分开面裂解连杆工艺分析(1).pdf

分开面裂解连杆工艺分析刘慕双1,李?明1,门?超1,孟庆义2(1.承德石油高等专科学校,河北 承德?067000;2.承德银河连杆有限责任公司,河北 承德?067000)摘要:提出了裂解连杆的材料、毛坯及裂纹槽的加工方法,对分开面切开和分开面裂解的连杆机械加工工艺过程进行了分析比较。针对裂解连杆的核心工序所使用的裂解装置建立了力学模型,并对裂解过程进行了受力分析,得到了扩力比公式,绘制了不同摩擦条件下扩力比与下拉楔块楔角的关系曲线。关键词:裂解;连杆;工艺;分析中图分类号:TH162+.1?文献标识码:B?文章编号:1006-0006(2008)01-0066-02Fracture Splitting Connecting Rod Technology AnalysisLIUMu?shuang1,LIM ing1,MEN Chao1,MENG Qing?yi2(1.Chengde Petroleum College,Chengde 067000,China;2.ChengdeY inhe Connecting ProductCo.,LTD.,Chengde 067000,China)Abstrac:tIt representsmateria,l blank of fracture splitting connecting rod and the processmethod of startgroove,anditmakes comparison bet ween dividing plane cut?off and dividing plane splitting w ith connecting rod mechanical processtechnology.It foundsmechanicalmodelwith splitting device of splitting connecting rod process,and it carries onmechanicalanalysiswith splitting process,finds the for mula of mechanical ratio,draws relation curve both mechanical ratio and wedgeangle with different friction condition.Key words:Fracture splitting;Connecting rod;Technology;Analysis?连杆是内燃机的关键零件,其作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动,并把作用在活塞的力传给曲轴。连杆主要承受活塞传出来的气体压力和活塞组的往复惯性力所产生的交变载荷。连杆的尺寸大小在很大程度上影响着内燃机的外形尺寸和重量,以及工作可靠性和寿命。如果连杆在交变载荷作用下发生断裂,将导致恶性破坏事故,甚至整台发动机报废。随着内燃机的发展与强化,连杆的工作条件愈加严酷,必须在设计上正确选择连杆的结构形式与尺寸、材料与工艺,以获得满意的技术经济效果。目前,国外先进的汽车发动机制造企业在连杆的设计开发、加工制造及新材料的应用方面取得了较大进展。连杆采用粉末冶金、非调质钢等为材料,分开面胀断裂解取代分开面切开的工艺方法,具有承载能力高、机械加工工艺过程大幅度简化的优点。1?胀断裂解连杆材料及毛坯特点连杆的材料及金相组织不仅影响连杆的使用性能和机械加工时的切削性,而且决定了裂解加工的可行性。由于连杆在发动机内部工作时,处于高速度运转状态,同时还要承受较大的动静载荷,连杆在内燃机装配时,要求有较高的重装精度,这就要求连杆裂解加工完成后,大头孔不能产生明显的塑性变形。这也为连杆的后续精加工提供准备,确保精加工后大头孔的尺寸精度、形状精度要求。连杆的材料应具有较高的综合机械性能指标,同时要限制连杆的韧性指标,使断口呈现脆性断裂特性,以便具有较高的重装精度和形状稳定性。工程上经常用来制造连杆的材料有粉末冶金、钢材、球墨铸铁和可锻铸铁。铸造连杆的低塑性和易脆断极适宜裂解加工技术的应用。但铸造连杆重量偏差大,机械性能较差,其使用受到限制。目前,适于采用裂解连杆工艺的材料为粉末冶金、钢材。?锻钢连杆组织结构与力学性能好,在传统连杆制造业中应用最为广泛,尤其用于负荷大、转速高的发动机以及要求连杆具有高疲劳强度和可靠性的场合,但锻造连杆毛坯几何精度低,材料韧性高,裂解加工产生的变形大,机械加工余量大,重装精度低。值得注意的是微合金非调质钢 1 2,锻造后直接空冷,力学性能、疲劳性能指标即可达到要求,可取消淬火和高温回火热处理,尤其是适合裂解加工,可大幅度降低连杆材料、毛坯及机械加工的成本。粉末冶金材料具有良好的脆性断裂性能,用裂解方法加工连杆广泛采用此种材料。其优点是毛坯烧结成型精确度高,可减小连杆的加工余量,甚至可取消连杆毛坯粗加工阶段,使烧结成型后的连杆直接进入精加工阶段。因此连杆采用粉末冶金裂解加工工艺,提高了材料利用率,减少了机械加工工序的数量。另外,粉末冶金连杆在烧结成型时就可一次加工成型出裂纹槽,从而可取消缺口加工工序。随着粉末冶金技术的发展,减小了高精度、高密度、高强度的粉末冶金连杆毛坯制造成本,连杆裂解加工技术使用将越来越广泛。2?分开面切开与分开面裂解的连杆工艺过程比较通常,内燃机中连杆与曲轴装配联结,要求连杆大头做切断加工,由此会带来分开面和大头孔的多道粗精加工工序。采用裂解加工技术制造连杆具有加工工序少、生产率高、生产线上使用的加工设备少,与传统连杆的制造方法相比大幅度降低了制造成本。2.1?分开面切开的连杆机械加工工艺过程连杆的加工表面为:大小头孔、两端面、两个螺钉孔、连杆杆身及杆盖分开面、定位面等表面。其中大小头孔加工精度要求较高,通常为 I T6。在制定连杆的机械加工工艺规程时,把大小头孔作为主要加工表面,采用先粗加工,后精加工,最后安排光整加工的工艺路线拟收稿日期:2007-09-24?66?第 35卷第 1期?拖拉 机 与 农 用 运 输 车?Vo.l 35 No.12008 年2 月?T ractor&Far m Transporter?Feb.,2008订原则来确定连杆的机械加工工艺路线;把两端面作为主要定位基准,采用基准先行的原则,安排在工艺路线的开始工序安排两端面的加工,为后续表面的加工提供主定位基准。在定位基准面加工及主要表面粗加工完成后,要安排连杆杆身及杆盖分开面的粗精加工,考虑到分开面的切开及铣削磨削加工余量及在此之前的连杆的整体性,可以知道连杆的大头孔的镗削粗加工不能整圆一次镗出来,而是半圆镗削加工出来的。这就是常规分开面切开连杆的加工工序多的原因,具体加工过程见表 1。2.2?分开面裂解的连杆机械加工工艺过程分开面裂解与分开面切开的连杆的机械加工表面大体相同,在制定分开面裂解的连杆的机械加工工艺规程时,也是把大小头孔作为主要加工表面,采用先粗加工,后精加工,最后安排光整加工的工艺路线拟订原则来确定连杆的机械加工工艺路线,具体加工过程见表 1。只是分开面裂解加工的连杆不用在连杆整体锻造时留下来分开面的切削加工余量,连杆大头孔可直接制造成型为圆形,大头孔粗镗时可镗削成整圆,减少了连杆大头孔的粗加工的余量和加工次数。加之分开面裂解可一次完成分开面的加工,避免了分开面的切开、铣削及磨销等加工工序,裂解连杆的机械加工工艺过程的工序数量削减了许多。表 1?分开面切开与分开面裂解的连杆机械加工工艺过程比较Tab.1 Processing Comparison ofCut?offand SplittingD i v i ding Pl ane锻造连杆工艺过程工序号工序名称工序号工序名称10校直220拉螺栓孔20磁粉探伤230清洗组装30铣连杆两端面240精磨两端面40粗磨连杆两端面250退磁50钻小头孔260半精镗大头孔60粗镗小头孔270精镗小头孔70倒小头孔角280精镗大头孔80车大头工艺面290倒大头孔角90粗镗大头孔300钻小头油孔100铣小头定位面310倒油孔角110铣大头工艺面320铣瓦槽120半精镗小头孔330瓦槽倒角130精镗身盖承压面340压入衬套140铣产品编号面350金刚镗衬套孔150打产品编号360珩磨大头孔160切开连杆身面370去毛刺170精铣分开面380拆开180精铣身承压面390清洗组装190精铣盖承压面400检验200合钻、扩、铰螺栓孔410成品检查入库210倒螺栓孔角粉末冶金连杆工艺过程工序号工序名称工序号工序名称10钻、镗小头孔80倒大、小孔角20加工螺栓孔90铣瓦槽30切应力槽100瓦槽倒角40涨断110珩磨大、小孔50组装120成品清理清洗60精磨两端面130大孔检验分组70精镗大、小孔140包装、入库3?连杆分开面的裂解方法连杆裂解装置和连杆的裂纹槽的加工是否合理,直接影响连杆的裂解质量。下面对两个问题作如下分析。3.1?裂纹槽的加工保证连杆分开面裂解加工质量要求。裂纹槽的加工是胀断裂解加工之前最重要的一道工序。裂解连杆的材料应具有较高的强韧综合性能指标,呈现脆性断裂特征。实践表明,在胀断裂解工序之前,在连杆的大头孔内加工出合符要求的裂纹槽,对裂解加工的质量具有较大的影响。在裂解分开面处加工裂纹槽,可以产生缺口效应。胀断加工时,在裂纹槽处产生应力集中,保证在预定位置发生断裂。使连杆裂解加工的分开面具有啮合特性好,承载能力和重装精度高等特点。拉削加工:机械拉削裂纹槽时,由于裂解连杆材料屈服强度较低,硬度偏高,因此刀具磨损较快,加工过程中拉刀容易变钝,使裂纹槽曲率半径逐渐增大。为此,在生产中应根据拉刀磨损情况不断换刀,或采用专用修刀仪对拉刀进行修整。这种加工方法所需要的辅助时间长,效率低,刀具损耗大费用高,裂解力要求较大,裂解缺陷率较高。激光加工:优点是切缝窄、速度快、无刀磨损、易裂解、重复精度高的特点。但裂纹槽属于窄缝盲槽一般的二氧化碳激光器无法满足裂纹槽的加工要求。实验证明,YAG 固体激光加工裂纹槽独具优势 3。线切割加工:是瞬间放电熔化加工,可对任何导电材料加工,不受材料的硬度、韧性和脆性的限制。加工的同时对裂纹槽局部有淬火作用,提高了裂纹槽根部的应力集中系数,对保证脆性断裂有利。但加工厚度受到限制,一般同时只能加工一件连杆,线切割加工效率过低,不适合大批量连杆的生产。3.2?连杆的胀断装置的力学模型裂解工序是裂解连杆加工工艺过程中的核心工序,连杆裂解方法对连杆裂解分开面的啮合性质,后续机械加工质量,连杆身与连杆盖的重装精度会产生影响。设计连杆裂解装置时,要考虑到施加载荷的大小、方向及速度,加载装置的结构等因素。必须注意控制大头孔的塑性变形、单边断裂及弯曲断裂。设计合理的连杆裂解装置是连杆裂解工艺的成功的关键。图 1是连杆裂解装置的力学模型,对该力学模型作受力分析如下图 1?连杆裂解装置的力学模型Fig.1Mechani calModel ofConnecti ng Rod SplittingDevice把楔块当作隔离体如图 2,进行受力分析,在 x,y 两个方向列出受力平衡方程?Fy=0?Q=2N2sin?2+F2cos?2(1)图 2?裂解装置的受力分析F i g.2 MechanicalAnal ysis with Splitting Dev i ce设楔块与胀套之间接触表面的摩擦角为:?2,则有F2N2=tan?2(2)设胀套与环形支承之间接触表面的摩擦角为:?1,则有F1N1=tan?1(3)把胀套当作隔离体,进行受力分析,在 x,y 方向列出受力平衡方程(下转第 69页)?67?刘慕双等:分开面裂解连杆工艺分析2?有限元计算结果首先根据车速在 60,80,100,120 km/h制动情况下,建立了 4种工况,然后进行制动器制动时的有限元摩擦热分析(图 2)。然后再通过改变制动器摩擦系数(其变化范围从 0.25到0.65),考察对制动时产生摩擦热的影响。图 2?初速度在 60 k m/h下产生的摩擦热(单位:J)Fig.2 FrictionHeat i n InitialVector60 k m/h根据不同车速下产生摩擦热的情况可知,车速对摩擦热的影响成正比而且影响很大。制动盘在制动过程中,其最大温升不是在制动的终止时刻,而是在终止前的某一时刻。这是因为摩擦过程将要结束时摩擦功已降低,产生的热量或已传导到外界介质、或被摩擦副吸收,其值已较小,所以摩擦产生的热量已小于热传导散失的热量。同样摩擦系数对于摩擦热的影响也是很大的。选择较低摩擦系数的材料,能在相同的制动初速度和压紧力作用下,产生较小的温升,十分有利于减少制动摩擦热。但是摩擦系数较小时会导致制动性能降低。此外,由计算结果可知:在制动的初期,摩擦片上的高温区域主要集中在最先与制动盘进行摩擦的部分,而随着制动时间的推移,高温区域会逐渐转移到摩擦片的中心区域。3?结论通过上述不同工况下的热分析结果,得到盘式制动器改进设计建议如下:1)改善其通风条件,合理地引导高速气流通过制动盘,能够有效地减少摩擦热的累积。2)设计空心制动盘,在其两个工作面之间以若干角度为间隔,设计一整圈的通风孔道。这些通风孔道能够引导高速气流流过,可有效地带走部分的摩擦热,能很好地起到散热作用。3)从减少摩擦热的角度出发,应选取摩擦系数较小的材料,但是其却不能提供足够的制动力。为平衡两者之间的关系,选材时应优先考虑材料的摩擦系数稳定性、热导率、高温时的耐磨性和承受负荷的能力。4)根据摩擦材料性能的对比情况 2,选用有机类的半金属压膜摩擦材料是较为理想的。5)制动摩擦热与制动压紧力成正比,而制动压紧力的大小是由制动踏板力决定的,因此要求驾驶者要尽量避免紧急制动,即尽量避免施加超过正常制动液压力的踏板力。无论是在高速,还是低速行驶的时候,都应和前面行驶汽车保持一定的制动安全距离,这样能够有效地避免被动的紧急制动。在实际的驾驶操作上避免紧急制动,避免施加过大的制动踏板力,是减少制动摩擦热的生成有效途径之一。参考文献:1?齐志鹏.汽车制动系统的结构原理与检修 M.北京:人民邮电出版社,2005.2?张小虞,冯超,高和生,等.汽车工程手册 M.北京:人民交通出版社,2000.(编辑?郭聚臣)作者简介:刘长虹(1957-),男,湖北武汉市人,教授,博士,主要研究方向为固体力学。(上接第 67页)?Fx=0?N=N?2cos?2-F?2sin?2-F1(4)?Fy=0?N1=N?2sin?2+F?2cos?2(5)将式(1)至(5)联立并求解得到扩力比ip=NQ=cos?2+tan?2sin?2-tan?1sin?2-tan?1tan?2cos?22sin?2+2tan?2cos?2(6)根据式(6),考虑到钢的摩擦系数为 0.10 0.15,将楔块的楔角?作为变量,得到摩擦系数分别为 0.10和 0.15时的扩力比与楔块的楔角的关系曲线,如图 3所示。图 3?不同摩擦条件下的扩力比与楔块的楔角的关系曲线Fig.3 Rel ation Curves both Mechani cal Rati o andW edge Angl e4?结论1)裂解装置的扩力比受到下拉楔块的楔角及各相对运动表面摩擦系数的影响,下拉楔块的楔角及相对运动表面摩擦系数越小,扩力比越大;反之,扩力比越小。2)下拉楔块的楔角越小,将导致裂解装置的裂解行程越大,裂解装置体积增加,裂解速度降低。3)分开面裂解比分开面切开的连杆机械加工工艺过程大幅度缩短,因此采用连杆裂解工艺可减少设备、人力及材料的消耗。参考文献:1?曹正,史万富,王敢利,等.高碳微合金非调质钢连杆研究 J.汽车工艺与材料,2000(12):24 27.2?赵立新,刘志民,赵树国.C70S6连杆材料的研究 J.车用发动机,2005(4):47 50.3?寇淑清,杨慎华,赵勇,等.发动机连杆裂解加工及其关键技术 J.吉林大学学报,2004,34(1):85 90.(编辑?史洛晨)作者简介:刘慕双(1961-),男,教授,研究方向为机械电子工程及仪器仪表产品研制与开发;李明(1970-),男,讲师,研究方向为机械制造工艺;门超(1977-),男,助教,研究方向为数控技术;孟庆义(1943-),男,总工程师,研究方向为机械制造工艺设备及其自动化。?69?刘长虹等:轿车盘式制动器制动热分析