连杆装配图.A2 在活塞往复式发动机内，连杆连接着装在曲柄或曲轴上的活塞。《巧妙的机械装置知识》一书这样写道：“连杆发明于1174年至1200年的某个时候，当一个名为阿拉-贾扎里的穆斯林发明家、工程师和工匠，制造了5个机器来为土耳其阿尔图格王朝的一位国王泵水这些机器的其中之一就使用了连杆。将旋转运动转变成往复运动可能需要依靠连接到曲柄上的连杆。”双作用往复活塞泵是第一个提供自动运动的机器，但其机构和其他如凸轮一类的机构也有助于工业革命的开启。
目录
摘要III
ABSTRACT IV
目录V
1绪论1
1.1本课题的研究内容和意义1
1.2国内外的发展概况1
1.3本课题应达到的要求3
2连杆的分析4
2.1连杆的作用4
2.2连杆的机械分析4
2.3连杆的结构特点4
2.4连杆的主要技术要求5
2.4.1大、小头孔的尺寸精度、形状精度5
2.4.2大、小头孔轴心线在两个互相垂直方向的平行度5
2.4.3大、小头孔中心距5
2.4.4连杆大头孔两端面对大头孔中心线的垂直度5
2.4.5大、小头孔两端面的技术要求5
2.4.6有关结合面的技术要求5
2.5连杆的材料和毛坯分析5
3连杆的加工工艺规程的制定7
3.1加工工艺的基本概念7
3.2选择定位基准7
3.3确定加工余量8
3.4拟订机械加工工艺路线8
3.5连杆工艺计算10
3.5.1粗铣两平面10
3.5.2粗磨两平面11
3.5.3钻小头小孔13
3.5.4粗镗小头孔14
3.5.5车大头外圆15
3.5.6粗镗大头孔17
3.5.7粗铣螺栓孔端平面17
3.5.8精铣螺栓孔端平面17
3.5.9铣开连杆大头18
3.5.10精铣体盖分开面18
3.5.11钻扩铰螺栓孔18
3.5.12精磨体盖分开面20
3.5.13精磨两端平面21
3.5.14精镗小头孔21
3.5.15粗镗大头孔22
3.5.16精镗大头孔22
3.5.17精镗小头孔22
4夹具设计23
4.1机床夹具的分类22
4.2工件的加工工艺分析23
4.3确定定位方案23
4.4夹具的机构设计24
4.5夹具的使用26
5结论与展望28
6致谢29
7.参考文献30
1绪论
1.1本课题的研究内容和意义
本课题研究的内容是：K2500内燃机车发动机NDS5主连杆工艺规程设计和系列夹具设计，其中包括了工艺流程的设计、工序的编写、系列夹具的设计，并有相关计算和说明书。
连杆的作用是将活塞承受的力传给曲轴，并使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆由连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等零件组成，连杆体与连杆盖为连杆小头、杆身和连杆大头。连杆小头用来安装活塞销，以链接活塞。连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连。一般做成分开式，与杆身切开的一半称为连杆盖，二者靠连杆螺栓链接为一题。连杆轴瓦安装在连杆大头孔座中，与曲轴上的连杆轴颈装和在一起，是发动机中最重要的配合副之一。常用的减磨合金主要有白合金、铜铅合金和铝基合金。
不难看出，连杆对于内燃机来说是不可或缺并且起到关键性作用的零件。所以本课题的研究对于生产出优秀耐用的连杆起到至关重要的作用。同时对内燃机的安全性也起到关键作用。
1.2国内外的发展概况
从80年代以来粉末冶金注射成型(PIM)成功的得到应用,大多数连杆制造使用中碳钢和低合金钢。国内传统工艺连杆毛坯材料一般采用42CrMo,35CrMo,40MnVB,45CrMnB,40Cr,40CrMnBS40C等调质钢和S43CVS1(进口),35MnV,40MnS等非调质钢。康明斯生产线采用调质钢毛坯40MnBH(GB5216-85),1995年全面转用非调质钢材料毛坯38MnV。在加工工艺方面:国内外连杆生产方式大致有:锻造,铸造,粉末冶金等,进入90年代后,90上的连杆制造都采用了模锻工艺。
中国汽车产业在“十五”期间发生了天翻地覆的变化，汽车产量5年翻了一番多，汽车市场由卖方市场转为买方市场，一举由2001年的世界第七大汽车生产国跃升为世界第三大汽车生产国和消费国。
随着汽车产业的快速发展，对于汽车发动机的动力性能及可靠性要求越来越高，而连杆强度、刚度对提高发动机的动力性及可靠性至关重要，因此国内外各大汽车公司对发动机连杆用材料及制造技术的研究都非常重视。
十五期间，国内企业普遍采取裂解连杆体和连杆盖分界面技术，可以大幅度地减少机械加工工序，由此开发了高强度低韧性的高碳非调质钢和粉末冶金锻件，以满足工艺的需要。中国在调质钢应用方面与国外差距不大，但在锻造技术方面与国外比还有一些差距。
国外连杆毛坯的加热大多采用电加热或感应加热，加热时间短，加热温度控制稳定，采用辊锻制坯，液压模锻成形，锻件尺寸精度高，避免了锻件表面的脱碳。国内多数连杆生产厂采用的是空气锤制坯，蒸汽锤成形，连杆锻件普遍存在的问题是尺寸精度差、锻件表面状态不好、锻件表面脱碳严重等问题。
“十一五”期间，国内很多企业与外国合资采用裂解连杆大头接合面（裂解法）的生产技术。设计出强度均在900MPa以上的发动机连杆，代表企业有一汽与德国合资生产的捷达轿车发动机连杆、上海与德国合资生产的桑塔纳轿车发动机连杆、一汽技术引进的道依兹柴油机连杆和开发的CA6DL系列柴油机连杆。
裂解法工艺要求连杆锻件在裂解的过程不能有过大的塑性变形，因此对连杆材料的要求是，在保证其强韧综合性能指标的前提下，限制连杆的韧性指标，使其断口呈脆性断裂状态。材料多是从德国进口的C70S6系列高碳非调质钢。
国内发动机连杆制造企业在锻造加热和锻后控制方面近年已经取得长足的进步，具备了应用非调质钢生产连杆的条件。
国内烧结锻造技术还很落后，专用的粉末冶金压机及烧结炉的应用还不普遍。金属粉末的品种少，质量差且不稳定。另外，烧结保护气体还需进一步地研究改进，这些都影响着国内超高密度粉末冶金零件的发展。
“十一五”期间，国内大多数连杆生产厂家仍沿用传统的连杆加工工艺,其加工精度及加工后装配质量难以控制,生产效率低,制造成本高,是阻碍中国高速、高精度、高性能发动机制造的“技术瓶颈”之一。一汽大众公司耗资亿元以上引进了德国EX-CELL-O Machine Tools公司生产的一条连杆裂解自动化生产线,现正用于捷达轿车门多点电控燃油喷射发动机连杆的批量生产；上海大众公司引进德国Alfing公司生产的连杆裂解自动化生产线,用于帕萨特轿车发动机连杆的生产；上海通用公司也引进了连杆裂解自动化生产线,用于粉末锻造连杆的生产。目前国内还有许多家连杆生产企业都在积极准备采用连杆裂解技术对原有的传统连杆生产线进行技术改造。
2连杆的分析
2.1连杆的作用
连杆机构的作用是提供燃烧场所，把燃料燃烧后的气体作用在活塞顶上的膨胀压力转变为曲轴旋转的转矩，不断输出动力，即是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动,并把作用在活塞组上的燃气压力传给曲轴。所以，连杆除上下运动外，还左右摆动作复杂的平面运动。连杆工作时,主要承受气体压力和往复惯性力所产生的文变载荷,要求它应有足够的疲劳强度和结构刚度。
概括为：
⑴将气体的压力变为曲轴的转矩；
⑵将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动。
2.2连杆的机械分析
连杆是内燃机的重要运动部件之一，它连接活塞与曲轴，把作用于活塞顶面的膨胀气体压力传给曲轴，使活塞的往复直线运动变为曲轴的回旋运动，从而输出功率。在工作时，连杆承受大孝方向为周期性变化的动载荷。在做功冲程，燃气压力在连杆轴线上的分力为压缩应力；在进气冲程上止点，活塞组合连杆本身的惯性力在横断界面内造成拉伸应力；摆动时的横向惯性力造成横向弯曲应力。
连杆主要受力方式可以概括为：
⑴气缸内的燃气压力；
⑵活塞连杆组的往复运动惯性力；
⑶连杆告诉摆动时的所产生的横向惯性力。
所以连杆的常见疲劳破坏有：
⑴连杆小头与杆身圆弧过渡处产生裂纹；
⑵大头杆身与螺栓平面直角处产生应力集中；
⑶连杆螺栓断裂。
因此，要求连杆的重量轻且有足够的强度、足够的疲劳强度和冲击韧性。
2.3连杆的结构特点
连杆由连杆体及连杆盖两部分组成。连杆体和连杆盖上的大头孔用螺栓和螺母与曲轴装配在一起。为了减少惯性力的影响，在保证连杆有足够的强度和刚度的前提下，要尽可能的减轻其重量，所以连杆采用了从大头到小头逐步变小的“工”字型截面形状。
连杆的形状复杂而不规则，而孔本身及孔与平面之间的位置精度要求较高：杆身断面不大，刚度较差，易变形。
连杆的作用是把活塞和曲轴联接起来，使活塞的往复直线运动变为曲柄的回转运动，以输出动力。因此，连杆的加工精度将直接影响柴油机的性能，而工艺的选择又是直接影响精度的主要因素。反映连杆精度的参数主要有5个：
（1）连杆大端中心面和小端中心面相对连杆杆身中心面的对称度；
（2）连杆大、小头孔中心距尺寸精度；
（3）连杆大、小头孔平行度；
（4）连杆大、小头孔尺寸精度、形状精度；
（5）连杆大头螺栓孔与接合面的垂直度。
2.4连杆的主要技术要求
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，连杆体与连杆盖的结合面及连杆螺栓定位孔等。
2.4.1大、小头孔的尺寸精度、形状精度
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0.4μm；大头孔的圆柱度公差一般在0.004~0.008mm之间。小头孔公差等级为IT8，表面粗糙度Ra应不大于3.2μm。
2.4.2大、小头孔轴心线在两个互相垂直方向的平行度
两孔轴心线在连杆轴线方向的平行度误差会使活塞在汽缸中倾斜，从而造成汽缸壁磨损不均匀，同时使曲轴的连杆轴颈产生边缘磨损，所以两孔轴心线在连杆轴线方向的平行度公差较小；而两孔轴心线在垂直于连杆轴线方向的平行度误差对不均匀磨损影响较小，因而其公差值较大。两孔轴心线在连杆的轴线方向的平行度在100 mm长度上公差为0.020.04 mm；在垂直与连杆轴心线方向的平行度在100 mm长度上公差为0.040.06 mm。
2.4.3大、小头孔中心距
大小头孔的中心距影响到汽缸的压缩比，即影响到发动机的效率，所以规定了比较高的要求：198.86±0.1 mm。
2.4.4连杆大头孔两端面对大头孔中心线的垂直度
连杆大头孔两端面对大头孔中心线的垂直度，影响到轴瓦的安装和磨损，甚至引起烧伤；所以对它也提出了一定的要求。
2.4.5大、小头孔两端面的技术要求
连杆大、小头孔两端面间距离的基本尺寸相同，但从技术要求是不同的，大头两端面的尺寸公差等级为IT9，表面粗糙度Ra不大于0.8μm,小头两端面的尺寸公差等级为IT12，表面粗糙度Ra不大于6.3μm。这是因为连杆大头两端面与曲轴连杆轴颈两轴肩端面间有配合要求，而连杆小头两端面与活塞销孔座内档之间没有配合要求。连杆大头端面间距离尺寸的公差带正好落在连杆小头端面间距离尺寸的公差带中，这给连杆的加工带来许多方便。
2.4.6有关结合面的技术要求
在连杆受动载荷时，接合面的歪斜使连杆盖及连杆体沿着剖分面产生相对错位，影响到曲轴的连杆轴颈和轴瓦结合不良，从而产生不均匀磨损。结合面的平行度将影响到连杆体、连杆盖和垫片贴合的紧密程度，因而也影响到螺栓的受力情况和曲轴、轴瓦的磨损。对于本连杆，要求结合面的平面度的公差为0.025 mm。
2.5连杆的材料和毛坯分析
连杆在工作中承受多向交变载荷的作用，要求具有很高的强度。因此，连杆材料一般采用高强度碳钢和合金钢；如45钢、55钢、40Cr、40CrMnB等。选择45钢。
连杆毛坯制造方法的选择，主要根据生产类型、材料的工艺性（可塑性，可锻性）及零件对材料的组织性能要求，零件的形状及其外形尺寸，毛坯车间现有生产条件及采用先进的毛坯制造方法的可能性来确定毛坯的制造方法。根据生产纲领为大量生产，连杆多用模锻制造毛坯。连杆模锻形式有两种，一种是体和盖分开锻造，另一种是将体和盖锻成体。整体锻造的毛坯，需要在以后的机械加工过程中将其切开，为保证切开后粗镗孔余量的均匀，最好将整体连杆大头孔锻成椭圆形。相对于分体锻造而言，整体锻造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，故用得越来越多，成为连杆毛坯的一种主要形式。总之，毛坯的种类和制造方法的选择应使零件总的生产成本降低，性能提高。
夹具图.A1 在现代汽车内燃发动机里，用于发动机的连杆通常由钢制造，但也可以用铝（目的是为了减轻重量和获得在牺牲耐久度的条件下吸收强冲击的能力）或钛（目的是为了在需要支持力时提供一种既轻又有足够强度的组合）来制造高性能发动机的连杆，或使用铸铁，如制造摩托车连杆时就使用铸件。它们不会严格地固定于一端，于是当连杆作上下运动和绕曲柄旋转时连杆与活塞之间的夹角就发生改变。
大头调节结构中的夹板.A3 连杆较小的一端连接活塞销，活塞销（英国用语）或腕销，这通常会给连杆以经常性的压力，但连杆仍能相对于活塞转动即“浮动腕销”。连杆的大端连接于曲柄上的轴颈处，并随着由连杆螺栓固定的可更换的轴瓦转动，螺栓将轴承“盖”固定在连杆的大端处;通常要钻一个通过轴瓦和连杆的大端小孔，以便使增压润滑油能喷到筒壁的一侧，来使活塞和活塞环的运动得到润滑。
大头夹紧结构中的螺杆.B4 连杆承受着巨大的压力，这些压力来自于由活塞产生的循环载荷，而事实上这些压力来自于每次旋转时的拉伸与松弛，以及随发动机转速增大而急剧增大的载荷。一个失效的连杆，通常被称为“扔棒”，它是引起汽车引擎灾难性故障最常见的原因之一，经常使失效的连杆穿过曲轴轴箱的一侧，发动机会遭受无法弥补的损坏；它可能源于连杆的疲劳缺陷、轴瓦失去润滑而导致的失效，或源于连杆螺栓的缺陷、不适当的紧固，或重复利用已经使用过的（已变形的）螺栓（这是不允许的）。尽管这些经常发生在竞争激烈的汽车运动中，但在为日常驾驶生产的汽车中，这种失效是十分罕见。这是因为汽车零部件的生产中要使用一个比较大的安全系数，同时往往还使用更系统的质量控制体系。
杆身夹紧调节机构.A3 当制造一个高性能发动机时，连杆应给予极大的关注，应采取一些技术来消除应力，例如磨削连杆的边缘以达到表面粗糙度的要求，喷丸以使表面产生压应力（防止裂纹萌生），装配时平衡所有连杆、活塞组合件的重量使每对的重量相同以及采用磁力探伤法来探测材料内部的微小裂纹，这些看不见的微小裂缝将会产生破坏应力造成连杆失效。此外，扭紧连杆螺栓时，应非常注意扭矩的大小；通常这些螺栓必须更换，而不是重复使用。连杆的大端被制造成一个整体，并使其在机械加工之后能与大端轴瓦准确装配。因此，大端的“帽子”在连杆与连杆之间不具有互换性，而且当重新制造一个引擎时，必须小心，以确保不同连杆的轴瓦不被乱用。无论是连杆还是与其相配合的轴瓦，通常都会在发动机缸体上刻上相应的型号。
杆身夹紧机构.A2 目前有一些发动机（如福特的4.6升引擎，还比如克莱斯勒的2.0升引擎）其连杆采用粉末冶金技术制造，粉末冶金技术不仅能精确控制尺寸和重量以减少机械加工工作量而且还能减少额外的机械配平。轴瓦因挤压而与连杆分离，结果导致了不平滑的断裂面，这是由于粉末金属的颗粒造成的。这确保了重新装配后，轴瓦能与连杆精确地配合，而传统加工方法制造的连杆与轴瓦，只有当两者的接触面表面的表面粗糙度都很小时才能达到较小的误差。
连杆大头调节结构.A3 发动机磨损的一个主要原因是由于曲轴通过连杆施加于活塞的侧向力，通常将汽缸磨成椭圆形截面，而不是圆形截面，因此不可能使活塞环与气缸侧壁紧密接触。从力学角度来说延长连杆的长度可相应地减少上述侧向力，这样一来会使引擎寿命延长。然而，对一已知的发动机缸体来说，连杆的长度加上活塞行程，其和是一个固定的值，这个固定值由曲轴和气缸座（气缸座用来固定活塞盖）顶部之间的固定距离来决定。因此，对一个已知的气缸而言能得到更长的行程，可提供更大的排量和功率。相反，较短的连杆（或较小压缩行程的活塞），会导致气缸加速地磨损。
连杆大头夹紧结构.A3 众多多缸布局的发动机如V 12型发动机几乎没有可用于在有限长度的曲轴上安装连杆轴颈的空间。这是一个难以调和的矛盾，而且若按普通的方式安装，其往往会导致发动机的失败。 最简单的解决办法是使用简单的连杆，这种最简单的方法通常用于汽车引擎。这就要求连杆轴瓦要更窄，但对于一个高性能的引擎来说其会增加轴瓦的负荷及失效的风险。这也意味着对置的气缸不完全位于一条直线上。 在某些类型的引擎内，主动连杆带有一个或多个环形销，环形销用来连接其他气缸上的从动连杆相对小一些的大端。径向引擎的每一边通常是一个气缸有一个主动连杆，余下的其它气缸则配有从动连杆。对于确定设计的V形引擎，一对对置的气缸使用一对主/从动连杆。这样的一个缺点是，辅助连杆的行程稍微短于主动连杆，从而使V形发动机产生更大的振动。 高性能航空发动机的通常解决方案是使用一个“叉状”连杆。一个连杆在大端处一分为二，另一个变薄以与这个叉状连杆相配。轴颈仍然由多个气缸共用。劳斯莱斯默林发动机就使用这种形式。
