漲斷連桿工藝.doc

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連桿分離面的漲斷工藝(CRACKING TECHNOLOGY)是把連桿蓋從連桿本體上斷裂而分離開來。它不是用銑、鋸或拉這類傳統(tǒng)切削加工方法，而是對連桿大頭孔的斷裂線處先加工出兩條應(yīng)力集中槽子（或在毛坯時(shí)就做出溝槽），然後帶楔形的壓頭往下移動進(jìn)入連桿大頭孔，連桿大頭孔與壓頭之間還有一對半圓套筒。當(dāng)壓頭往下移動時(shí)對連桿大頭孔產(chǎn)生徑向力，這樣就使其在槽子處出現(xiàn)裂縫，在徑向力的繼續(xù)作用下，裂縫也繼續(xù)擴(kuò)大，最終把連桿蓋從連桿本體上漲斷而分離出來。 連桿漲斷工藝的實(shí)用性取決於其分離面的可裝配性。最理想的連桿及連桿蓋漲斷後的分離面，是不帶任何塑性變形的脆性斷裂，使其可裝配性達(dá)致最佳。影響其脆性斷裂的因素很多，如斷裂速度及材料等。至於連桿采用漲斷工藝時(shí)對其材料的要求，據(jù)德國KREBSOEGE公司的研究結(jié)果，燒結(jié)粉末金屬連桿的可漲斷性較好，也是連桿漲斷工藝首先在粉末金屬連桿上推行的原因。鑄鐵連桿最適宜的材料是GTS65-70，鍛鋼連桿的材料是70號鋼。但是，70號鋼鍛造連桿在漲裂時(shí)，不帶塑性變形的脆性斷裂以及70號鋼的切削加工，將是該工藝的難點(diǎn)。 連桿分離面漲斷工藝的幾個工藝問題 * 斷裂槽的加工工藝 連桿斷裂槽加工有兩種工藝：拉削加工和激光加工）。 采用拉削方法加工連桿大頭孔的兩條槽子，由於拉刀隨著加工時(shí)間長而磨損，被拉削的槽子形狀也隨之而變化。槽子形狀的變化又影響連桿大頭孔在漲斷後的變形。由於被拉削的兩個斷裂槽形狀不一樣，在連桿分離面斷裂時(shí)會出現(xiàn)一個分離面已斷開，而另一個分離面尚未完全斷開的現(xiàn)象。 采用激光加工連桿大頭孔的兩條槽子，可保持形狀一致，也就保證了連桿大頭孔在漲斷後的變形也是一致。同時(shí)，激光加工的柔性好，加工運(yùn)行的費(fèi)用也小。所以，現(xiàn)在很多汽車公司如上海大眾汽車公司等，都傾向采用激光加工連桿斷裂槽。 * 斷裂槽的槽深 德國ALFING機(jī)床公司的研究表明，連桿大頭孔在漲斷後的圓度和楔力，與大頭孔預(yù)加工的槽子深度有關(guān)。由圖可知斷裂槽的深度大，則連桿大頭孔在漲斷後的變形小及漲斷時(shí)的楔力小。但是，斷裂槽深度不能太深，否則在最後精鏜大頭孔時(shí)會鏜不掉，建議為0.50mm左右。 * 采用漲斷工藝後連桿的裝配工藝 當(dāng)連桿分離面斷開之後，在分離面上有些金屬粉粒未脫落，需要先吹凈分離面才裝配連桿與連桿蓋，裝配完畢再松開并第二次吹凈其分離面，然後再裝配連桿與連桿蓋。所以，采用漲斷工藝後的連桿裝配工藝比傳統(tǒng)工藝要復(fù)雜。 * 連桿漲斷工藝流程 連桿采用漲斷工藝之後，其機(jī)械加工的工藝流程與傳統(tǒng)工藝流程有了明顯的變化。 連桿分離面漲斷工藝的優(yōu)點(diǎn) * 簡化了連桿及連桿蓋的設(shè)計(jì)要求 連桿分離面采用漲斷工藝後，連桿與連桿蓋的分離面完全嚙合，這就改善了連桿蓋與連桿分離面的結(jié)合質(zhì)量，所以它們的分離面不需進(jìn)行機(jī)械加工，省掉了分離面的拉削加工和磨削加工。 由於分離面完全嚙合，連桿與連桿蓋裝配一起時(shí)，也不需增加額外的精確定位，如螺栓孔定位（或定位環(huán)孔），只要兩枚螺栓拉緊即可。這樣可省掉螺栓孔的精加工（鉸或鏜）。 * 改善連桿總成的大頭孔變形 采用傳統(tǒng)的連桿加工工藝，在裝配前需要把連桿與連桿蓋的分離面磨削加工一次，以及螺栓孔作為定位用，所以螺栓孔與其分離面的垂直度和兩螺栓孔的中心距尺寸都有嚴(yán)格的要求。雖然以上的技術(shù)要求很高，但總有一定誤差，所以連桿與連桿蓋裝配後有殘余應(yīng)力留在連桿總成。連桿總成的兩側(cè)面和大小頭孔精加工完畢後，要送到發(fā)動機(jī)裝配線上與曲軸裝配，這時(shí)要拆開連桿蓋與連桿，釋放殘余應(yīng)力，產(chǎn)生連桿大頭孔變形的現(xiàn)象。當(dāng)連桿蓋與連桿再次裝到發(fā)動機(jī)的曲軸上，嚴(yán)重的變形就引致裝不上去的質(zhì)量問題。 連桿大頭采用漲斷工藝後，它們的分離面是最完全的嚙合。所以，沒有分離面及螺栓孔加工誤差等影響，而這些加工誤差以0.01mm單位來計(jì)算。采用漲斷工藝時(shí)連桿大頭孔亦有變形，但是比較小，其誤差以0.001mm單位來計(jì)算。例如德國ALFING公司的Volker Ohrnberger和Michael Haehnel兩位工程師的研究指出：在粗加工後連桿大頭孔不圓度大約在12痠左右，在漲斷後大約在40痠左右，變形約為28痠。美國Giddings & Lewis Co.的研究指出：連桿大頭孔的平均直徑在漲斷前後的平均變形僅為23痠(0.0009in)。 * 經(jīng)濟(jì)效益 據(jù)德國ALFING機(jī)床公司介紹，連桿分離面采用漲斷工藝後的經(jīng)濟(jì)效益如下： ** 減少設(shè)備投資達(dá)25%以上； ** 縮短連桿生產(chǎn)線的長度，減少設(shè)備占地面積達(dá)30%以上； ** 節(jié)約能耗40%以上； ** 節(jié)約刀具費(fèi)用35%以上； ** 明顯地減少設(shè)備、刀具等的維護(hù)費(fèi)用。 國內(nèi)外汽車公司連桿采用漲斷工藝的情況 國內(nèi)外連桿采用漲斷工藝的汽車廠及設(shè)備制造廠包括： 1991年美國FORD汽車公司的ROMEO發(fā)動機(jī)廠的4.6升V8發(fā)動機(jī)的粉末鍛造連桿（由美國TRI-WAY機(jī)床公司提供設(shè)備）； 1991年德國BMW汽車公司的4升V8發(fā)動機(jī)的粉末鍛造連桿（由德國EX-CELL-O機(jī)床公司提供設(shè)備）； 1992年美國CHRYSLER汽車公司的TRENTON發(fā)動機(jī)廠的2升L-4發(fā)動機(jī)的粉末鍛造連桿（由加拿大ARVID公司提供設(shè)備）； 1992年美國FORD汽車公司Cleveland第二發(fā)動機(jī)廠的2.5升V-6發(fā)動機(jī)的粉末鍛造連桿（由美國LAMB機(jī)床公司提供設(shè)備）； 1995年中國一汽大眾的五氣門發(fā)動機(jī)的70號鋼鍛造連桿（由德國Ex-Cell-O機(jī)床公司提供設(shè)備）； 1997年德國大眾的Audi汽車公司的五氣門發(fā)動機(jī)的70號鋼鍛造連桿（由德國ALFING機(jī)床公司提供設(shè)備）； 1999年中國上海大眾的五氣門發(fā)動機(jī)的70號鋼鍛造連桿（由德國ALFING機(jī)床公司提供設(shè)備）。 由於連桿分離面采用漲斷工藝要比傳統(tǒng)工藝具有更多的優(yōu)點(diǎn)，所以它是符合精益生產(chǎn)原則的精益制造工藝，更是連桿制造工藝的發(fā)展方向。目前，國外連桿分離面的漲斷工藝正在迅速且大量地進(jìn)入連桿生產(chǎn)領(lǐng)域。 與傳統(tǒng)工藝的區(qū)別 以整體鍛件毛坯加工為例，我廠采用的連桿漲斷新工藝與傳統(tǒng)工藝相比有很多區(qū)別。 1、大頭孔的粗力口工 傳統(tǒng)工藝要在切斷后對大頭孔進(jìn)行粗拉，或者在切斷前將它加工成橢圓形（或者毛坯為橢圓形），所以要在2個工位上.進(jìn)行粗加工，而且因?yàn)槭菙嗬m(xù)加工，振動大、刀具磨損快、刀具消耗大。而漲斷工藝將大頭孔加工成圓形，所以可在1個工位上加工。漲斷工藝的生產(chǎn)設(shè)備只需要1個主軸，而傳統(tǒng)工藝的生產(chǎn)設(shè)備則需要2個主軸。圖1是兩種工藝的連桿毛坯對比圖。 2、連桿體、蓋分離方法 傳統(tǒng)工藝采用拉斷（或銑斷、鋸斷）法，而漲斷工藝是在螺栓孔加工之后漲斷。采用漲斷工藝后，連桿與連桿蓋的分離面完全嚙合，這就改善了連桿蓋與連桿分離面的結(jié)合質(zhì)量，所以分離面不需要進(jìn)行拉削加工和磨削加工。由于分離面完全嚙合，將連桿與連桿蓋裝配時(shí)，也不需要增加額外的精確定位，如螺栓孔定位（或定位環(huán)孔），只要兩枚螺栓拉緊即可，這樣可省去螺栓孔的精加工（鉸或鏜）。圖2為采用兩種工藝加工后的連桿體/蓋對比圖。 3、結(jié)合面的加工 傳統(tǒng)工藝是在拉斷后還要磨削結(jié)合面，且連桿體/蓋的裝配定位靠兩個螺栓孔中的定位孔和螺栓的定位部分配合來定位，所以對螺栓孔與其分離面的垂直度和兩螺栓孔的中心距尺寸都有嚴(yán)格的要求。尺寸誤差導(dǎo)致連桿與連桿蓋裝配后有殘余應(yīng)力留在連桿總成。連桿總成的兩側(cè)面和大小頭孔精加工完畢后，要送到發(fā)動機(jī)裝配線上與曲軸裝配，這時(shí)要拆開連桿蓋與連桿，釋放殘余應(yīng)力，這會造成連桿大頭孔變形。當(dāng)連桿蓋與連桿被再次安裝到發(fā)動機(jī)曲軸上時(shí)，變形嚴(yán)重的可導(dǎo)致無法安裝。圖3為兩種工藝的結(jié)合面對比圖。 4、螺栓孔加工 漲斷工藝加工的連桿體/蓋的裝配定位是以漲斷斷面作定位，而傳統(tǒng)工藝加土的連桿體/蓋的裝配定位靠兩個螺栓孔中的定位孔和螺栓的定位部分配合來定位，所以對螺栓孔和螺栓的精度要求都很高。以兩個螺栓孔孔距為例：傳統(tǒng)工藝加工時(shí)公差要求為士0.05mm，而采用漲斷工藝加工時(shí)為0.1 mm。采用漲斷工藝加工連桿時(shí)，兩個螺栓孔可不同時(shí)加工，這樣為多品種加工創(chuàng)造了便利條件。連桿大頭孔采用漲斷工藝后，它們的分離面是最完全的嚙合，所以沒有分離面及螺栓孔加工誤差等影響。采用漲斷工藝加工的連桿螺栓孔結(jié)構(gòu)簡單，精度要求低，使用6工位自動線就可以完成螺栓孔加工；而傳統(tǒng)工藝加工連桿螺栓孔則需要14個工位，而且需要分別定位夾緊連桿體/蓋，夾具復(fù)雜，設(shè)備工裝投資很大。 實(shí)際應(yīng)用 圖4 連桿8工位專機(jī)自動線 我公司連桿漲斷工藝采用德國KRAUSE&MAUSER設(shè)計(jì)制造的8工位回轉(zhuǎn)臺機(jī)床（見圖4）。該設(shè)備具有激光加工漲斷槽一贊漲斷并清潔分離面—安裝螺栓并預(yù)擰緊、松開螺栓并清潔結(jié)合面然后擰緊螺栓至要求——襯套上料并壓裝及精整等功能。 1、激光加工漲斷槽 連桿分離面漲斷工藝要考慮漲斷槽的加工工藝。一般來講，連桿漲斷槽有兩種加工工藝，即拉削加工和激光加工。采用拉削方法加工時(shí)，由于拉刀在加工過會出現(xiàn)磨損，影響被拉削的漲斷槽的形狀，繼而影響連桿大頭孔在漲斷后的變形。常常出現(xiàn)漲斷時(shí)一個分離面已斷開，而另一個分離面尚未完全斷開的現(xiàn)象。而激光加工可保證兩個漲斷槽的形狀一致，也就保證了連桿大頭孔在漲斷后的變形一致。同時(shí)，激光加工還具有柔性好、加工運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，因此奇瑞公司采用了激光方法切割漲斷槽（見圖5）。該工序通過調(diào)節(jié)激光的脈沖頻率和脈沖強(qiáng)度來控制漲斷槽的深度及寬度。漲斷槽的形狀為V形，在激光切割的凹槽處形成應(yīng)力集中，從而為連桿的漲斷打下很好的基礎(chǔ)。 2、漲斷并清潔斷面 通過直接進(jìn)料驅(qū)動裝置使連桿到達(dá)指定的漲斷裝置處，漲斷裝置由一個帶吹氣嘴的芯棒及定中心元件組成，漲斷裝置對大頭孔施加一個撐開的力，這樣在V形凹槽處將形成應(yīng)力集中，從而將連桿體和連桿蓋撐斷，并沿著V形槽準(zhǔn)確斷裂。斷裂面的特性可使連桿體和連桿蓋裝配時(shí)處于最佳吻合。連接到顆粒過濾器及吸氣裝置的管路用于吹走漲斷時(shí)的顆粒，從而達(dá)到用壓縮空氣吹去斷面殘?jiān)哪康?。圖6為漲斷工位，圖7為漲斷后的截面。 3、螺栓裝配 該工位是通過帶振動式儲料器的螺栓進(jìn)料裝置、分離裝置以及帶導(dǎo)管和氣嘴的進(jìn)料器，將螺栓進(jìn)料、安裝，并用安裝在齒條式安裝支架及液壓驅(qū)動垂直滑臺上.的快速BOSCH擰緊機(jī)進(jìn)行預(yù)擰緊，當(dāng)擰緊至某一設(shè)定扭矩處時(shí)，通過設(shè)有等待功能的裝置松開螺栓，清理結(jié)合面，最后擰緊螺栓至要求。圖8為螺栓裝配工位。 4、壓裝和精整襯套 此工位具備襯套自動進(jìn)料功能，包括料架（電氣和機(jī)械連動控制）的振動式儲料器的存貯能力約半個班次，還具備分料、輸送及自動定向的功能。該設(shè)備還有一個可以手工調(diào)節(jié)、帶直線軸承并可用于安裝壓裝單元的水平滑臺及裝于立柱中間的垂直滑臺，通過監(jiān)控和調(diào)整NC控制的壓裝單元及反向固定裝置，達(dá)到壓裝之后襯套精整的目的（詳見圖9） 連桿的工藝特點(diǎn) (1)連桿體和蓋厚度不一樣，改善了加工工藝性。連桿蓋厚度為31mm，比連桿桿厚度單邊小3.8mm，蓋兩端面精度產(chǎn)品要求不高，可一次加工而成。 由于加工面小，冷卻條件好，使加工振動和磨削燒傷不易產(chǎn)生。 連桿桿和蓋裝配后不存在端面不一致的問題，故連桿兩端面的精磨不需要在裝配后進(jìn)行，可在螺栓孔加工之前。 螺栓孔、軸瓦對端面的位置精度可由加工精度直接保證，而不會受精磨加工精度的影響。 (2)連桿小頭兩端面由斜面和一段窄平面組成。這種楔形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可增大其承壓面積，以提高活塞的強(qiáng)度和剛性。 在加工方面，與一般連桿相比，增加了斜面加工和小頭孔兩斜面上倒角工序；用提高零件定位及壓頭導(dǎo)向精度來避免襯套壓偏現(xiàn)象的發(fā)生，但卻增加了壓襯套工序加工的難度。 (3)帶止口斜結(jié)合面。連桿結(jié)合面結(jié)構(gòu)種類較多，有平切口和斜切口，還有鍵槽形、鋸齒形和帶止口的。該連桿為帶止口斜結(jié)合面. 連桿的工藝特點(diǎn) (1)連桿體和蓋厚度不一樣，改善了加工工藝性。連桿蓋厚度為31mm，比連桿桿厚度單邊小3.8mm，蓋兩端面精度產(chǎn)品要求不高，可一次加工而成。 由于加工面小，冷卻條件好，使加工振動和磨削燒傷不易產(chǎn)生。 連桿桿和蓋裝配后不存在端面不一致的問題，故連桿兩端面的精磨不需要在裝配后進(jìn)行，可在螺栓孔加工之前。 螺栓孔、軸瓦對端面的位置精度可由加工精度直接保證，而不會受精磨加工精度的影響。 (2)連桿小頭兩端面由斜面和一段窄平面組成。這種楔形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可增大其承壓面積，以提高活塞的強(qiáng)度和剛性。 在加工方面，與一般連桿相比，增加了斜面加工和小頭孔兩斜面上倒角工序；用提高零件定位及壓頭導(dǎo)向精度來避免襯套壓偏現(xiàn)象的發(fā)生，但卻增加了壓襯套工序加工的難度。 (3)帶止口斜結(jié)合面。連桿結(jié)合面結(jié)構(gòu)種類較多，有平切口和斜切口，還有鍵槽形、鋸齒形和帶止口的。該連桿為帶止口斜結(jié)合面，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。 精加工基準(zhǔn)采用了無間隙定位方法，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)出定位基準(zhǔn)面。在連桿桿和總成的加工中(見圖6)，采用桿端面、小頭頂面和側(cè)面、大頭側(cè)面的加工定位方式；在螺栓孔至止口斜結(jié)合面加工工序的連桿蓋加工中(見圖7)，采用了以其端面、螺栓兩座面、一螺栓座面的側(cè)面的加工定位方法。這種重復(fù)定位精度高且穩(wěn)定可靠的定位、夾緊方法，可使零件變形小，操作方便，能通用于從粗加工到精加工中的各道工序。由于定位基準(zhǔn)統(tǒng)一，使各工序中定位點(diǎn)的大小及位置也保持相同。這些都為穩(wěn)定工藝、保證加工精度提供了良好的條件。 材料與毛坯 康明斯連桿選材為美國標(biāo)準(zhǔn)SAE1541鋼，其材料標(biāo)準(zhǔn)為康明斯標(biāo)準(zhǔn)30062-04，采用調(diào)質(zhì)熱處理工藝。國產(chǎn)化時(shí)，將毛坯材料定為40MnBH(GB5216-85)，采用鍛造余熱淬火加高溫回火調(diào)質(zhì)熱處理新工藝，此方法既能獲得良好的綜合機(jī)械性能，又能提高疲勞強(qiáng)度，還能節(jié)省大量的能源。毛坯為整體鍛造，其外形精度高，省材料，簡化工藝，便于組織生產(chǎn)、加工和運(yùn)輸。該連桿硬度為HB255～302(dB3.5～3.8)，材料的奧氏體晶粒度國標(biāo)規(guī)定為7～8級，CKD連桿實(shí)物的晶粒度水平為7級。材料標(biāo)準(zhǔn)對比見表2。 近年來，非調(diào)質(zhì)鋼作為在傳統(tǒng)材料基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一個新品種，得到廣泛的應(yīng)用。該材料對鍛造工藝而言，省去了調(diào)質(zhì)處理工藝，避免了熱處理裂紋，節(jié)省了大量能源。從加工方面看，由于通過添加S、Ca等元素，明顯地改善了切削性能，斷屑容易，排屑流暢，刀具壽命大大提高。 在1984～1994年期間，康明斯采用調(diào)質(zhì)鋼毛坯SAE1541鋼，1995年全面轉(zhuǎn)用非調(diào)質(zhì)鋼材料毛坯38MnVS。1993年以來，選用了40MnVG非調(diào)質(zhì)鋼進(jìn)行了材料、加工工藝各項(xiàng)有關(guān)試驗(yàn)。批量切削表明，零件廢品率明顯降低，拉削加工表面質(zhì)量提高了一個等級，即從Ra3.2μm提高到Ra.2.2～1.6μm，拉削振動明顯降低，刀具耐用度提高1.5～2倍。材料標(biāo)準(zhǔn)對比見表3。 新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用 采用熒光探傷對鍛造內(nèi)在質(zhì)量再次進(jìn)行檢查；桿、蓋螺栓孔等在自動線上分開加工；螺栓的擰緊采用進(jìn)口定值扭矩扳手及扭矩轉(zhuǎn)角法多工步擰緊工藝；小頭孔的半精加工、精加工工序采用拉鏜退刀加工工藝，大小頭孔的半精加工、精加工設(shè)備的鏜刀帶有自動補(bǔ)償裝置。 2 連桿加工的工藝流程 連桿加工的工藝流程是：拉大小頭兩端面——粗磨大小頭兩端面→拉連桿大小頭側(cè)定位面→拉連桿蓋兩端面及桿兩端面倒角→拉小頭兩斜面→粗拉螺栓座面，拉配對打字面、去重凸臺面及蓋定位側(cè)面→粗鏜桿身下半圓、倒角及小頭孔→粗鏜桿身上半圓、小頭孔及大小頭孔倒角→清洗零件→零件探傷、退磁→精銑螺栓座面及R5圓弧→銑斷桿、蓋→小頭孔兩斜端面上倒角→精磨連桿桿身兩端面→加工螺栓孔→拉桿、蓋結(jié)合面及倒角→去配對桿蓋毛刺→清洗配對桿蓋→檢測配對桿蓋結(jié)合面精度→人工裝配→扭緊螺栓→打印桿蓋配對標(biāo)記號→粗鏜大頭孔及兩側(cè)倒角→半精鏜大頭孔及精鏜小頭襯套底孔→檢查大頭孔及精鏜小頭襯套底孔精度→壓入小頭孔襯套→稱重去重→精鏜大頭孔、小頭襯套孔→清洗→最終檢查→成品防銹。(待續(xù))