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無錫職業(yè)技術學院機械技術學院
畢業(yè)設計開題報告
姓 名
專 業(yè)
班 級
學 號
論文題目
發(fā)動機連桿切削加工夾具設計 -大頭孔粗加工
一、 目的、意義及文獻綜述
1. 目的
一項優(yōu)秀的夾具結構設計，往往可以使生產效率大幅度提高，并使產品的加工質量得到極大的穩(wěn)定。尤其是那些外形輪廓結構較復雜的工件，幾乎各道工序都離不開專門設計的高效夾具。目前中等生產規(guī)模的機械加工生產企業(yè)，其夾具的設計，制造工作量，占新產品工藝準備工作量的50%-80%。生產設計階段，對夾具的選擇和設計工作的重視程度，絲毫也不亞于對機床設備及各類工藝參數的慎重選擇。夾具的設計，制造和生產過程中對夾具的正確使用，維護和調整，對產品的優(yōu)劣起著舉足輕重的作用。
機械制造基礎畢業(yè)設計是我們學完了大學的機械制造基礎課程、技術基礎課以及大部分專業(yè)課之后進行的。畢業(yè)設計對我們未來的工作有著很大的幫助。
2. 意義
夾具是一種能夠使工件按一定的技術要求準確定位和牢固夾緊的工藝裝備，它廣泛地運用于機械加工，檢測和裝配等整個工藝過程中。在現代化的機械和儀器的制造業(yè)中，提高加工精度和生產率，降低制造成本，一直都是生產廠家所追求的目標。正確地設計并合理的使用夾具，是保證加工質量和提高生產率，從而降低生產成本的重要技術環(huán)節(jié)之一。同時也擴大各種機床使用范圍必不可少重要手段。
一項優(yōu)秀的夾具結構設計，往往可以使生產效率大幅度提高，并使產品的加工質量得到極大的穩(wěn)定[2]。尤其是那些外形輪廓結構較復雜的，不規(guī)則的拔叉類，桿類工件，幾乎各道工序都離不開專門設計的高效夾具。目前中等生產規(guī)模的機械加工生產企業(yè)，其夾具的設計，制造工作量，占新產品工藝準備工作量的50%-80%。生產設計階段，對夾具的選擇和設計工作的重視程度，絲毫也不亞于對機床設備及各類工藝參數的慎重選擇。夾具的設計，制造和生產過程中對夾具的正確使用，維護和調整，對產品的優(yōu)劣起著舉足輕重的作用。
3. 文獻綜述
夾具的設計包括三個步驟：設備規(guī)劃，夾具規(guī)劃和夾具結構設計。目前，J.-Y. Jung[3]以及Ferreira等人在進行CAPP方面的研究中對設備規(guī)劃有詳細論述。計算機輔助家居設計（CAFD）就夾具方面也做了一些工作；Chou YC Chandru V等人提出的自動夾具定位和夾緊的一種方法；de meter EC提出的利用機械杠桿原理進行定位和夾緊位置選擇的一種算法。目前，關于工件夾具的自動化配置方面的工作，自動化結構設計AFCD中很少提及。
Cai等提出了一種指導夾具設計的方法，此方案是縮小由于工件表面與夾具安裝誤差所帶來的定位誤差。Hockenberger[4]與Demter提出的模式是在工件加工期間工件的靜態(tài)分析，這種方法是一種定性分析并且是在抓緊或夾緊物體的最壞的情況下的偏差，這種情況是由于干涉扭矩。夾具是機械加工不可缺少的部件，在機床技術向高速、高效、精密、復合、智能、環(huán)保方向發(fā)展的帶動下，夾具技術正朝著高精、高效、模塊、組合、通用、經濟方向發(fā)展[5]。
高 精
隨著機床加工精度的提高，為了降低定位誤差，提高加工精度，對夾具的制造精度要求更高。高精度夾具的定位孔距精度高達±5μm，夾具支承面的垂直度達到0.01mm/300mm，平行度高達0.01mm/500mm。德國demmeler(戴美樂)公司制造的4m長、2m寬的孔系列組合焊接夾具平臺，其等高誤差為±0.03mm；精密平口鉗的平行度和垂直度在5μm以內；夾具重復安裝的定位精度高達±5μm；瑞士EROWA柔性夾具的重復定位精度高達2~5μm。機床夾具的精度已提高到微米級，世界知名的夾具制造公司都是精密機械制造企業(yè)。誠然，為了適應不同行業(yè)的需求和經濟性，夾具有不同的型號，以及不同檔次的精度標準供選擇。
高 效
為了提高機床的生產效率，雙面、四面和多件裝夾的夾具產品越來越多。為了減少工件的安裝時間，各種自動定心夾緊、精密平口鉗、杠桿夾緊、凸輪夾緊、氣動和液壓夾緊等，快速夾緊功能部件不斷地推陳出新。新型的電控永磁夾具，加緊和松開工件只用1~2秒，夾具結構簡化，為機床進行多工位、多面和多件加工創(chuàng)造了條件。為了縮短在機床上安裝與調整夾具的時間，瑞典3R夾具僅用1分鐘，即可完成線切割機床夾具的安裝與校正。采用美國Jergens(杰金斯)公司的球鎖裝夾系統(tǒng)，1分鐘內就能將夾具定位和鎖緊在機床工作臺上，球鎖裝夾系統(tǒng)用于柔性生產線上更換夾具，起到縮短停機時間，提高生產效率的作用。
模塊、組合夾具元件模塊化是實現組合化的基礎[6]。利用模塊化設計的系列化、標準化夾具元件，快速組裝成各種夾具，已成為夾具技術開發(fā)的基點。省工、省時，節(jié)材、節(jié)能，體現在各種先進夾具系統(tǒng)的創(chuàng)新之中。模塊化設計為夾具的計算機輔助設計與組裝打下基礎，應用CAD技術，可建立元件庫、典型夾具庫、標準和用戶使用檔案庫，進行夾具優(yōu)化設計，為用戶三維實體組裝夾具。模擬仿真刀具的切削過程，既能為用戶提供正確、合理的夾具與元件配套方案，又能積累使用經驗，了解市場需求，不斷地改進和完善夾具系統(tǒng)。組合夾具分會與華中科技大學合作，正在著手創(chuàng)建夾具專業(yè)技術網站，為夾具行業(yè)提供信息交流、夾具產品咨詢與開發(fā)的公共平臺，爭取實現夾具設計與服務的通用化、遠程信息化和經營電子商務化。通用、經濟夾具的通用性直接影響其經濟性[7]。采用模塊、組合式的夾具系統(tǒng)，一次性投資比較大，只有夾具系統(tǒng)的可重組性、可重構性及可擴展性功能強，應用范圍廣，通用性好，夾具利用率高，收回投資快，才能體現出經濟性好。德國demmeler(戴美樂)公司的孔系列組合焊接夾具，僅用品種、規(guī)格很少的配套元件，即能組裝成多種多樣的焊接夾具。元件的功能強，使得夾具的通用性好，元件少而精，配套的費用低，經濟實用才有推廣應用的價值[8]。
專家們建議組合夾具行業(yè)加強產、學、研協(xié)作的力度，加快用高新技術改造和提升夾具技術水平的步伐，創(chuàng)建夾具專業(yè)技術網站，充分利用現代信息和網絡技術，與時俱進地創(chuàng)新和發(fā)展夾具技術。主動與國外夾具廠商聯(lián)系，爭取合資與合作，引進技術，這是改造和發(fā)展我國組合夾具行業(yè)較為行之有效的途徑[9]。
改革開放以來，隨著中國與世界的接軌，中國不斷的引進了西方先進的加工技術，而且隨著世界科技的飛速發(fā)展，數控機床，加工中心，柔性制造單元，柔性制造系統(tǒng)等一系列高端設備得以廣泛的運用，使得我國的加工精度和加工方法也發(fā)生了革命性的改變。產品更新?lián)Q代的加快，產品需求的多樣化，是制造業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)，特別像發(fā)動機連桿這種不規(guī)則零件就出現了重大問題，現階段發(fā)動機連桿零件加工還打不到自動化加工，它的工藝好需要人工畫線的方法來保證，而零件的裝夾也是通過人工來完成的，所以現階段我國對發(fā)動機連桿這種不規(guī)則零件的加工的效率還是比較低的階段。夾具方面人們也從過去傳統(tǒng)的夾具的裝夾，定位，刀具的引導定位為夾具的裝夾和定位，隨著數字化加工設備的擴大化，已經將夾具的引導刀具功能完全替代，給今后的夾具的快速裝夾與定位提出了更高的要求。
課題研究的內容：
通過網絡、期刊、教材、廠家資料及國內外相關文獻查閱。根據要求完成對發(fā)動機連桿加工工藝和夾具設計系統(tǒng)設計。完成設計圖紙的繪制并進行相關校核工作，完成設計說明書的編寫。
加工工藝
1、制訂發(fā)動機連桿加工工藝規(guī)程，關鍵是工序的劃分和定位基準的選擇。在設計開始的過程中，我們必須要認真分析零件圖，了解其發(fā)動機連桿零件的結構特點和相關的技術要求，對發(fā)動機連桿零件的每一個細節(jié)，都應仔細的分析，如發(fā)動機連桿加工表面的平行度、粗糙度、垂直度，特別是要注意發(fā)動機連桿零件各孔系自身精度（同發(fā)動機連桿度、圓度、粗糙度等）和它們的相互位置精度（發(fā)動機連桿線之間的平行度、垂直度以及發(fā)動機連桿線與平面之間的平行度、垂直度等要求），發(fā)動機連桿零件的尺寸是整個零件加工的關鍵，必須弄清發(fā)動機連桿零件的每一個尺寸。繪制零件圖是一個重點，同時因為發(fā)動機連桿零件比較復雜,所以也是一個難點。我們采用autoCAD軟件繪制零件圖，一方面增加我們對零件的了解認識，另一方面增加我們對autoCAD軟件的熟悉。
工序的劃分
確定加工順序和工序內容，安排工序的集中和分散程度，劃分工序階段，這項工作與生產綱領有密切關系，具體可以根據生產類型、零件的結構特點、技術要求和機床設備等。生產條件確定工藝過程的工序次數；如批量小時可采用在通用機床上工序集中原則，批量大時即可按工序分散原則，組織流水線生產，也可利用高生產率的通用設備，按工序集中原則組織生產。
二、 課題完成步驟 （按照提出問題，分析問題，解決問題）
根據不同的研究對象擬采用不同的研究手段（途徑），本課題包括兩方面內容：
發(fā)動機連桿加工工藝的設計和夾具設計
制定工藝規(guī)程的研究途徑和可行性分析
毛坯的選擇：
根據生產綱領和零件結構選擇毛坯，毛坯的類型一般在零件圖上已有規(guī)定。對于鑄件和鍛件應了解其分模面、澆口、冒口位置和拔模率，以便在選擇定位基準和計算加工余量時有所考慮。如果毛坯是棒料或型材，則按其標準確定尺寸規(guī)格，并決定每批加工件數。
毛坯的種類和其質量對機械加工的質量有密切的關系。同時對提高勞動生產率、節(jié)約材料、降低成本有很大的影響。擬訂工藝路線：
表示零件的加工順序及加工方法，分出工序，安裝或工位及工步等。并選擇各工序所使用的機床型號、刀具、夾具及量具等。擬訂工藝路線從實際出發(fā)，理論聯(lián)系實際和工人結合起來。常常需要提出幾個方案，進行分析比較后再確定。
計算切削用量、加工余量及工時定額：
查閱《切削用量手冊》等資料并進行計算確定。目前，對單件小批量生產不規(guī)定切削用量，而是由操作工人根據經驗自行選定，但對于自動線和流水線，為保證生產的節(jié)拍，必須規(guī)定切削用量，并不能隨意改變。計算加工余量、工序尺寸及公差是要控制各工序的加工質量以保證最終加工質量。工時定額一般按各工廠的實際經驗積累起來的統(tǒng)計資料來估算。隨著生產的發(fā)展，工藝的改進，新工藝，新技術的不斷出現，工時定額應進行相應的修改。
對機械加工工藝規(guī)程基本要求可歸結為質量、生產率和經濟性。雖然有時互相矛盾，但只要把它們處理好，就會成為一個統(tǒng)一體。在三個要求中，質量是首要的。質量表現在機械產品的各項技術性能指標，質量不能保證，根本談不上數量；質量和生產率之間是密切聯(lián)系的，在保證質量的前提下，應該不斷地最大限度地提高生產率，滿足生產量的要求。如果兩者矛盾，則生產率要服從于質量，應在保證質量的前提下解決生產率問題。在保證質量的前提下，應盡可能的節(jié)約耗費，減少投資，降低制造成本，這就是經濟性。
因此，發(fā)動機連桿的工藝規(guī)程研究途徑應該體現質量、生產率和經濟性的統(tǒng)一，達到經濟合理及可行的最優(yōu)方案。
夾具設計的研究途徑和可行性分析
發(fā)動機連桿、銑、鉆等工序使用的專用夾具，此類夾具的特點是針對性強、結構緊湊、操作簡便、生產率高。
夾具設計最關鍵是要求對工件定位正確，且滿足定位精度要求。為了解決此問題，首先得了解影響定位精度的因素。然后采取措施解決具體的問題。如定位基準與定位元件的配合狀況和影響定位精度，那么可以提高夾具的制造精度，減小配合間隙就能提高夾具在機床上的定位精度。
除此之外，選擇夾具的類型與結構型式必須與零件生產批量大小相適應，夾具結構與零部件應具有足夠的剛度和強度，從而保證夾具操作方便、夾緊可靠、使用安全、并有合理的裝卸空間。
課題研究的主要方法：
（1） 搜集資料，了解并掌握發(fā)動機連桿加工工藝結構和工作原理。
（2） 確定設計大體思路，撰寫開題報告，要求完成具體的設計內容及計算。
（3） 根據設計任務書的要求，熟悉相關軟件AutoCAD，確定設計方法及設計要點。按要求完成完整的設計計劃及預期達到的結果，進行相關設計及計算。
（4） 對所設計夾具設計相關校核，準備相關資料。
（5） 對設計說明書初稿進行相關格式修改，對設計圖紙并進行修改。
研究過程中的主要問題和解決的方法：
1、研究內容
(1)查閱文獻資料，詳細研究零件圖，了解零件的結構。
(2)根據零件的結構選取毛坯的種類和制造方法毛坯余量的選擇。
(3)制定工藝規(guī)程和可行性分析。
(4)選擇粗精基準，計算和選擇金屬切削機床的技術參數。
(5)根據發(fā)動機連桿的結構設計工序過程中的專用夾具。
本課題可能遇到的問題及其研究方法
（1）在剛開始的時候工序的劃分以及定位基準會比較難選擇，所以就在過程中腰認真分析零件圖，了解發(fā)動機連桿的結構特點及相關的技術要求而加工工序要根據生產類型，零件的結構來認真分析。
（2）在夾具設計的時候也可能遇到問題，比如工件的定位是否正確，定位精度是否滿足要求等等，所以要調查現階段國內外比較先進的發(fā)動機連桿結構，從整體上把握設計的方向，了解發(fā)動機連桿的加工工藝規(guī)程及夾具的設計原理。
（3）通過大量的資料，研究零件的結構，選擇合適的加工方法，及選擇合理的基準和工序安排。
（4）熟悉夾具的結構選擇合理的機床及裝夾設備，確定加工余量和工序，進行精細的準確的尺寸計算，和時間的估算。
在前期得做好各項準備，要查閱大量的文獻了解發(fā)動機連桿的結構，并在CAD，上畫出這個零件，認真去了解他的結構，這當中就需要一些工具書比如機械加工工藝手冊，夾具設計圖冊，刀具設計手冊以及有關教材及參考資料，最后如果有需要還可以選擇去工廠調研，以上條件具備完成本課題所需的工作條件。
發(fā)動機連桿總體設計方案
由零件圖可知，在粗加工大頭孔之前，連桿的兩個端面，小頭孔及大頭孔的兩側面都已加工，且表面粗糙度要求較高。為了使定位誤差為零，按基準重合原則選Φ48定位銷與基面為定位基準，定位銷限制2個自由度，基面限制工件3個自由度，大頭孔的外側面限制工件1個自由度，屬完全定位。由于生產批量大，為了提高加工效率，縮短輔助時間，準備采用手動式滑柱鉆模，采用了常用的圓錐自鎖裝置，裝卸工件方便、迅速。
由于所加工的零件比較小，夾具的夾緊力與加工零件時的軸向力方向相同，為了裝卸工件方便，采用手動式滑柱鉆模。加工的大頭孔為通孔，沿Z方向的位移自由度可不予限制，但實際上以工件的端面定位時，必須限制該方向上的自由度。故應按完全定位設計夾具。
滑柱式是一種帶有升降鉆模板的通用可調夾具，它由鉆模板、三根滑柱、夾具體和傳動、鎖緊機構所組成。使用時，轉動手柄，經過齒輪齒條的傳動和左右滑柱的導向，便能順利的帶動鉆模板升降，將工件夾緊或松開。鉆模板在夾緊工件或升降至一定高度后，必須自鎖。自鎖機構的種類很多，但用得最廣泛的是圓錐鎖緊機構。
由零件圖可知，在粗加工大頭孔之前，連桿的兩個端面，小頭孔及大頭孔的兩側面都已加工，且表面粗糙度要求較高。為了使定位誤差為零，按基準重合原則選Φ48定位銷與基面為定位基準，定位銷限制2個自由度，基面限制工件3個自由度，大頭孔的外側面限制工件1個自由度，屬完全定位。由于生產批量大，為了提高加工效率，縮短輔助時間，準備采用手動式滑柱鉆模，采用了常用的圓錐自鎖裝置，裝卸工件方便、迅速。
由于所加工的零件比較小，夾具的夾緊力與加工零件時的軸向力方向相同，為了裝卸工件方便，采用手動式滑柱鉆模。加工的大頭孔為通孔，沿Z方向的位移自由度可不予限制，但實際上以工件的端面定位時，必須限制該方向上的自由度。故應按完全定位設計夾具。
滑柱式是一種帶有升降鉆模板的通用可調夾具，它由鉆模板、三根滑柱、夾具體和傳動、鎖緊機構所組成。使用時，轉動手柄，經過齒輪齒條的傳動和左右滑柱的導向，便能順利的帶動鉆模板升降，將工件夾緊或松開。鉆模板在夾緊工件或升降至一定高度后，必須自鎖。自鎖機構的種類很多，但用得最廣泛的是圓錐鎖緊機構。
三、 論文撰寫時間安排
1. 完成初稿 （ 年 月 日）
2. 完成二稿 （ 年 月 日）
3. 最終定稿 （ 年 月 日）
四、 指導教師意見
年 月 日