连杆加工工艺专题报告

附录1专题论文连杆加工工艺摘要:简要介绍了连杆的组成、功用、锻造和主要加工工艺,并对发动机连杆不同加工工艺方案进行了对比分析，阐述了撑断新工艺的机理，探讨了应用撑断工艺应考虑的几个问题，并对加工中夹具应注意的问题进行说明。关键词:连杆大头连杆两端面加工整体锻造光整加工工艺改进0引言众所周知，连杆是发动机的五大主关件之一，其在发动机中的地位是显而易见。它是发动机传递动力的主要运动件，在机体中做复杂的平面运动，连杆小头随活塞作上下往复运动；连杆大头随曲轴作高速回转运动；连杆杆身在大、小头孔运动的合成下作复杂的摆动。图1连杆立体图连杆在承受往复的惯性力之外，还要承受高压气体的压力，在气体的压力和惯性力合成下形成交变载荷，这就要求连杆具有耐疲劳、抗冲击，并具备足够的强度、刚度和较好的韧性。在今天随着汽车工业的高速发展，“小体积、大功率、低油耗”的高性能发动机对连杆提出更新、更高的要求:1)作为高速运动件重量要轻，减小惯性力，降低能耗和噪声；2)强度、刚度要高，并具有较高的韧性；3)连杆比要大，连杆要短。这也就意味着对连杆的设计和加工有更高的要求。连杆由连杆大头、杆身和连杆小头三部分组成。连杆大头是分开的,一半为连杆盖,另一半与杆身为一体,通过连杆螺栓连起来。连杆大头孔内分别装有轴瓦,由于连杆体与连杆盖的接合面是与大小头孔的中心联线垂直,故称为直剖式连杆。有些连杆大头结构粗大,为了使连杆在装卸时能从气缸孔内通过,采用斜剖式结构,即接合面与大、小头孔轴线形成一定的角度。连杆是活塞式发动机的重要零件之一,其大头孔与曲轴连接,小头孔通过活塞销和活塞连接,将作用于活塞的气体膨胀压力传给曲轴,又受曲轴驱动而带动活塞压缩气缸中的气体。连杆承受的是高交变载荷,气体的压力在杆身内产生很大的压缩应力和纵向弯曲应力。由活塞和连杆重量引起的惯性力,使连杆承受拉应力,所以连杆承受的是冲击性质的动载荷,因此要求连杆重量轻,强度要好。连杆材料一般采用45钢或40cr,45Mn2等优质钢或合金钢。钢制连杆都用模锻制造毛坯。它的锻造工艺有两种方案,将连杆体和盖分开锻造,连杆体和盖整体锻造。从锻造后材料的组织来看,分开锻造的连杆盖金属纤维是连续的,因此具有较高的强度,而整体锻造的连杆,铣切后,连杆盖的金属纤维是断裂的,因而削弱了强度。整体锻造要增加切开连杆的工序,但整体锻造可以提高材料利用率,减少结合面的加工余量。加工时装夹也较方便。工厂中连杆的材料是40cr,调质处理,整体锻造,只需要一套锻模,一次便可锻成,也有利于组织和管理生产。锻造时表面冷却速度快,对内产生压应力,表面应力是平衡的,但铣分开面后应力不平衡,易变形,所以要增加校力这一工序。曲轴连杆厂的连杆加工属于大批量生产,而连杆刚性差,因此工艺路线多为工序分散,大部分工序用高生产率的组合机床和专用机床,并广泛地使用气动、液动夹具,以提高生产率。我们在车间首先看到的是连杆毛坯件,它的大头孔是椭圆的,沿椭圆短轴铣分开面,去掉加工余量,正好是一个圆与曲轴相配合,毛坯锻造后要进行磁场探伤,检验裂纹,并校直保证直线度。在车间,我们看到过程卡把工序排为40多个,主要分为粗加工,半精加工和精加工三个阶段。首先进行两端面加工。连杆的两端面是连杆加工过程中最主要的定位基准面,而且在许多工序中使用,所以应先加工它,且随着工艺过程的进行要逐渐精化其基准,以提高其定位精度。我们在车间看到铣两端时,为保证两端面对称于杆身轴线,以杆身定位,在专用铣床上装两把硬质合金端铣刀盘,工件装夹在回转工作台上作低速回转进给运动,加工完一个面,转过180°再加工另一端面。然后采用双端面磨床进行磨削,以保证两端面的平行度和高的生产率。连杆大小头端面对称分布在杆身的两侧,由于大小头孔厚度不等,所以大头端面与同侧小头端面不在一个平面上,用这样不等高面作定位基准,必定会产生定位误差。因大小头厚度公差要求不高,工厂在制定工艺时采用最经济的方法加工成一样厚度。这样,以任一端面、小头孔及工艺凸台作为大部分工序的统一定位基准,有利于保证连杆的加工精度,而且端面面积大,定位也比较稳定。连杆大小头孔的加工是连杆加工中的关键工序,尤其大头孔的加工是连杆各部位加工中要求最高的部位,直接影响连杆成品的质量。一般先加工小头孔,因尺寸小,锻坯上不锻出预孔,所以小头孔首道工序为钻削加工,加工方案多为:钻—扩(拉)—镗(铰),采用有三个爪的浮动夹板,自动定心夹紧,它的锥度和小头锥度相同,并用大孔心轴定位,避免转动。然后加工大头孔,一般都会锻出预孔,所以加工方案为粗镗—半精镗—精镗。采用整体锻造大头孔在半精镗之后将连杆身盖铣开,并以分开面定位钻螺纹出孔,斜剖式结构连杆刚性不足,设计时加浮动支撑,然后合钻扩,攻螺孔保证同轴度,修正螺纹孔时,可用铣刀扩孔,不用钻头,以消除向下的力。这一工序主要保证螺纹孔的垂直度,可将垂直度转化为平行度进行检验。组装后精镗大小头孔,在专用双轴镗床上同时进行。大小头孔的光整加工是保证孔的尺寸,形状精度和表面粗糙度不可缺少的工序。大孔的衍磨是一种有切屑的加工,去掉波峰,提高孔的圆柱度,小孔的滚压则是一种无切屑的加工,把波峰压下去,降低表面粗糙度。连杆本身刚度比较低,易变形,所以在安排工艺时应把各主要面粗、精加工工序分开,这样,粗加工产生的变形在半精加工中得到修正,半精加工产生的变形在精加工中得到修正,最后达到零件的技术要求。连杆是发动机的关键零件，对强度有较高的要求。其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轴的回转运动，以输出动力。就制造工艺而言，连杆属于较难锻造与加工的一种零件，为了提高发动机的效率，延长其使川寿命，有必要对连杆加工工艺进行改进。1不同的连杆加工工艺流程对比原加工工艺流程:毛坯锻造——铣两端面——粗磨两端画——钻小头孔——钻大头孔——车大头外圆——粗镗小头孔——粗镗大头孔——半精镗小头孔——半精镗大头孔——铣切连杆大头分开面——粗铣分离面——精铣分离面——钻铰定位销孔——攻螺纹孔——磨分离面——精磨两端面——压铜套——精镗大头孔——精镗铜套孔——珩磨大头孔改进后加工工艺流程:毛坯锻造——粗铣两端面——钻大小头孔——粗磨两端面——粗镗大小头孔——车大头外圆——钻、攻螺栓孔——连杆撑断——精磨两端面——压铜套——精镗大头孔、铜套孔——滚压铜套孔——珩磨大头孔。2连杆加工艺改进分析(1)采用了连杆撑断新工艺。连杆撑断工艺的基本原理是:在连杆大头孔的剖分面上，加一个V型凹槽，在该凹槽处施加一个撑开的力，由于在V形凹槽处形成压力集中，而将连杆和连杆盖撑开，断口沿V形凹槽准确断裂，其断裂面的特性可使连杆体和连杆盖在装配时处于最佳吻合状态。采用撑断工艺将连杆断开以后，连杆盖、杆结合面具有完全啮合的犬牙交错结构，以保证结合面精确相接、吻介，结合面不须再进行任何加工。其优点如下:①减少了加工工序数(无结合面的铣削、磨削及拉削)，使连杆加工变得更简单，节省机床投资25％，减少刀具费用35％，节省能源40％,节省面积20％。②由于结合面的特殊开口，使盖的定位准确，可保证连杆在使用过程中的精度，而不需要定位螺栓(只需要普通螺栓)，省去了螺母。③由于连杆撑断接触面是凸凹不平的，大大提高了接触面积，从而提高了连杆承载能力、抗剪能力。④节省了操作人员。⑤降低了生产线运行费用，减少了维护保养。(2)提高了连杆两孔中心距尺寸精度。一是加工工艺改进前，大头孔与小头孔的钻、粗镗以及精镗均分开为两道工序，两次装夹，故两孔中心距的尺寸公差分布范围较大；工艺改进后，一次装夹钻或镗两孔，能够将连杆两孔中心距尺寸误差控制在很小范围内。二是工艺改进后，车大头外圆在粗镗大头孔和小头孔后，更有利于后续工序回转自由度限制的一致性与稳定性。(3)保证了两孔的平行度。一是连杆毛坯为模锻件，孔加工余量大，内应力变形大，改进后的工艺，由于先钻两孔，再粗磨端面，使连杆在钻孔工序时，避免了孔端面平面度、平行度被破坏。二是改进后的连杆加工工艺，以连杆整个端面定位，并压紧整个端面，同时镗两孔，保证连杆两孔的平行度。(4)提高了连杆大头孔和小头铜套孔的光洁度、尺寸精度、形状精度。改进后的连杆加工工艺，小头铜套孔在精位后进行滚压加工，有利于提高光洁度、尺寸精度，并能产生有利的残余压应力。而大头孔采用珩磨加工，珩磨头与机床主轴浮动连接，有利于减少主轴回转中心与被加工孔的同轴度误差的影响3连杆撑断工艺应考虑的问题连杆撑断技术的原理是利用材料断裂理论，为保证连杆产品的性能和切削性，应关注以下几个问题:(1)毛坯材料及毛坯工艺撑断连杆要求其材料塑性变形小、强度较好、脆性适中、工艺性好。按撑断加工技术要求，主要采用的材料有:高碳钢(广泛应用，例:一汽的连杆材料C70S6BY)、球墨铸铁、可锻铸铁、粉末烧结材料(粉末成分为Fe一Cu一C一S)，这几种材质的毛坯，室温下可实现脆性断裂，连杆大头孔不产生明显塑性变形，其变形量≤40微米。例:一汽的连杆材料C7056BY其金相组织为珠光体加断续的铁素体，抗拉强度为900－1050MPa，屈服极限为520MPa，最大延伸率为10％。撑断连杆锻件毛坯形状、尺寸与普遍连杆毛坯并无多大区别，但为减少撑断过程中的撑断力及大头孔变形，在不影响断裂面啮合的情况下，尽量减少大头孔中心处撑断截面积。撑断连杆锻件在锻造过程中不需特殊的防范，一般锻后在保护坑内空冷。(2)温度影响撑断面分为三区，由断裂源向外依次可分为纤维区、放射区、剪切唇。当断面的放射区较宽时，表示材料的塑性差，脆性较大。反之，纤维区较大，表明材料就塑性及韧性较好，如何加大放射区宽度，缩小纤维区宽度，是实现脆性断裂的条件。图1所示为温度对断口三要素各区大小的影响，材料为40Cr。从图中可见，当温度低于室温时，放射区显著增大，为室温下实施连杆的撑断工艺提供了保障。图2温度对脆性断裂的影响图3沟槽深度与断裂强度的关系(3)初始沟槽的加工初始沟槽深度与断裂强度成反比(如图2所示)，即对于一定的应力值，存在着一个临界的沟槽裂纹深度。因此，初始沟槽加工工艺、方法直接影响撑断加工质量。目前常规的机加工方法是用拉削工艺加工“V型”槽，但为减少撑断变形及撑断力，提高撑断效率和质量，激光加工初始沟槽方法正逐步得以运用。4连杆加工夹具的几点说明(1)自为基准为适应“一面一孔一凸台”(即大小头端面、小头孔、大头孔一侧外圆面)的统一精基准，而大、小头孔是一次装夹中镗出，故须考虑“自为基准”情况，这时小头定位销应做成活动的，当连杆定位夹紧后，再抽出定位销，进行加工。(2)车大头外圆夹具传统的车大头外圆的定位方式为以连杆端面、连杆小头孔、连杆大头孔内侧定位(即一面两销定位方式)。此种定位方式的问题是:因前道工序租镗大头孔是以毛坯外侧定位来加工内孔，由此而产生毛坯的较大锻造尺寸公差带来了加工后内孔两侧壁厚超差，致使车大头外圆时单边现象严重，甚至车不出来而报废。根据连杆毛坯外侧对称的特征，可设计一种自定心车夹具，以实现毛坯的对中定位。如图3所示，将连杆装在夹具体上，移动定位套与工件接触，利用定位套前端的锥面对连杆大头两侧实现对中顶定位。然后装上开口压板，拧紧六角螺钉使工件夹紧后，再将定位套退回规定位置进行车削，阻尼钢球主要起定位套在加工状态下的限位作用。图4车连杆大头夹具示意图(3)自动定心夹紧机构与联动夹紧机构的运用自动定心夹紧机构是一种同时实现对工件定心定位和夹紧的夹紧机构，即在夹紧过程中，能使工件相对于某一对称面保持对称性。连杆铣两端面工序是以连杆杆身对称面定位，其夹具可采用螺旋定心夹紧机构(如图4所示)，利用左右反螺纹的螺杆带动压块夹紧工件，并采用双面铣，来实现连杆对称度要求及减少工件变形。连杆加工中，联动夹紧机构也得到广泛采用，例同时幢大小头孔夹具，一个夹紧力源对工件大小头孔处同时实施夹紧。联动夹紧机构设计的关键是必须要有中间浮动环节，才能保证夹紧力能同时均匀地传递作用于各个施力点。图5螺旋定心夹紧机构示意图5结束语虽然连杆加工本身所包括的工艺内容并不复杂，但由于材质、外形尺寸以及要求的加工精度，经常给加工