连杆零件的工艺规程及夹具设计方法
摘 要：由常见的连杆零件，根据两种不同材质的连杆以及技术要求，分别介绍了其加工工艺规程，并做了简单的对比。又介绍了目前较新颖的解裂加工技术。引出了计算机辅助夹具设计方法在夹具生产中的作用；简单介绍了SolidWorks在夹具中的使用方法，并和传统夹具设计方法讨论了优劣。
关键词：连杆；工艺规程；裂解加工；计算机辅助夹具设计；SoliWorks
0 前言
制造业是国家的支柱产业，制造业发展水平的高低，标志着一个国家的经济水平、科技水平、生活水平和国防能力。近几年来，制造业在我国得到了高速发展。制造业是制造具有一定功能的、供人们日常生活中直接使用或者生产的零件和产品，是生产生活必不可缺的行业[1]。
某个零件在出厂之前，需要经过各道工序，比如机加工、检测、焊接等，其中需要使用大量的夹具。由于夹具的设计难度取决于夹具各机构的复杂程度，当加工连接杆、拨叉等典型工件时，夹具的设计难度将大幅增加。更重要的是，这将影响到企业的生产效益。因此，夹具是装备设计中的重要工作[2]。
本文将以连杆零件为例，简要说明工艺规程的重要性，再结合近几年来国内外机械从业人员对夹具行业的探索，简要说明了夹具的研究与发展、夹具设计的基本步骤及相关知识，并选择了计算机辅助夹具设计中基于SolidWorks夹具设计方法，介绍了其设计过程。最后结合目前的行业现状，提出了自己对连杆零件工艺规程和夹具设计的看法。
1 连杆零件的工艺特点
连杆是发动机的心脏，它的性能影响着发动机的寿命。它连接气缸、活塞、曲轴以及主轴承构成曲柄连接机构，把活塞的直线运动变成旋转运动并传递动力的一个部件[3]。连杆杆身做复杂的平面运动，并在工件中承受着剧烈变化的动载荷的作用[4]。
1.1连杆的结构分析
连杆由连杆体及连杆盖两部分组成。杆身多位工字型断面，大头孔用连杆螺栓和螺母与曲柄轴颈装配在一起，孔内装有薄壁轴瓦（因薄壁双金属轴瓦互换性较好，故应用较广），钢质瓦背内表面浇有一层耐磨合金。为便于从气缸中装卸，大头结合面做成斜切口。定位方式有销钉定位、套筒定位、齿形定位和凸肩定位。小头孔内压入青铜衬套，用以补偿磨损，便于更换。小头、大头与杆身采用较大圆弧过渡，以获得足够的强度和刚度。连杆零件简图见图1。
图1 连杆零件简图
根据连杆的工作情况，连杆应具有以下设计要求：（1）结构简单，尺寸紧凑，可靠耐用；（2）保证具有足够强度和刚度的前提下，尽可能减轻重量，以降低惯性力；（3）尽量减小长度以减小发动机总体尺寸和重量；（4）大小头轴承工作可靠，耐磨性好；（5）连杆螺栓疲劳强度高，连接可靠；（6）易于制造，成本低。
1.2连杆的工艺特点
连杆的加工精度将直接影响柴油机等的性能，而工艺的选择又是直接影响精度的主要因素。反应连杆精度的参数主要有5个，结合连杆精度的参数，连杆零件的工艺特点可归纳为三个方面：(1)、改善连杆的加工工艺；(2)、连杆两段的组成为斜面和窄平面；(3)、带止口斜接合面。对于其工艺规程，可以从两个方面来设计：(1)、基面的选择；(2)、制定工艺路线[5]。
1.3连杆的工艺规程设计
工艺过程是指生产过程中，直接改变毛坯的形状、尺寸和材料性能，使其成为成品或半成品的过程。工艺规程是指采用文件形式固定下来，作为组织生产、编制生产计划和知道生产的工艺过程。设计零件的机械加工工艺规程，应按如下步骤进行：
1)根据零件图和产品装配图，对零件进行工艺分析；
2)计算零件的生产纲领，确定生产类型；
3)确定毛坯的种类和制造方法；
4)确定毛坯的尺寸和公差；
5)拟定工艺路线；
6)确定各工序的加工余量，计算工序尺寸及公差；
7)选择各工序的切削用量和时间定额；
8)编制工艺文件[6]。
在确定连杆工艺过程时，应注意以下几点：
1)应符合“基准统一”原则，尽量避免基准的更换，以减少定位误差；
2)工件夹紧点要选择在刚性较好的部位；
3)设计工艺用定位凸台，作为辅助基准；
4)要求较高的表面可按粗加工、半精加工、精加工、等阶段分别进行，在粗精加工之间可安排其他表面的加工，以保证工件有充分变形时间，在以后的精加工中能消除这些变形的影响。
下面分别以45号钢和合金钢为材质的连杆，详细介绍一下连杆的工艺规程，并做简要的对比。
1.3.1 连杆(材质为45#钢)工艺规程设计
李淑玲在其文中指出，连杆的机械加工工艺过程可分为三个阶段：连杆体的加工，连杆盖的加工，连杆总成的加工。在这三个阶段中，根据需要穿插其他一些工序，如倒角、去毛刺、检验、装螺栓和螺母、称重、分组、修正重量、清洗及校正等。
连杆体加工的工艺流程是：拉大小头两端面→粗磨大小头两端面→拉连杆大小头侧定位面→拉连杆盖两端面及两端面倒角→拉小头两斜面→粗拉螺栓座面，拉配对打字面、去重凸面及盖定位侧面→粗镗杆身下半圆、倒角及小头孔→粗镗杆身上半圆、小头孔及大小头倒角→清洗零件→零件探伤、退磁→精铣螺栓座面及R5圆弧→铣断杆、盖→小头孔两斜端面上倒角→精磨连杆杆身两端面→加工螺栓孔→拉杆、盖结合面及倒角→去配对杆盖毛刺→清洗配对杆盖→检测配对杆盖接合面精度→人工装配→扭紧螺栓→打印杆盖配对标记号→粗镗大头孔及两侧倒角→半精镗大头孔及精镗小头衬套底孔→检查大头孔及精镗小头衬套孔精度→压入小头孔衬套→称重去重→精镗大头孔、小头衬套孔→精洗→最终坚持→成品防锈。
在制造过程中，为保证产品质量和生产率要求，可以有几种不同的工艺方案，为了选取在给定条件下最经济的方案，就必须对各种工艺方案进行技术经济性分析。工艺成本有两部分组成：可变费用和不变费用。可变费用为与年产量的大小成比例变化的费用，不变费用与年产量的大小无直接关系，当年产量在一定范围内变化时，其费用基本保持变。当工艺方案按成本分析比较相差不大时，可按一些相对经济技术指标来进行工艺方案的补充论证。另外，必须指出，在进行经济性分析时，在全面考虑生产率提高时，必须考虑劳动条件的改善和技术要求的满足。
1.3.2连杆（材质为合金钢）工艺规程设计
崔洪在其文章中指出，编制工艺规程有三项原则：（1）必须满足图纸上的各项技术要求；（2）必须结合本单位的实际情况；（3）必须保重经济上合理，技术上先进，可见工艺规程应是发展变化和不断完善的。
他得出连杆加工工艺规程如表1:
表1 连杆加工工艺过程
工序号 工序内容 设备 夹具 专用刀具 专用量具
10 考料，划两平面先，单面留量1mm（63处至65,70处至72） 划线平台
20 钻小头孔 摇臂钻床Z3080X25 压板 钻头66 游标卡尺
30 铣小头孔至 立式铣床X53K 平板，压板 游标卡尺
40 铣工艺面 立式铣床X53K 铣工艺面夹具 盘铣刀 游标卡尺
50 镗大小头孔中心距，孔径（高面基准面） 精双头镗床T68 镗模 专用镗杆 百分尺
60 铣落刀槽 立式铣床X53K 压板 立铣刀14 游标卡尺
70 精铣盖顶面及螺钉面（螺钉面留量0.5） 立式加工中心MV-80 压板 立铣刀 游标卡尺
80 锯开 下斜锯 专用平口钳
90 精铣体对界面，钻，铰，攻各孔及螺纹保证尺寸至 立式加工中心MV-80 专用夹具 挤丝丝攻，铰刀15，12.376钻头12，5.2 内经量表
100 钳工组装
110 精铣一步大平面（矮面）尺寸至 立式铣床X53K 专用铣模 盘铣刀 厚度百分尺
120 半精镗大小头孔 精双头镗床T68 专用镗模 专用镗模 内径指示计，百分尺
130 铣两面筋 立式铣床X53K 压板 立铣刀 游标卡尺
140 铣R25,258 立式铣床X53K 压板 专用刀杆 样板尺
150 车大端 普通车床C650 专用车模 车刀 游标卡尺
160 磨两平面（两面均匀磨） 平面磨床 磁力吸盘垫块 厚度百分尺
170 精镗大小头孔 精双头镗床 专用镗模 专用镗杆 块规内径指示计
180 划体瓦槽 平台
190 钻小头45油孔 摇臂钻床Z3080X25 专用钻模 钻头6 游标卡尺
200 检查交出，填写记录卡片
1.3.3 关键工序分析
（1）工艺定位面
为确保连杆各部分加工的基准统一，同时防止连杆在加工中发生扭转，在半精加工工序中铣出工艺面，作为后续精加工工序的统一定位基础。
（2）尺寸的行成
a.在立式加工中心精铣体、盖对接面及钻、铰、攻各孔及螺纹时，保证销孔中心到高平面的距离为；
b.第一次组装，在立式洗床上精铣一步大平面（矮面）时，大头厚度尺寸到。
1.4 两种不同材质连杆工艺规程的比较
在综合两种材质的连杆工艺规程后，发现在工艺路线中的共同点：
1)机加工：先粗后精；先主后次；先基准后其他；考虑设备、刀具、夹具、量具和其他辅助工具；各工序加工余量及定位基础选取；切削用量、工时定额的确定。
2)热加工：正火、退火处理；时效处理；淬火处理。
3)检验工作安排。
4)打磨毛刺，光整加工，清洗、防护、包装。
大致的工艺流程是，采用分体加工工艺，用铣、拉、磨等方法分别加工连杆体和连杆盖的接合面；粗加工及半精加工连杆体、大头孔、小头孔；精加工连杆盖的定位销孔及连杆题的螺栓孔；装配连杆体与连杆盖，精加工大头孔和小头孔。工艺流程图如图2所示。
图2 工艺流程图
经过查阅文献发现，发现一种新的工艺方法，裂解加工法。连杆裂解技术的原理就是利用材料断裂理论，首先将整体锻造的连杆毛坯大头孔人为产生裂痕，形成初始断裂源，然后用特定方法控制裂痕扩展，达到连杆本体与连杆盖分离的目的。其裂解过程如下：（1）在连杆锻造毛坯大头孔内，预先加工出裂解槽，形成初始断裂源，见图3a；（2）在裂解专用设备上首先对连杆大头内控侧面施加径向力，使裂纹由内孔向外不断扩展直至完全裂解，见图3b；(3)连杆盖从连杆本体上分离出来，见图3c。它的工艺流程图见图4。
图3 连杆裂解过程
图4 裂解加工工艺流程图
裂解工艺改变了连杆加工的关键生产工序，以整体加工代替分体加工，省去分离面的拉削与磨削等工艺，降低螺栓孔的加工精度要求，从而显著的提高生产效率，降低生产成本，增加经济效益。据国外资料介绍，裂解加工技术的应用，可减少机加工工序60%，节省机床设备投资25%，减少刀具费用35%，节省能源40%，还可减少占地面积、减少废品率等等，其经济效益十分显著。另外，该技术还可使连杆承载能力、抗剪能力、杆、盖的定位精度、装配质量大幅度提高，对提高发动机生产技术水平有重要作用[7]。
2 夹具在连杆类零件加工中的应用
夹具是一种将工件合理定位并牢固夹紧、以求工件相对刀具获得正确位置的连接机床和工件的一种装置。夹具的主要作用是保证加工精度、提高劳动生产率、扩大机床的使用范围和保证安全。因此，机床夹具在机械制造中，占有十分重要的地位[8]。
吴敬在其文中对如图5所示的连杆零件，设计了钻孔夹具。该连杆零件，材质为45号刚，铸造毛坯，调质处理，硬度HBS220~240，年产量为600件；大端孔尺寸，表面粗糙度；小端孔尺寸，表面粗糙度；两孔间距尺寸为；零件厚度为，零件厚度方向两侧面表面粗糙度；小端孔圆柱度为，孔中心线与零件侧面垂直度为[9]。
图5 连杆零件结构示意图
加工小端孔，以大段孔和侧表面为基准，保证两孔尺寸精度和垂直度要求。考虑零件批量较大，两孔全部由钻镗床完成加工，压力较大，决定小端孔采用钻床加工，设计钻孔夹具，利用夹具精度来保证零件尺寸精度。最终设计出如图6所示的夹具。该夹具一次安装两件连杆零件，采用六点定位方法，利用钻模和钻套控制加工孔的尺寸精度。
图6 钻孔夹具平面结构示意图
他最终得出，设计的钻孔夹具，解决了配套机床的压力，利用普通钻床加工出高精度的孔，既保证了加工质量，又降低了加工成本。夹具一次安装2个零件，减轻劳动强度，提高工作效率。
2.1专用夹具设计基本步骤
夹具设计一般包括三个步骤：
1)安装规划：确定加工的定位方式及加工面；
2)夹具规划: 确定加工时工件上的定位面、定位点及夹紧面、夹紧点;
3)夹具构形设计：选择某些夹具元件，并组装成能夹紧工件的夹具[10]。
2.2计算机辅助夹具设计的方法简介
经过了几十年的计算机技术发展，当前，以一个以微电子技术为标志的新的工业革命浪潮正席卷全球产品加速更新换代。从国际上生产技术发展趋势来看，数控技术（NC）、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）将日益成为常用的生产方式[11]。从而出现了基于知识(KB)的、基于成组技术的、基于案理(CBR)[12]的计算机辅助夹具设计(CAFD)[13]，甚至是自动夹具设计(AFD)。
计算机辅助夹具设计是指根据产品的CAD集合信息、CAPP加工信息，进行夹具的方案设计、结构设计、夹具元件的选取、夹具的快速三维组建、夹具出图。并对CAPP加工工艺有关定位、夹紧面及切削用量的选取进行评价，进而将产生的反馈信息给CAD或CAPP，以保证工艺的合理性[14]。
2.3 Solidworks在连杆夹具中的应用
SolidWorks软件是一个基于特征的参数化实体建模设计工具，该软件完全采用Windows图形用户界面，易学易用。借助SolidWorks软件平台，可以创造三维实体模型；编辑零件装配体并进行简单的运动仿真；利用它的动画功能不仅可以检查夹具工作的可行性，还能得到夹具零部件装配和运动过程的动画文件[15]。
倪小丹在其文章中针对机床夹具进行计算机辅助设计，借助SolidWorks软件平台，将设计时所用标准零件建立实体模型库；对于非标准零件，采用交互式建模方法直接在设计平台建模并建立非标准模型库。软件初始界面见图7，软件工作界面见图8。
图7 SolidWorks初始界面
图8 软件工作界面
2.3.1 夹具标准零件库的建立
建立夹具标准零件的图形库，对提高夹具设计效率起着至关重要的作用。运用SolidWorks提供的基于特征实体的建模功能，通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现标准零件的三维模型设计，并按其形状、尺寸分别建立参数化模型库。设计者调用时，根据具体的设计要求，对模型库零件的形状和尺寸参数做出相应的简单修改，就可以获得所需标准的三维实体模型。
标准零件库的建立过程如下：
（1）设置目录：首先建立机床夹具通用零件的根目录，在此根目录下，再建立各类标准零件的子目录，见图9。
（2）标准零件三维建模：将国家标准中的《机床夹具零件及部件》所列标准零件按类型、尺寸建立参数化几何模型。例如图10为快换钻套的三维模型。
图9 建立标准零件图形库目录
图10 快换钻套的三维实体模型
（3）将建立的标准零件三维模型存入指定目录：《机床夹具零件及部件》中所列标准零件的每一类型都具有不同的系列和尺寸，对三维模型数据的存储按数据库的结构要求进行，储存在特定的文件下。见图11。
图11 标准零件三维模型与入库
2.3.2非标准零件的设计
在夹具设计时，需要设计一些非标准零件，如夹具体、钻模板等。非标准件的设计比较灵活，要根据其使用的具体情况进行。夹具体的设计，要考虑被加工零件的结构；使用的机床；夹具上的定位元件、夹紧装置、对刀装置、导向装置、分度装置等的布置；夹具体使用的材料；加工过程中的排屑方法等等。本文利用SolidWorks软件建立了非标准件三维模型，构建了非标准件的个性化模型库。图12为非标准零件压板的三维模型。
图12 非标准钻模板的三维实体模型
2.3.3 夹具三维设计
标准零件参数化模型库和非标准零件个性化模型库建立好后，对任何零件及工序的夹具的设计，其主要工作就是对标准件及非标准件图形文件的调用并进行三维虚拟装配。装配时，先打开总装图图形窗口并对被加工工件进行三维造型（见图13），然后确定基准，即选有配合或有位置要求的面作为基准；再按配合或要求的位置逐个确定各夹具零件的安装位置，组装成三维模型。图14位设计钻孔夹具的三维模型图。
图13 工件三维造型
图14 夹具体三维装配图
2.4 与传统夹具设计方法的比较
使用手工图纸的传统夹具设计方法主要有以下突出问题：
1)零件形状与性能的不不同要求，使工件的装夹方案千变万化，且设计工作量大；
2)设计制造周期长，一旦产品改型，对缩短新产品的卡发周期、批量投产和上市时间有重大影响。
倪小丹介绍的基于SolidWorks的机床夹具设计方法，设计者在新的夹具设计时不需要对标准零件进行建模，直接总标准零件库选择或调用即可。设计过程在简洁、明了的三维操作界面中进行，减少了重复绘图的工作量。更重要的是最终可以自动生成夹具零件及装配体的三维实体图和二维工程图。这种设计方法不仅可以把夹具设计技术人员从繁杂重复的设计劳动中解脱出来，更可缩短夹具的开发周期，提高其设计制造水平和质量，从何使夹具行业的劳动生产率得到提高。
此外，还有几种别的计算机辅助夹具设计的方法，比如，吴禄慎采用了基于UG平台的机床专用夹具设计[16]；刘冬梅采用了基于PRO-E的夹具设计[17]。这两种方法和基于SolidWorks平台的方法基本一致，在此不再赘述。
3课题设计思路
经过查阅相关文献和相关资料，连杆的工艺规程和专用夹具设计思路，也可用于连杆盖工零件加工工艺规程和专用夹具设计。连杆盖钻孔的工序简图如图14所示。
图14 连杆盖钻孔工序简图
3.1连杆盖零件加工工艺规程
制定连杆盖零件加工工艺规程，关键是定位基准的选择和工序的划分。步骤如下：
1)分析零件图：该连杆盖半圆孔，两端面的光洁度，两个孔的凸台表面光洁度，齿形面光洁度。孔Ⅰ和孔Ⅱ的中心距为，孔Ⅰ与孔的轴线距离为；与两A面对称，其轴线应与齿形节面节径面垂直。
2)定位基准的选择：对于钻孔工序，该工序在摇臂钻床上钻、扩双孔，以齿形面在齿形定位板上定位。
3)工序的划分：根据年生产量，计算出生产纲领。根据零件形状，可以在立式加工中心加工。对于光洁度的两端面，粗铣-精铣；对于表面光洁度的两个，钻-扩-铰；对于表面光洁度齿形面，粗铣-半精铣-精铣。
3.2 夹具设计可能遇到的问题
工件定位是否正确，定位精度是否满足要求，工件夹紧牢固是否可靠等等。 工件在夹具中的定位精度，主要与定位基准是否与工序基准重合、定位基准与定位元件的配合状况等因素有关，可提高夹具的制造精度，减少配合间隙，就能提高夹具在机床上的定位精度，夹具中出现过定位时，可通过撤消多余定位元件，使多余定位元件失去限制重复自由度的能力，增加过定位元件与定位基准的配合间隙等办法来解决。
随后可根据设计的夹具各零件用SolidWorks做出三维实体并进行装配，如果时间充沛，还可以做出动画视图，以方便观察。
4 结语
本文探讨了连杆零件工艺规程的传统设计方法，并介绍了较为新颖的裂解法，并对其专用夹具的设计方法做了简要说明。使用该方法，可以节省大量的时间，利用SolidWorks还可以进行有限元分析，减少夹具样机的数量，减少了材料，降低了研发成本，并对后续的改进提供了便利。
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