康明斯B系列連桿工藝設計的研究與實踐
發表時間:2009-08-06 11:16:29; 來源:
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1.1 工藝設計原則
工藝設計以保證質量穩定、生產可靠為原則。該生產線基本上由半自動單機組成，只有螺栓孔的加工和稱重去重采用了自動線。在設備選型上，立足國內，力求經濟合理，除半精鏜、精鏜大小頭孔引進德國EX-CELL-O公司的精密鏜床外，其余設備均為國內制造。在吸取國內外連桿加工經驗的基礎上，開始采用諸多新型設備，形成了自己的工藝特點。如連桿外部平面的加工采用五臺大行程、單溜板、轉臺式立式拉床，大小頭毛坯孔的粗加工，采用兩臺大剛性雙面八軸鏜床，切斷采用雙面臥式圓盤銑床，螺栓孔部分的粗、精加工采用十一工位托盤式自動線；帶止口斜結合面的加工采用一臺臥式大拉床，平衡去重部分采用電子天平八工位稱重去重自動線。機床的設計力求高精度、大剛性、大流量冷卻、自動排屑、機外換刀。電氣上采用程控、監控系統等。
1.2 連桿主要結構參數
連桿的功能決定了它既是傳力構件，又是運動件，它受到很大的燃氣燃燒爆發力和慣性力的作用，因此必須具有足夠的強度和剛度。B系列發動機連桿的毛坯圖、總成圖如圖1、圖2所示，主要結構參數見表1。
圖1 連桿毛坯圖
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圖2 連桿總成圖
表1 連桿主要結構參數 (mm) |
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1.3 連桿的工藝特點
(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。這種楔形結構的設計可增大其承壓面積，以提高活塞的強度和剛性。
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向精度來避免襯套壓偏現象的發生，但卻增加了壓襯套工序加工的難度。
(3)帶止口斜結合面。連桿結合面結構種類較多，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合面，其結構如圖3所示。 |
圖3 結合面結構示意圖
從使用性能上看，重復定位精度高，在擰緊螺釘時，可自動滑移消除止口間隙。從工藝性上看，定位可靠，連桿成品經拆裝后大頭孔徑圓度變化小。由于連桿由多面組成且結構復雜，精度要求較高，所以加工難度增大；結合面和螺孔不垂直，呈72°角，螺栓孔只好在切斷工序后、拉結合面工序前加工。螺栓孔和結合面分別先后加工，為達到互換性裝配要求，加工精度相應提高。
1.4 定位及夾緊
粗基準的正確選擇和初定位夾具的合理設計是加工工藝中至關重要的問題。在拉連桿大小頭側定位面時，采用連桿的基準端面及小頭毛坯外圓三點和大頭毛坯外圓二點粗基準定位方式。這樣保證了大小頭孔和蓋上各加工面加工余量均勻，保證了連桿大頭稱重去重均勻，保證了零件總成最終形狀及位置。圖4為加工兩端面粗基準定位夾緊，圖5為加工連桿大、小頭定位基準面粗基準定位夾緊。
圖4 加工兩端面粗基準定位夾緊
圖5 加工連桿大小頭定位基準面粗基準定位夾緊
精加工基準采用了無間隙定位方法，在產品設計出定位基準面。在連桿桿和總成的加工中(見圖6)，采用桿端面、小頭頂面和側面、大頭側面的加工定位方式；在螺栓孔至止口斜結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、一螺栓座面的側面的加工定位方法。這種重復定位精度高且穩定可靠的定位、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。由于定位基準統一，使各工序中定位點的大小及位置也保持相同。這些都為穩定工藝、保證加工精度提供了良好的條件。
圖6 連桿桿和總成加工定位示意圖
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圖7 連桿蓋加工定位示意
1.5 材料與毛坯
康明斯連桿選材為美國標準SAE1541鋼，其材料標準為康明斯標準30062-04，采用調質熱處理工藝。國產化時，將毛坯材料定為40MnBH(GB5216-85)，采用鍛造余熱淬火加高溫回火調質熱處理新工藝，此方法既能獲得良好的綜合機械性能，又能提高疲勞強度，還能節省大量的能源。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、加工和運輸。該連桿硬度為HB255～302(dB3.5～3.8)，材料的奧氏體晶粒度國標規定為7～8級，CKD連桿實物的晶粒度水平為7級。材料標準對比見表2。
表2 材料標準對比 (%) |
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GB5216-85 |
康明斯標準
30062-04 |
| C |
0.37～0.44 |
0.4～0.47 |
| Si |
0.17～0.37 |
0.15～0.30 |
| Mn |
1.00～1.40 |
1.35～1.65 |
| B |
0.0005～0.0035 |
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| P |
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0.04(max) |
| S |
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0.05(max) |
近年來，非調質鋼作為在傳統材料基礎上發展起來的一個新品種，得到廣泛的應用。該材料對鍛造工藝而言，省去了調質處理工藝，避免了熱處理裂紋，節省了大量能源。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，康明斯采用調質鋼毛坯SAE1541鋼，1995年全面轉用非調質鋼材料毛坯38MnVS。1993年以來，選用了40MnVG非調質鋼進行了材料、加工工藝各項有關試驗。批量切削表明，零件廢品率明顯降低，拉削加工表面質量提高了一個等級，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。材料標準對比見表3。
表3 材料標準對比 % |
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東風汽車公司標準 |
康明斯標準 |
| C |
0.36～0.42 |
0.35～0.40 |
| Si |
0.50～0.75 |
0.50～0.75 |
| Mn |
1.30～1.60 |
1.30～1.50 |
| V |
1.07～1.12 |
0.08～0.13 |
| P |
≤0．035 |
≤0．035 |
| S |
0.02～0.05 |
0.045～0.065 |
| Cr |
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0.10～0.20 |
| AL |
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0.01～0.030 |
| Ni |
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0.10～0.20 |
| Mo |
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≤0.06 |
| Cu |
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≤0.25 |
| N |
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0.010～0.020 |
1.6 新工藝、新技術的應用
采用熒光探傷對鍛造內在質量再次進行檢查；桿、蓋螺栓孔等在自動線上分開加工；螺栓的擰緊采用進口定值扭矩扳手及扭矩轉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、精加工設備的鏜刀帶有自動補償裝置。
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→檢測配對桿蓋結合面精度→人工裝配→扭緊螺栓→打印桿蓋配對標記號→粗鏜大頭孔及兩側倒角→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。 | |
43±0．013
40．026±0．007
