涨断连杆工艺.doc

连杆分离面的涨断工艺(CRACKING TECHNOLOGY)是把连杆盖从连杆本体上断裂而分离开来。它不是用铣、锯或拉这类传统切削加工方法，而是对连杆大头孔的断裂线处先加工出两条应力集中槽子（或在毛坯时就做出沟槽），然後带楔形的压头往下移动进入连杆大头孔，连杆大头孔与压头之间还有一对半圆套筒。当压头往下移动时对连杆大头孔产生径向力，这样就使其在槽子处出现裂缝，在径向力的继续作用下，裂缝也继续扩大，最终把连杆盖从连杆本体上涨断而分离出来。连杆涨断工艺的实用性取决於其分离面的可装配性。最理想的连杆及连杆盖涨断後的分离面，是不带任何塑性变形的脆性断裂，使其可装配性达致最佳。影响其脆性断裂的因素很多，如断裂速度及材料等。至於连杆采用涨断工艺时对其材料的要求，据德国KREBSOEGE公司的研究结果，烧结粉末金属连杆的可涨断性较好，也是连杆涨断工艺首先在粉末金属连杆上推行的原因。铸铁连杆最适宜的材料是GTS65-70，锻钢连杆的材料是70号钢。但是，70号钢锻造连杆在涨裂时，不带塑性变形的脆性断裂以及70号钢的切削加工，将是该工艺的难点。连杆分离面涨断工艺的几个工艺问题* 断裂槽的加工工艺连杆断裂槽加工有两种工艺：拉削加工和激光加工）。采用拉削方法加工连杆大头孔的两条槽子，由於拉刀随着加工时间长而磨损，被拉削的槽子形状也随之而变化。槽子形状的变化又影响连杆大头孔在涨断後的变形。由於被拉削的两个断裂槽形状不一样，在连杆分离面断裂时会出现一个分离面已断开，而另一个分离面尚未完全断开的现象。采用激光加工连杆大头孔的两条槽子，可保持形状一致，也就保证了连杆大头孔在涨断後的变形也是一致。同时，激光加工的柔性好，加工运行的费用也小。所以，现在很多汽车公司如上海大众汽车公司等，都倾向采用激光加工连杆断裂槽。* 断裂槽的槽深德国ALFING机床公司的研究表明，连杆大头孔在涨断後的圆度和楔力，与大头孔预加工的槽子深度有关。由图可知断裂槽的深度大，则连杆大头孔在涨断後的变形小及涨断时的楔力小。但是，断裂槽深度不能太深，否则在最後精镗大头孔时会镗不掉，建议为0.50mm左右。* 采用涨断工艺後连杆的装配工艺当连杆分离面断开之後，在分离面上有些金属粉粒未脱落，需要先吹净分离面才装配连杆与连杆盖，装配完毕再松开并第二次吹净其分离面，然後再装配连杆与连杆盖。所以，采用涨断工艺後的连杆装配工艺比传统工艺要复杂。* 连杆涨断工艺流程连杆采用涨断工艺之後，其机械加工的工艺流程与传统工艺流程有了明显的变化。连杆分离面涨断工艺的优点* 简化了连杆及连杆盖的设计要求连杆分离面采用涨断工艺後，连杆与连杆盖的分离面完全啮合，这就改善了连杆盖与连杆分离面的结合质量，所以它们的分离面不需进行机械加工，省掉了分离面的拉削加工和磨削加工。由於分离面完全啮合，连杆与连杆盖装配一起时，也不需增加额外的精确定位，如螺栓孔定位（或定位环孔），只要两枚螺栓拉紧即可。这样可省掉螺栓孔的精加工（铰或镗）。* 改善连杆总成的大头孔变形采用传统的连杆加工工艺，在装配前需要把连杆与连杆盖的分离面磨削加工一次，以及螺栓孔作为定位用，所以螺栓孔与其分离面的垂直度和两螺栓孔的中心距尺寸都有严格的要求。虽然以上的技术要求很高，但总有一定误差，所以连杆与连杆盖装配後有残余应力留在连杆总成。连杆总成的两侧面和大小头孔精加工完毕後，要送到发动机装配线上与曲轴装配，这时要拆开连杆盖与连杆，释放残余应力，产生连杆大头孔变形的现象。当连杆盖与连杆再次装到发动机的曲轴上，严重的变形就引致装不上去的质量问题。连杆大头采用涨断工艺後，它们的分离面是最完全的啮合。所以，没有分离面及螺栓孔加工误差等影响，而这些加工误差以0.01mm单位来计算。采用涨断工艺时连杆大头孔亦有变形，但是比较小，其误差以0.001mm单位来计算。例如德国ALFING公司的Volker Ohrnberger和Michael Haehnel两位工程师的研究指出：在粗加工後连杆大头孔不圆度大约在12痠左右，在涨断後大约在40痠左右，变形约为28痠。美国Giddings & Lewis Co.的研究指出：连杆大头孔的平均直径在涨断前後的平均变形仅为23痠(0.0009in)。* 经济效益据德国ALFING机床公司介绍，连杆分离面采用涨断工艺後的经济效益如下：* 减少设备投资达25%以上；* 缩短连杆生产线的长度，减少设备占地面积达30%以上；* 节约能耗40%以上；* 节约刀具费用35%以上；* 明显地减少设备、刀具等的维护费用。国内外汽车公司连杆采用涨断工艺的情况国内外连杆采用涨断工艺的汽车厂及设备制造厂包括：1991年美国FORD汽车公司的ROMEO发动机厂的4.6升V8发动机的粉末锻造连杆（由美国TRI-WAY机床公司提供设备）；1991年德国BMW汽车公司的4升V8发动机的粉末锻造连杆（由德国EX-CELL-O机床公司提供设备）；1992年美国CHRYSLER汽车公司的TRENTON发动机厂的2升L-4发动机的粉末锻造连杆（由加拿大ARVID公司提供设备）；1992年美国FORD汽车公司Cleveland第二发动机厂的2.5升V-6发动机的粉末锻造连杆（由美国LAMB机床公司提供设备）；1995年中国一汽大众的五气门发动机的70号钢锻造连杆（由德国Ex-Cell-O机床公司提供设备）；1997年德国大众的Audi汽车公司的五气门发动机的70号钢锻造连杆（由德国ALFING机床公司提供设备）；1999年中国上海大众的五气门发动机的70号钢锻造连杆（由德国ALFING机床公司提供设备）。由於连杆分离面采用涨断工艺要比传统工艺具有更多的优点，所以它是符合精益生产原则的精益制造工艺，更是连杆制造工艺的发展方向。目前，国外连杆分离面的涨断工艺正在迅速且大量地进入连杆生产领域。与传统工艺的区别 以整体锻件毛坯加工为例，我厂采用的连杆涨断新工艺与传统工艺相比有很多区别。 1、大头孔的粗力口工 传统工艺要在切断后对大头孔进行粗拉，或者在切断前将它加工成椭圆形（或者毛坯为椭圆形），所以要在2个工位上.进行粗加工，而且因为是断续加工，振动大、刀具磨损快、刀具消耗大。而涨断工艺将大头孔加工成圆形，所以可在1个工位上加工。涨断工艺的生产设备只需要1个主轴，而传统工艺的生产设备则需要2个主轴。图1是两种工艺的连杆毛坯对比图。 2、连杆体、盖分离方法 传统工艺采用拉断（或铣断、锯断）法，而涨断工艺是在螺栓孔加工之后涨断。采用涨断工艺后，连杆与连杆盖的分离面完全啮合，这就改善了连杆盖与连杆分离面的结合质量，所以分离面不需要进行拉削加工和磨削加工。由于分离面完全啮合，将连杆与连杆盖装配时，也不需要增加额外的精确定位，如螺栓孔定位（或定位环孔），只要两枚螺栓拉紧即可，这样可省去螺栓孔的精加工（铰或镗）。图2为采用两种工艺加工后的连杆体/盖对比图。3、结合面的加工 传统工艺是在拉断后还要磨削结合面，且连杆体/盖的装配定位靠两个螺栓孔中的定位孔和螺栓的定位部分配合来定位，所以对螺栓孔与其分离面的垂直度和两螺栓孔的中心距尺寸都有严格的要求。尺寸误差导致连杆与连杆盖装配后有残余应力留在连杆总成。连杆总成的两侧面和大小头孔精加工完毕后，要送到发动机装配线上与曲轴装配，这时要拆开连杆盖与连杆，释放残余应力，这会造成连杆大头孔变形。当连杆盖与连杆被再次安装到发动机曲轴上时，变形严重的可导致无法安装。图3为两种工艺的结合面对比图。4、螺栓孔加工 涨断工艺加工的连杆体/盖的装配定位是以涨断断面作定位，而传统工艺加土的连杆体/盖的装配定位靠两个螺栓孔中的定位孔和螺栓的定位部分配合来定位，所以对螺栓孔和螺栓的精度要求都很高。以两个螺栓孔孔距为例：传统工艺加工时公差要求为士0.05mm，而采用涨断工艺加工时为0.1 mm。采用涨断工艺加工连杆时，两个螺栓孔可不同时加工，这样为多品种加工创造了便利条件。连杆大头孔采用涨断工艺后，它们的分离面是最完全的啮合，所以没有分离面及螺栓孔加工误差等影响。采用涨断工艺加工的连杆螺栓孔结构简单，精度要求低，使用6工位自动线就可以完成螺栓孔加工；而传统工艺加工连杆螺栓孔则需要14个工位，而且需要分别定位夹紧连杆体/盖，夹具复杂，设备工装投资很大。 实际应用 图4 连杆8工位专机自动线我公司连杆涨断工艺采用德国KRAUSE&MAUSER设计制造的8工位回转台机床（见图4）。该设备具有激光加工涨断槽一赞涨断并清洁分离面安装螺栓并预拧紧、松开螺栓并清洁结合面然后拧紧螺栓至要求衬套上料并压装及精整等功能。1、激光加工涨断槽 连杆分离面涨断工艺要考虑涨断槽的加工工艺。一般来讲，连杆涨断槽有两种加工工艺，即拉削加工和激光加工。采用拉削方法加工时，由于拉刀在加工过会出现磨损，影响被拉削的涨断槽的形状，继而影响连杆大头孔在涨断后的变形。常常出现涨断时一个分离面已断开，而另一个分离面尚未完全断开的现象。而激光加工可保证两个涨断槽的形状一致，也就保证了连杆大头孔在涨断后的变形一致。同时，激光加工还具有柔性好、加工运行费用低等优点，因此奇瑞公司采用了激光方法切割涨断槽（见图5）。该工序通过调节激光的脉冲频率和脉冲强度来控制涨断槽的深度及宽度。涨断槽的形状为V形，在激光切割的凹槽处形成应力集中，从而为连杆的涨断打下很好的基础。 2、涨断并清洁断面通过直接进料驱动装置使连杆到达指定的涨断装置处，涨断装置由一个带吹气嘴的芯棒及定中心元件组成，涨断装置对大头孔施加一个撑开的力，这样在V形凹槽处将形成应力集中，从而将连杆体和连杆盖撑断，并沿着V形槽准确断裂。断裂面的特性可使连杆体和连杆盖装配时处于最佳吻合。连接到颗粒过滤器及吸气装置的管路用于吹走涨断时的颗粒，从而达到用压缩空气吹去断面残渣的目的。图6为涨断工位，图7为涨断后的截面。 3、螺栓装配 该工位是通过带振动式储料器的螺栓进料装置、分离装置以及带导管和气嘴的进料器，将螺栓进料、安装，并用安装在齿条式安装支架及液压驱动垂直滑台上.的快速BOSCH拧紧机进行预拧紧，当拧紧至某一设定扭矩处时，通过设有等待功能的装置松开螺栓，清理结合面，最后拧紧螺栓至要求。图8为螺栓装配工位。 4、压装和精整衬套此工位具备衬套自动进料功能，包括料架（电气和机械连动控制）的振动式储料器的存贮能力约半个班次，还具备分料、输送及自动定向的功能。该设备还有一个可以手工调节、带直线轴承并可用于安装压装单元的水平滑台及装于立柱中间的垂直滑台，通过监控和调整NC控制的压装单元及反向固定装置，达到压装之后衬套精整的目的（详见图9）连杆的工艺特点 (1)连杆体和盖厚度不一样，改善了加工工艺性。连杆盖厚度为31mm，比连杆杆厚度单边小3.8mm，盖两端面精度产品要求不高，可一次加工而成。 由于加工面小，冷却条件好，使加工振动和磨削烧伤不易产生。 连杆杆和盖装配后不存在端面不一致的问题，故连杆两端面的精磨不需要在装配后进行，可在螺栓孔加工之前。 螺栓孔、轴瓦对端面的位置精度可由加工精度直接保证，而不会受精磨加工精度的影响。 (2)连杆小头两端面由斜面和一段窄平面组成。这种楔形结构的设计可增大其承压面积，以提高活塞的强度和刚性。 在加工方面，与一般连杆相比，增加了斜面加工和小头孔两斜面上倒角工序；用提高零件定位及压头导向精度来避免衬套压偏现象的发生，但却增加了压衬套工序加工的难度。 (3)带止口斜结合面。连杆结合面结构种类较多，有平切口和斜切口，还有键槽形、锯齿形和带止口的。该连杆为带止口斜结合面. 连杆的工艺特点 (1)连杆体和盖厚度不一样，改善了加工工艺性。连杆盖厚度为31mm，比连杆杆厚度单边小3.8mm，盖两端面精度产品要求不高，可一次加工而成。 由于加工面小，冷却条件好，使加工振动和磨削烧伤不易产生。 连杆杆和盖装配后不存在端面不一致的问题，故连杆两端面的精磨不需要在装配后进行，可在螺栓孔加工之前。 螺栓孔、轴瓦对端面的位置精度可由加工精度直接保证，而不会受精磨加工精度的影响。 (2)连杆小头两端面由斜面和一段窄平面组成。这种楔形结构的设计可增大其承压面积，以提高活塞的强度和刚性。 在加工方面，与一般连杆相比，增加了斜面加工和小头孔两斜面上倒角工序；用提高零件定位及压头导向精度来避免衬套压偏现象的发生，但却增加了压衬套工序加工的难度。 (3)带止口斜结合面。连杆结合面结构种类较多，有平切口和斜切口，还有键槽形、锯齿形和带止口的。该连杆为带止口斜结合面，其结构如图3所示。 精加工基准采用了无间隙定位方法，在产品设计出定位基准面。在连杆杆和总成的加工中(见图6)，采用杆端面、小头顶面和侧面、大头侧面的加工定位方式；在螺栓孔至止口斜结合面加工工序的连杆盖加工中(见图7)，采用了以其端面、螺栓两座面、一螺栓座面的侧面的加工定位方法。这种重复定位精度高且稳定可靠的定位、夹紧方法，可使零件变形小，操作方便，能通用于从粗加工到精加工中的各道工序。由于定位基准统一，使各工序中定位点的大小及位置也保持相同。这些都为稳定工艺、保证加工精度提供了良好的条件。 材料与毛坯 康明斯连杆选材为美国标准SAE1541钢，其材料标准为康明斯标准30062-04，采用调质热处理工艺。国产化时，将毛坯材料定为40MnBH(GB5216-85)，采用锻造余热淬火加高温回火调质热处理新工艺，此方法既能获得良好的综合机械性能，又能提高疲劳强度，还能节省大量的能源。毛坯为整体锻造，其外形精度高，省材料，简化工艺，便于组织生产、加工和运输。该连杆硬度为HB255302(dB3.53.8)，材料的奥氏体晶粒度国标规定为78级，CKD连杆实物的晶粒度水平为7级。材料标准对比见表2。 近年来，非调质钢作为在传统材料基础上发展起来的一个新品种，得到广泛的应用。该材料对锻造工艺而言，省去了调质处理工艺，避免了热处理裂纹，节省了大量能源。从加工方面看，由于通过添加S、Ca等元素，明显地改善了切削性能，断屑容易，排屑流畅，刀具寿命大大提高。 在19841994年期间，康明斯采用调质钢毛坯SAE1541钢，1995年全面转用非调质钢材料毛坯38MnVS。1993年以来，选用了40MnVG非调质钢进行了材料、加工工艺各项有关试验。批量切削表明，零件废品率明显降低，拉削加工表面质量提高了一个等级，即从Ra3.2m提高到Ra.2.21.6m，拉削振动明显降低，刀具耐用度提高1.52倍。材料标准对比见表3。 新工艺、新技术的应用 采用荧光探伤对锻造内在质量再次进行检查；杆、盖螺栓孔等在自动线上分开加工；螺栓的拧紧采用进口定值扭矩扳手及扭矩转角法多工步拧紧工艺；小头孔的半精加工、精加工工序采用拉镗退刀加工工艺，大小头孔的半精加工、精加工设备的镗刀带有自动补偿装置。 2 连杆加工的工艺流程 连杆加工的工艺流程是：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杆两端面倒角拉小头两斜面粗拉螺栓座面，拉配对打字面、去重凸台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、小头孔及大小头孔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结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底孔精度压入小头孔衬套称重去重精镗大头孔、小头衬套孔清洗最终检查成品防锈。(待续)