連桿平行度測量儀設計含5張CAD圖,連桿,平行,測量儀,設計,cad 附錄1 專題論文 連桿加工工藝 摘 要:簡要介紹了連桿的組成、功用、鍛造和主要加工工藝, 并對發(fā)動機連桿不同加工工藝方案進行了對比分析，闡述了撐斷新工藝的機理，探討了應用撐斷工藝應考慮的幾個問題，并對加工中夾具應注意的問題進行說明。 關(guān)鍵詞:連桿大頭 連桿兩端面加工 整體鍛造 光整加工 工藝改進 0 引言 眾所周知，連桿是發(fā)動機的五大主關(guān)件之一，其在發(fā)動機中的地位是顯而易見。它是發(fā)動機傳遞動力的主要運動件，在機體中做復雜的平面運動，連桿小頭隨活塞作上下往復運動；連桿大頭隨曲軸作高速回轉(zhuǎn)運動；連桿桿身在大、小頭孔運動的合成下作復雜的擺動。 圖1 連桿立體圖 連桿在承受往復的慣性力之外，還要承受高壓氣體的壓力，在氣體的壓力和慣性力合成下形成交變載荷，這就要求連桿具有耐疲勞、抗沖擊，并具備足夠的強度、剛度和較好的韌性。在今天隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，“小體積、大功率、低油耗”的高性能發(fā)動機對連桿提出更新、更高的要求:1)作為高速運動件重量要輕，減小慣性力，降低能耗和噪聲；2)強度、剛度要高，并具有較高的韌性；3)連桿比要大，連桿要短。這也就意味著對連桿的設計和加工有更高的要求。 連桿由連桿大頭、桿身和連桿小頭三部分組成。連桿大頭是分開的,一半為連桿蓋,另一半與桿身為一體,通過連桿螺栓連起來。連桿大頭孔內(nèi)分別裝有軸瓦,由于連桿體與連桿蓋的接合面是與大小頭孔的中心聯(lián)線垂直,故稱為直剖式連桿。有些連桿大頭結(jié)構(gòu)粗大,為了使連桿在裝卸時能從氣缸孔內(nèi)通過,采用斜剖式結(jié)構(gòu),即接合面與大、小頭孔軸線形成一定的角度。 連桿是活塞式發(fā)動機的重要零件之一,其大頭孔與曲軸連接,小頭孔通過活塞銷和活塞連接,將作用于活塞的氣體膨脹壓力傳給曲軸,又受曲軸驅(qū)動而帶動活塞壓縮氣缸中的氣體。連桿承受的是高交變載荷,氣體的壓力在桿身內(nèi)產(chǎn)生很大的壓縮應力和縱向彎曲應力。由活塞和連桿重量引起的慣性力,使連桿承受拉應力,所以連桿承受的是沖擊性質(zhì)的動載荷,因此要求連桿重量輕,強度要好。 連桿材料一般采用45鋼或40cr,45Mn2等優(yōu)質(zhì)鋼或合金鋼。鋼制連桿都用模鍛制造毛坯。它的鍛造工藝有兩種方案,將連桿體和蓋分開鍛造,連桿體和蓋整體鍛造。 從鍛造后材料的組織來看,分開鍛造的連桿蓋金屬纖維是連續(xù)的,因此具有較高的強度,而整體鍛造的連桿,銑切后,連桿蓋的金屬纖維是斷裂的,因而削弱了強度。整體鍛造要增加切開連桿的工序,但整體鍛造可以提高材料利用率,減少結(jié)合面的加工余量。加工時裝夾也較方便。工廠中連桿的材料是40cr,調(diào)質(zhì)處理,整體鍛造,只需要一套鍛模,一次便可鍛成,也有利于組織和管理生產(chǎn)。鍛造時表面冷卻速度快,對內(nèi)產(chǎn)生壓應力,表面應力是平衡的,但銑分開面后應力不平衡,易變形,所以要增加校力這一工序。 曲軸連桿廠的連桿加工屬于大批量生產(chǎn),而連桿剛性差,因此工藝路線多為工序分散,大部分工序用高生產(chǎn)率的組合機床和專用機床,并廣泛地使用氣動、液動夾具,以提高生產(chǎn)率。我們在車間首先看到的是連桿毛坯件,它的大頭孔是橢圓的,沿橢圓短軸銑分開面,去掉加工余量,正好是一個圓與曲軸相配合,毛坯鍛造后要進行磁場探傷,檢驗裂紋,并校直保證直線度。在車間,我們看到過程卡把工序排為40多個,主要分為粗加工,半精加工和精加工三個階段。 首先進行兩端面加工。連桿的兩端面是連桿加工過程中最主要的定位基準面,而且在許多工序中使用,所以應先加工它,且隨著工藝過程的進行要逐漸精化其基準,以提高其定位精度。我們在車間看到銑兩端時,為保證兩端面對稱于桿身軸線,以桿身定位,在專用銑床上裝 兩把硬質(zhì)合金端銑刀盤,工件裝夾在回轉(zhuǎn)工作臺上作低速回轉(zhuǎn)進給運動,加工完一個面,轉(zhuǎn)過180°再加工另一端面。然后采用雙端面磨床進行磨削,以保證兩端面的平行度和高的生產(chǎn)率。 連桿大小頭端面對稱分布在桿身的兩側(cè),由于大小頭孔厚度不等,所以大頭端面與同側(cè)小頭端面不在一個平面上,用這樣不等高面作定位基準,必定會產(chǎn)生定位誤差。因大小頭厚度公差要求不高,工廠在制定工藝時采用最經(jīng)濟的方法加工成一樣厚度。這樣,以任一端面、小頭孔及工藝凸臺作為大部分工序的統(tǒng)一定位基準,有利于保證連桿的加工精度,而且端面面積大,定位也比較穩(wěn)定。 連桿大小頭孔的加工是連桿加工中的關(guān)鍵工序,尤其大頭孔的加工是連桿各部位加工中要求最高的部位,直接影響連桿成品的質(zhì)量。 一般先加工小頭孔,因尺寸小,鍛坯上不鍛出預孔,所以小頭孔首道工序為鉆削加工,加工方案多為:鉆—擴(拉)—鏜(鉸),采用有三個爪的浮動夾板,自動定心夾緊,它的錐度和小頭錐度相同,并用大孔心軸定位,避免轉(zhuǎn)動。然后加工大頭孔,一般都會鍛出預孔,所以加工方案為粗鏜—半精鏜—精鏜。采用整體鍛造大頭孔在半精鏜之后將連桿身蓋銑開,并以分開面定位鉆螺紋出孔,斜剖式結(jié)構(gòu)連桿剛性不足,設計時加浮動支撐,然后合鉆擴,攻螺孔保證同軸度,修正螺紋孔時,可用銑刀擴孔,不用鉆頭,以消除向下的力。這一工序主要保證螺紋孔的 垂直度,可將垂直度轉(zhuǎn)化為平行度進行檢驗。 組裝后精鏜大小頭孔,在專用雙軸鏜床上同時進行。大小頭孔的光整加工是保證孔的尺寸,形狀精度和表面粗糙度不可缺少的工序。大孔的衍磨是一種有切屑的加工,去掉波峰,提高孔的圓柱度,小孔的滾壓則是一種無切屑的加工,把波峰壓下去,降低表面粗糙度。 連桿本身剛度比較低,易變形,所以在安排工藝時應把各主要面粗、精加工工序分開,這樣,粗加工產(chǎn)生的變形在半精加工中得到修正,半精加工產(chǎn)生的變形在精加工中得到修正,最后達到零件的技術(shù)要求。 連桿是發(fā)動機的關(guān)鍵零件，對強度有較高的要求。其作用是把活塞和曲軸聯(lián)接起來，使活塞的往復直線運動變?yōu)榍S的回轉(zhuǎn)運動，以輸出動力。就制造工藝而言，連桿屬于較難鍛造與加工的一種零件，為了提高發(fā)動機的效率，延長其使川壽命，有必要對連桿加工工藝進行改進。 1 不同的連桿加工工藝流程對比 原加工工藝流程:毛坯鍛造——銑兩端面——粗磨兩端畫——鉆小頭孔——鉆大頭孔——車大頭外圓——粗鏜小頭孔——粗鏜大頭孔——半精鏜小頭孔——半精鏜大頭孔——銑切連桿大頭分開面——粗銑分離面——精銑分離面——鉆鉸定位銷孔——攻螺紋孔——磨分離面——精磨兩端面——壓銅套——精鏜大頭孔——精鏜銅套孔——珩磨大頭孔 改進后加工工藝流程:毛坯鍛造——粗銑兩端面——鉆大小頭孔——粗磨兩端面——粗鏜大小頭孔——車大頭外圓——鉆、攻螺栓孔——連桿撐斷——精磨兩端面——壓銅套——精鏜大頭孔、銅套孔——滾壓銅套孔——珩磨大頭孔。 2 連桿加工藝改進分析 (1)采用了連桿撐斷新工藝。連桿撐斷工藝的基本原理是:在連桿大頭孔的剖分面上，加一個V型凹槽，在該凹槽處施加一個撐開的力，由于在V形凹槽處形成壓力集中，而將連桿和連桿蓋撐開，斷口沿V形凹槽準確斷裂，其斷裂面的特性可使連桿體和連桿蓋在裝配時處于最佳吻合狀態(tài)。 采用撐斷工藝將連桿斷開以后，連桿蓋、桿結(jié)合面具有完全嚙合的犬牙交錯結(jié)構(gòu)，以保證結(jié)合面精確相接、吻介，結(jié)合面不須再進行任何加工。其優(yōu)點如下: ①減少了加工工序數(shù)(無結(jié)合面的銑削、磨削及拉削)，使連桿加工變得更簡單，節(jié)省機床投資25％，減少刀具費用35％，節(jié)省能源40％ ,節(jié)省面積20％。 ②由于結(jié)合面的特殊開口，使蓋的定位準確，可保證連桿在使用過程中的精度，而不需要定位螺栓(只需要普通螺栓)，省去了螺母。 ③由于連桿撐斷接觸面是凸凹不平的，大大提高了接觸面積，從而提高了連桿承載能力、抗剪能力。 ④節(jié)省了操作人員。 ⑤降低了生產(chǎn)線運行費用，減少了維護保養(yǎng)。 (2)提高了連桿兩孔中心距尺寸精度。一是加工工藝改進前，大頭孔與小頭孔的鉆、粗鏜以及精鏜均分開為兩道工序，兩次裝夾，故兩孔中心距的尺寸公差分布范圍較大；工藝改進后，一次裝夾鉆或鏜兩孔，能夠?qū)⑦B桿兩孔中心距尺寸誤差控制在很小范圍內(nèi)。二是工藝改進后，車大頭外圓在粗鏜大頭孔和小頭孔后，更有利于后續(xù)工序回轉(zhuǎn)自由度限制的一致性與穩(wěn)定性。 (3)保證了兩孔的平行度。一是連桿毛坯為模鍛件，孔加工余量大，內(nèi)應力變形大，改進后的工藝，由于先鉆兩孔，再粗磨端面，使連桿在鉆孔工序時，避免了孔端面平面度、平行度被破壞。二是改進后的連桿加工工藝，以連桿整個端面定位，并壓緊整個端面，同時鏜兩孔，保證連桿兩孔的平行度。 (4)提高了連桿大頭孔和小頭銅套孔的光潔度、尺寸精度、形狀精度。改進后的連桿加工工藝，小頭銅套孔在精位后進行滾壓加工，有利于提高光潔度、尺寸精度，并能產(chǎn)生有利的殘余壓應力。而大頭孔采用珩磨加工，珩磨頭與機床主軸浮動連接，有利于減少主軸回轉(zhuǎn)中心與被加工孔的同軸度誤差的影響 3 連桿撐斷工藝應考慮的問題 連桿撐斷技術(shù)的原理是利用材料斷裂理論，為保證連桿產(chǎn)品的性能和切削性，應關(guān)注以下幾個問題: (1)毛坯材料及毛坯工藝 撐斷連桿要求其材料塑性變形小、強度較好、脆性適中、工藝性好。按撐斷加工技術(shù)要求，主要采用的材料有:高碳鋼(廣泛應用，例:一汽的連桿材料C70S6BY)、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、粉末燒結(jié)材料(粉末成分為Fe一Cu一C一S)，這幾種材質(zhì)的毛坯，室溫下可實現(xiàn)脆性斷裂，連桿大頭孔不產(chǎn)生明顯塑性變形， 其變形量≤40微米。例:一汽的連桿材料C7056BY其金相組織為珠光體加斷續(xù)的鐵素體，抗拉強度為900－1050MPa，屈服極限為520MPa，最大延伸率為10％。 撐斷連桿鍛件毛坯形狀、尺寸與普遍連桿毛坯并無多大區(qū)別，但為減少撐斷過程中的撐斷力及大頭孔變形，在不影響斷裂面嚙合的情況下，盡量減少大頭孔中心處撐斷截面積。撐斷連桿鍛件在鍛造過程中不需特殊的防范，一般鍛后在保護坑內(nèi)空冷。 (2)溫度影響 撐斷面分為三區(qū)，由斷裂源向外依次可分為纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇。當斷面的放射區(qū)較寬時，表示材料的塑性差，脆性較大。反之，纖維區(qū)較大，表明材料就塑性及韌性較好，如何加大放射區(qū)寬度，縮小纖維區(qū)寬度，是實現(xiàn)脆性斷裂的條件。 圖1所示為溫度對斷口三要素各區(qū)大小的影響，材料為40Cr。從圖中可見，當溫度低于室溫時，放射區(qū)顯著增大，為室溫下實施連桿的撐斷工藝提供了保障。 圖2 溫度對脆性斷裂的影響 圖3 溝槽深度與斷裂強度的關(guān)系 (3)初始溝槽的加工 初始溝槽深度與斷裂強度成反比(如圖2所示)，即對于一定的應力值，存在著一個臨界的溝槽裂紋深度。 因此，初始溝槽加工工藝、方法直接影響撐斷加工質(zhì)量。目前常規(guī)的機加工方法是用拉削工藝加工“V型”槽，但為減少撐斷變形及撐斷力，提高撐斷效率和質(zhì)量，激光加工初始溝槽方法正逐步得以運用。 4 連桿加工夾具的幾點說明 (1)自為基準 為適應“一面一孔一凸臺”(即大小頭端面、小頭孔、大頭孔一側(cè)外圓面)的統(tǒng)一精基準，而大、小頭孔是一次裝夾中鏜出，故須考慮“自為基準”情況，這時小頭定位銷應做成活動的，當連桿定位夾緊后，再抽出定位銷，進行加工。 (2)車大頭外圓夾具 傳統(tǒng)的車大頭外圓的定位方式為以連桿端面、連桿小頭孔、連桿大頭孔內(nèi)側(cè)定位(即一面兩銷定位方式)。此種定位方式的問題是:因前道工序租鏜大頭孔是以毛坯外側(cè)定位來加工內(nèi)孔，由此而產(chǎn)生毛坯的較大鍛造尺寸公差帶來了加工后內(nèi)孔兩側(cè)壁厚超差，致使車大頭外圓時單邊現(xiàn)象嚴重，甚至車不出來而報廢。 根據(jù)連桿毛坯外側(cè)對稱的特征，可設計一種自定心車夾具，以實現(xiàn)毛坯的對中定位。如圖3所示，將連桿裝在夾具體上，移動定位套與工件接觸，利用定位套前端的錐面對連桿大頭兩側(cè)實現(xiàn)對中頂定位。然后裝上開口壓板，擰緊六角螺釘使工件夾緊后，再將定位套退回規(guī)定位置進行車削，阻尼鋼球主要起定位套在加工狀態(tài)下的限位作用。 圖4 車連桿大頭夾具示意圖 (3)自動定心夾緊機構(gòu)與聯(lián)動夾緊機構(gòu)的運用 自動定心夾緊機構(gòu)是一種同時實現(xiàn)對工件定心定位和夾緊的夾緊機構(gòu)，即在夾緊過程中，能使工件相對于某一對稱面保持對稱性。連桿銑兩端面工序是以連桿桿身對稱面定位，其夾具可采用螺旋定心夾緊機構(gòu)(如圖4所示)，利用左右反螺紋的螺桿帶動壓塊夾緊工件，并采用雙面銑，來實現(xiàn)連桿對稱度要求及減少工件變形。 連桿加工中，聯(lián)動夾緊機構(gòu)也得到廣泛采用，例同時幢大小頭孔夾具，一個夾緊力源對工件大小頭孔處同時實施夾緊。聯(lián)動夾緊機構(gòu)設計的關(guān)鍵是必須要有中間浮動環(huán)節(jié)，才能保證夾緊力能同時均勻地傳遞作用于各個施力點。 圖5 螺旋定心夾緊機構(gòu)示意圖 5結(jié)束語 雖然連桿加工本身所包括的工藝內(nèi)容并不復雜，但由于材質(zhì)、外形尺寸以及要求的加工精度，經(jīng)常給加工帶來困難。隨著高效加工工藝的出現(xiàn)，更合理、更經(jīng)濟地安排零件的加工工藝及生產(chǎn)流程便成為可能。因撐斷工藝具有傳統(tǒng)工藝無可比擬的優(yōu)點，因而迅速獲得了應用。 參考文獻 1、上海交通大學.金屬斷口分析.國防出版社，1979 2、劉寶深.實驗斷裂和損傷力學測試技術(shù).機械工業(yè)出版社，1994 3、劉鴻文.材料力學.高等教育出版社，1990 4、 宋正元.康明斯B系列連桿工藝設計的研究與實踐.組合機床與自動化加工技術(shù)，1999 (7) 5、王先透.機械制造工藝學.機械工業(yè)出版社，1999.10 6、貴州工學院.機床夾具結(jié)構(gòu)圖冊.貴州人民出版社，1983