康明斯B系列连杆工艺设计的研究与实践一

洗衣板

1.1　工艺设计原则
# \% o% n2 m! }! G7 a2 P3 |　　工艺设计以保证质量稳定、生产可靠为原则。该生产线基本上由半自动单机组成，只有螺栓孔的加工和称重去重采用了自动线。在设备选型上，立足国内，力求经济合理，除半精镗、精镗大小头孔引进德国EX-CELL-O公司的精密镗床外，其余设备均为国内制造。在吸取国内外连杆加工经验的基础上，开始采用诸多新型设备，形成了自己的工艺特点。如连杆外部平面的加工采用五台大行程、单溜板、转台式立式拉床，大小头毛坯孔的粗加工，采用两台大刚性双面八轴镗床，切断采用双面卧式圆盘铣床，螺栓孔部分的粗、精加工采用十一工位托盘式自动线；带止口斜结合面的加工采用一台卧式大拉床，平衡去重部分采用电子天平八工位称重去重自动线。机床的设计力求高精度、大刚性、大流量冷却、自动排屑、机外换刀。电气上采用程控、监控系统等。
1 e, u$ [; _& y# Z) X: k1.2　连杆主要结构参数
& O* t( N; |( ?. L% Q　　连杆的功能决定了它既是传力构件，又是运动件，它受到很大的燃气燃烧爆发力和惯性力的作用，因此必须具有足够的强度和刚度。B系列发动机连杆的毛坯图、总成图如图1、图2所示，主要结构参数见表1。

图1　连杆毛坯图

! f$ `7 g0 U( t2 Z图2　连杆总成图
7 F$ z: n2 @3 E7 y表1　　连杆主要结构参数　　(mm)
! F! D6 p* D# O9 z6 ^项　　目
技 术 要 求
4 y0 Q6 a3 N3 A7 M材料
4 a# E* q* _- P40MnBH
热处理要求
- d# x0 i! N! V调质处理：HB255～302
( I5 L: u" J8 t6 V! L大小头孔中心距
' h  O1 I; g! V: h/ F192±0.025
1 R- \. g6 D) \) v9 m弯曲度
0.15/305
扭曲度
* j9 k1 y' T* q" w8 l% \$ X0 o0.3/305
整体毛坯重量
8 q; d; O+ L/ e5 z2 680±100(g)
. I4 O9 D3 D3 D& i& g( t成品大头重量
5 A9 A1 S8 X1 C& `& }$ u8 M8 f1498±7(g)
- g: U8 m" D4 T4 g# ?) e杆身断面
工字形
切口型式
68°斜切口
/ R$ y/ L. x5 c- ]' C小头尺寸
5 n# h8 a7 I. j& r3 v# P% b, K  m$ ?) y孔径
7 m& q+ d7 k8 Q9 I  k/ n  X$ A; } 43±0．013
宽度
% Q& [& [3 ?7 x* q! ^" q38.5±0.05
- Q& m+ ]1 {  z! ~- w8 i* B% p; |斜度(楔形)
* t% ]% ?% k& g3 ?# v11°
小头衬套
4 L( x8 d3 k4 O: t: L. y5 T材料
铜铅双金属
内孔直径
$ E/ r) W% L7 r 40．026±0．007
9 k: `# Y: Z3 G$ y大头尺寸
/ E, n6 \; s4 D' {& m6 f$ W1 V孔径
73±0．013
$ C0 f& d8 G8 d4 K# k/ {3 |宽度
38．5±0．05
结合面
' \" J2 w( S4 I3 F精 度
X方向两止口宽度尺寸
5 j" M( n2 r, u/ N, \, b* e102±0.10
1 t. A! A; D- BX方向两止口配对公差
. Z" e1 B) ^* v9 u8 T$ z$ M1 J0.018
+ J! I( _6 R* g; {' }# A4 ^2 X两结合斜面落差
16±0.10
两结合斜面配对公差
0 C9 y; I- U7 I9 l0.018
止口至大头孔理论中心
. b% v0 f) D( r$ E% l5 _3 }. j51±0.03
连杆杆
# R" T, \) B/ D8 s) o/ H、盖
连杆体上螺纹孔
M11×1．25－6H，位置度0.2
9 Y) R* C+ S- H连杆盖上螺栓孔
11．41±0．08，位置度0.2
; }; _  L+ F8 o! |, X连杆螺栓力矩
将12.9级螺栓按转角法拧紧
: n' u$ C& V3 D  e. a$ E1 l, q机械性能
9 X  {( ^( l9 i8 C5 a试样尺寸
& Q6 `5 d% l+ `2 S$ |6 A; d10×40
6 n9 g2 B; v: p3 K4 L延伸率
≮15%
横断面收缩率
≮45%
抗拉强度
( [% b% u, t* \≮862 MPa
& b+ c! x) @7 @弯曲强度
+ x. y, F1 q  f# }7 O& X1 I≮621MPa
1.3　连杆的工艺特点
& D# Q$ b; ?1 S1 |$ Y% a9 q　　(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。
! u5 R2 N  t( ^* _　　(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。
6 y2 o" j! C* F( _8 J　　(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。

5 x: i+ W2 K! `) ^" f: s图3　结合面结构示意图
4 F4 h7 Z( t2 {- e- p& a, z' ?　　从使用性能上看，重复定位精度高，在拧紧螺钉时，可自动滑移消除止口间隙。从工艺性上看，定位可靠，连杆成品经拆装后大头孔径圆度变化小。由于连杆由多面组成且结构复杂，精度要求较高，所以加工难度增大；结合面和螺孔不垂直，呈72°角，螺栓孔只好在切断工序后、拉结合面工序前加工。螺栓孔和结合面分别先后加工，为达到互换性装配要求，加工精度相应提高。
1.4　定位及夹紧
　　粗基准的正确选择和初定位夹具的合理设计是加工工艺中至关重要的问题。在拉连杆大小头侧定位面时，采用连杆的基准端面及小头毛坯外圆三点和大头毛坯外圆二点粗基准定位方式。这样保证了大小头孔和盖上各加工面加工余量均匀，保证了连杆大头称重去重均匀，保证了零件总成最终形状及位置。图4为加工两端面粗基准定位夹紧，图5为加工连杆大、小头定位基准面粗基准定位夹紧。

图4　加工两端面粗基准定位夹紧

( y9 Z  V; }% G图5　加工连杆大小头定位基准面粗基准定位夹紧
% ]' L  S$ p* D) c　　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。
$ }4 z; i) F8 ?9 o$ O, k# B
图6　连杆杆和总成加工定位示意图
* [/ o. K2 d/ `5 B6 X* O6 e& w
图7　连杆盖加工定位示意
1.5　材料与毛坯
8 j5 o) [0 y( k* }8 z+ g5 h, S　　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HB255～302(dB3.5～3.8)，材料的奥氏体晶粒度国标规定为7～8级，CKD连杆实物的晶粒度水平为7级。材料标准对比见表2。
表2　材料标准对比　　(%)

GB5216-85
# v4 \( i; d) u# k1 v康明斯标准
0 s2 u+ X5 ^' e% T/ k- ?30062-04
" b( g0 W0 H  q- u+ _C
7 _$ \, {/ E1 A' h* D+ v# h0.37～0.44
( R. }( Z" D" K0.4～0.47
Si
0.17～0.37
+ R# l8 K+ U9 X; d; f- Q- y0.15～0.30
9 i: J, s8 q1 h. gMn
9 a3 F7 M* E) @; O1.00～1.40
1.35～1.65
; L. j- e' y8 A8 S5 FB
0 R* [3 @* {' \; Q. Y2 v0.0005～0.0035
& A% v& b5 z( b$ a8 f% R& L: s4 R　
P
　
0.04(max)
S
　
# b. b' f5 s7 k( ?, p9 H$ B0.05(max)
　　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。
7 f9 A# C5 ]9 P  s　　在1984～1994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Ra3.2μm提高到Ra.2.2～1.6μm，拉削振动明显降低，刀具耐用度提高1.5～2倍。材料标准对比见表3。
表3　材料标准对比　　%
3 C7 |, b3 m+ J" Z! J! u4 J
0 x7 c7 {4 I9 p) \东风汽车公司标准
康明斯标准
7 o6 Y9 h* s& @  O, N! ]C
* k, K* f' p- r( D. h: D1 N0.36～0.42
0.35～0.40
* e( w9 r9 K8 M$ USi
0.50～0.75
. g- S( |  ]+ z0.50～0.75
Mn
1 R2 @/ `4 t7 [1.30～1.60
, j1 F8 @" e& ~& r# m3 x1.30～1.50
V
8 o4 u! w3 z' p1.07～1.12
0.08～0.13
P
# y$ z2 ~/ E, i  Z" v% S0 J≤0．035
; I: _! n: V, G: j( `$ c+ T≤0．035
S
0.02～0.05
: x+ [: z" b8 k) j. Z+ c0.045～0.065
Cr
　
0.10～0.20
AL
" A' W# X1 f& N! F) f& P　
0.01～0.030
2 L6 E7 S% @# X' \Ni
- b- M$ X1 Q; s5 {1 f1 p" U1 x6 v　
' P' _  r% a# K' `0.10～0.20
, A: j" \% s! w3 jMo
) f% {5 K: `  R& r* z　
- F, n& Z! a9 ^) n4 {4 L≤0.06
) K8 I7 y" {" n5 H  g# y& ?Cu
. U  O1 K' \1 f8 ?　
1 T# j( Y7 `" k9 V' L8 R≤0.25
4 P& g% G+ Q* M# U  dN
　
0.010～0.020
1.6　新工艺、新技术的应用
- ?1 E! p6 F6 }) y　　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
$ I+ P8 e% Z* t　　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。
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