連桿加工工藝專題報告

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線垂直,故稱為直剖式連桿。有些連桿大頭結構粗大,為了使連桿在裝卸時能從氣缸孔內通過,采用斜剖式結構,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產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,調質處理,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。鍛造時表面冷卻速度快,對內產生壓應力,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,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合金端銑刀盤,工件裝夾在回轉工作臺上作低速回轉進給運動,加工完一個面,轉過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率。連桿大小頭端面對稱分布在桿身的兩側,由于大小頭孔厚度不等,所以大頭端面與同側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,斜剖式結構連桿剛性不足,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,粗加工產生的變形在半精加工中得到修正,半精加工產生的變形在精加工中得到修正,最后達到零件的技術要求。連桿是發(fā)動機的關鍵零件，對強度有較高的要求。其作用是把活塞和曲軸聯接起來，使活塞的往復直線運動變?yōu)榍S的回轉運動，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、桿結合面具有完全嚙合的犬牙交錯結構，以保證結合面精確相接、吻介，結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(無結合面的銑削、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，能夠將連桿兩孔中心距尺寸誤差控制在很小范圍內。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的原理是利用材料斷裂理論，為保證連桿產品的性能和切削性，應關注以下幾個問題:(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、粉末燒結材料(粉末成分為Fe一Cu一C一S)，這幾種材質的毛坯，室溫下可實現脆性斷裂，連桿大頭孔不產生明顯塑性變形，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、大頭孔一側外圓面)的統一精基準，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、連桿大頭孔內側定位(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定位來加工內孔，由此而產生毛坯的較大鍛造尺寸公差帶來了加工后內孔兩側壁厚超差，致使車大頭外圓時單邊現象嚴重，甚至車不出來而報廢。根據連桿毛坯外側對稱的特征，可設計一種自定心車夾具，以實現毛坯的對中定位。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實現對中頂定位。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)自動定心夾緊機構與聯動夾緊機構的運用自動定心夾緊機構是一種同時實現對工件定心定位和夾緊的夾緊機構，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(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，來實現連桿對稱度要求及減少工件變形。連桿加工中，聯動夾緊機構也得到廣泛采用，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。聯動夾緊機構設計的關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螺旋定心夾緊機構示意圖5結束語雖然連桿加工本身所包括的工藝內容并不復雜，但由于材質、外形尺寸以及要求的加工精度，經常給加工