提高夹具设计质量和降低夹具制造周期及成本。
3.机床夹具结构应具有足够的刚度、强度和良好的稳定性
为保证工件加工要求和夹具本身的精度不受破坏,以及加工中夹具不发生振动等,夹具结构应具有较高的刚度和强度。
夹具安装在机床工作台上应具有良好的稳定性,注意降低夹具重心,夹具底面轮廓尺寸与夹具高度尺寸应适当成比例。
4.保证使用方便和安全
为了便于操作,夹紧机构的操作手柄一般应放在右边或前面。
为便于夹紧工件,操作夹紧件的手柄或扳手在操作范围内应有足够的活动空间。
要注意防止夹紧机构的活动件与机床、刀具相碰撞。
因此,在设计时要认真阅读机床有关数据。
同时,还要考虑清除切屑方便、安全。
5.有良好的工艺性
所设计的夹具应便于夹具制造、检验、装配、调整和维修。
对于夹具上精度要求高的位置尺寸,应考虑能在装配后用合并加工的方法来保证,或依靠装配时调整的方法得到保证。
4.3专用机床夹具设计的步骤
1.收集和研究有关资料
(1)分析零件图和工序图
了解零件的功用,特点,材料,生产类型及技术要求,详细分析工件加工工艺过程和本工序加工要求,如工序尺寸,工序基准,加工余量,定位基准和夹紧部位等。
(2)了解本工序使用的机床和刀具
了解机床的规格,主要参数以及在机床上安装夹具部位的机构和配合尺寸。
了解本工序使用的刀具类型,主要结构尺寸等情况。
(3)熟悉夹具设计用的国家标准,行业标准和企业标准
查阅夹具设计手册和夹具设计指导资料等。
(4)了解夹具典型机构
在着手设计之前,应多参阅一些典型夹具结构图册及夹具部件的典型结构,以增加对夹具结构的认识。
2.确定夹具的结构方案
在确定夹具结构方案的过程中,工件定位,夹紧,对刀和夹具在机床上定位等各部分的结构以及总体布局都会有几种不同的方案可供选择。
因此,都应画出结构原理示意图,通过必要的计算(如定位误差计算)和分析比较,最终选取最为合理的方案。
确定夹具结构方案时,主要考虑下列内容:
(1)确定工件的定位方案
(2)确定刀具的对刀或引导方式
(3)确定工件的夹紧方案
(4)确定夹具其他组成部分的结构形式
(5)确定夹具体的形式和夹具的总体结构
3.绘制夹具的装配草图和装配图
夹具总图绘制比例除特殊情况外,一般均按1:
1绘制,以保证良好的直观性。
总图上的主视图,应尽量选取与操作者正对的位置。
夹具装配图可按如下顺序进行:
把工件视为透明体,用双点画线画出工件的轮廓,定位面,夹紧面和加工表面;画出定位原件和导向原件;按夹紧状态画出夹紧装置;画出其他元件或机构;最后画出夹具体,把上述各组成部分联结在成一体,形成完整的夹具;标注必要的尺寸,配合和技术条件;对零件编号,填写标题栏和零件明细表。
4.绘制夹具零件图
5.编写专用机床夹具设计说明书
4.4工件的六点定位规则
一个自由刚体,在空间直角坐标系中,有六个方向活动的可能性,即沿三个坐标轴的移动自由度和绕三个和坐标轴的转动自由度,见图4-1。
图4-1刚体的六个自由度图4-2工件在空间的六点定位
一般把某一个活动的可能性称为一个自由度,自由刚体在空间共有六个自由度。
工件可近似的看成为自由刚体。
工件在没有采取定位措施时,其位置具有六个可活动方向。
要使工件在某个方向有确定的位置,就必须限制该方向的可活动方向。
可以通过布置支承点的方式来限制自由度。
如图4-2所示,若使一个六方体工件在空间占有唯一确定的位置,可在空间直角坐标系的三个垂直平面上,适当布置六个支承点,即在底平面布置三个支承点1、2和3(位置不在同一条直线上),限制工件
、
、
三个自由度;在侧平面布置两个支承点4和5,限制工件
两个自由度;再在后平面布置一个支承点6,限制工件
一个自由度,则实现了限制工件在空间六个方向的活动性,使工件在空间占据唯一确定的位置。
4.5夹紧装置的组成和要求
4.5.1夹紧装置的组成:
1.动力装置:
产生夹紧动力的装置。
2.夹紧元件:
直接用于夹紧工件的元件。
3.中间传力机构:
将原动力以一定的大小和方向传递给夹紧元件的机构。
4.5.2对夹紧装置的要求
1.夹紧过程不得破坏工件在夹具中占有的定位位置。
2.夹紧力要适当,既要保证工件在加工过程中定位的稳定性,又要防止因夹紧力过大损伤工件表面或使工件产生过大的夹紧变形。
3.操作安全、
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