汽车连杆（精选7篇）
汽车连杆 篇1
连杆是汽车发动机上的关键零部件, 也是典型的、重要的、复杂系数最高的模锻件。连杆的制造精度、产品的内在和外在质量都将直接影响发动机的整机性能和水平。
而连杆在发动机的高速运转过程中致使连杆内部产生高频交变应力, 它要承受缸内气体爆破的冲击压力和曲轴扭转时的惯性拉力, 每个循环中拉力和压力两次交替。当汽车发动机转速为3000～5000r/min时, 其承受力频率是非常高的。由于连杆是在高速转动的疲劳载荷下工作, 因此对连杆的强度要求相当高。
另外, 由于要保持曲轴在高速运转时始终保持平衡状态, 为此, 对连杆的重量公差要求也要控制在一定范围内。
由于连杆的锻造工艺和切削加工过程都是很困难的, 为此在锻造生产和金属切削加工过程中, 很容易出现质量问题, 而这些问题的发生, 也是由于各种综合或某个因素造成的, 而产生问题的原因又很多, 所以长期以来, 连杆行业对连杆的材料、锻造工艺和金属切削加工制造工艺一直在不断地进行革新、改进和研讨。同时对在生产制造整个过程中容易出现的问题也在进行着深入的研究, 其目的就是既满足产品技术性能和使用要求, 又能够降低成本、提高效率和最大程度地增加经济效益。
连杆模锻件及总成加工现状与发展前景
近年来, 随着机械工业尤其是汽车工业的飞速发展, 各类系列汽油发动机和柴油发动机的需求量愈来愈大, 由此而带来的是发动机内部关键零部件——连杆精锻件和连杆总成相当大的需求和发展空间。
而激烈的市场竞争, 要求生产连杆精锻件和连杆总成的生产厂家必须把生产技术向着精密、高效、节材、节能和生产自动化与专业化、系列化方向发展, 目的是提高产品质量, 提高产品制造精度, 降低生产成本, 提高市场竞争力和占有率, 增加经济效益, 并走品牌化道路。
另外, 由于发动机类型和档次的不同, 对连杆的精锻件、连杆金属切削加工总成有不同的技术、质量要求。随着各种类型发动机的设计水平、使用条件的需要以及制造水平的提高, 尤其是发动机转数的提高, 动平衡要求的提高, 为此对连杆精锻件的重量公差、尺寸公差、产品精度、表面质量、内在质量、力学性能和所使用的原材料的要求也越来越高, 轿车连杆重量公差国际上通用的标准为产品重量的2%～3%, 当然, 一般内燃机的连杆重量公差要求在3%～5%范围内。
要满足和适应不同连杆模锻件的生产, 就要选择不同的模锻生产工艺和方法。与此同时, 机械制造加工的方法也在不断地改变, 过去只有金属切削加工, 而现在又增加了裂解 (涨断、撑断、断裂刻分) 加工新技术。这种技术从根本上改变了传统的连杆加工方法, 是对传统连杆加工的一种重大变革, 也是连杆金属切削加工的发展趋势。而裂解连杆要求其材料塑性变形小、强度好、脆性适中、工艺性好等等。
连杆模锻件生产工艺和生产线配置
1.典型连杆模锻件的生产工艺方法
(1) 锤上模锻:下料→加热→拔长→辗光→预锻→终锻→切边→冲孔→热校正→热处理→抛丸→探伤→精压。
(2) 辊锻或楔横轧-热模锻压力机模锻:下料→加热→辊锻 (楔横轧) 制坯→预锻→终锻→切边冲孔→热校正→热处理→抛丸→探伤→精压。
(3) 辊锻-锤上模锻 (电液锤、蒸汽模锻锤、空气模锻锤) 复合工艺:下料→加热→辊锻制坯→预锻→终锻→切边冲孔→热校正→热处理→抛丸→探伤→精压。
(4) 辊锻-摩擦压力机或高能螺旋压力机模锻:下料→加热→辊锻制坯→摩擦压力机预锻→第二台摩擦压力机终锻→切边冲孔→热校正→热处理→抛丸清理→探伤→精压。
2.典型连杆模锻生产线配置
(1) 辊锻机 (楔横轧) -热模锻压力机生产线中频感应加热炉 (300 k W) →辊锻机 (φ460m m) 或契横轧机→热模锻压力机 (25 000kN或31 500kN) →闭式单点压力机→空冷炉 (余热淬火+回火炉) →抛丸机→探伤机→精压机。
该类生产线是一汽和二汽卡车连杆为主导产品的, 该种配置的生产线是比较先进的, 它采用了中频感应加热, 辊锻或楔横轧制坯, 余热处理工艺或非调质钢新材料。在国内采用比较广泛。这种线便于实现自动化生产, 噪声小, 劳动环境好, 可生产各种类型的发动机连杆。
(2) 辊锻制坯-液压精锻锤生产线中频感应加热炉 (300k W) -辊锻机 (φ370m m) -液压精锻锤 (25～50kJ) →开式压力机 (1000k N) →余热处理槽 (900～950℃) →锻件回火炉 (115kW) →抛丸机 (600～1200kg/h) →莹光探伤机 (600W E型) →电动螺旋压力机 (4000kN) 。
该种生产线以轿车连杆为主, 锻件厚度公差基本在±0.2m m以内, 公差在±0.3m m以内, 切边模具设有氮气缸, 可使锻件定位压住后切边, 切边变形很小, 精压尺寸精度可控制在±0.1mm之内。
(3) 辊锻制坯-磨擦压力机模锻生产线。
中频感应加热炉 (250k W) →辊锻机→摩擦压力机 (630t) →摩擦压力机 (1000t) →闭式单点压力机 (250t) →摩擦压力机 (300t) →余热淬火 (870～900℃) →回火炉 (150k W) →抛丸机→荧光探伤机。
该种生产线以生产柴油机连杆为主, 在摩擦压力机上进行预锻、终锻、热校正, 工艺过程较为稳定, 锻件质量较好, 生产效率也较高, 适合于中小企业。
(4) 辊锻制坯-全自动热模锻压力生产线。
振动上料机→中频感应加热炉 (300k W) →辊锻机 (φ460m m) →2000t全自动热模锻压力机→余热淬火槽→回火炉→抛丸机→精压机→探伤机。
该线是生产1.3～1.6L轿车发动机连杆生产线, 该线电加热是英国扭威克生产的, 主机是日本住友公司的, 淬火槽回火炉是韩国的。预锻、终锻、切边、冲孔工步均在2000t锻压机上完成, 一模两件, 每6s一个行程, 班产量8000件/班, 目前是国内最先进的连杆模锻生产线之一。
锻造生产过程主要工序
1.下料
工艺方法:带锯机和棒料剪床下料均被广泛采用。
带锯机下料的优点是劳动条件好, 坯料两端面平整无缺陷, 缺点是生产效率偏低, 有锯口消耗。棒料剪床下料的优点是生产效率高、无锯口消耗, 缺点是端部轴向产生压扁、马蹄形、心部开裂、端面毛刺和应力集中等。
2.加热工序
(1) 工艺方法由于连杆模锻件质量要求高, 对加热质量要求也高, 同时还为了改变作业环境, 目前普遍采用中频感应加热方式, 这种方式也易于实现自动化。根据原材料的不同, 加热温度有一定的变化。目前常用的40C r、45M n、35M n2等材料的加热温度很多厂家基本上规定在 (1230±20) ℃范围内。德国“胀断连杆材料及毛坯技术规范”中规定的热成形时的锻压温度:锻压初始温度 (感应加热) 为1220～1290℃。热切飞边以及热校正时的温度大于或等于950℃。
(2) 加热过程中易出现的问题一是料温过高产生过烧;二是坯料温低。
(3) 预防措施中频加热炉需温度控制装置, 其作用是保证坯料的加热温度在规定范围内, 另外, 不易把坯料烧化在炉膛里, 也避免加热炉的损坏。加热炉必须具备:高温、正常温度、低温的三个通道, 并能自动分料。在加热炉出口处, 把过热和低温的坯料区分并分别放置。
对温度高和温度低的坯料的处理:低温料可直接返回炉后重新使用;高温料必须进行分选, 把过烧的坯料分选排除, 其余的料再返回炉后重新投入生产使用。有的厂家还进行抛丸处理后再返回炉后重新投入生产。
3.辊锻
(1) 辊锻工艺具有材料利用率高, 劳动条件好, 便于实现机械化和自动化, 投资少, 生产效率高, 生产成本低等特点。辊锻的作用主要是制坯, 进行金属体积的合理分配, 使之与预锻模膛相匹配。
辊锻工步在连杆模锻生产中具有重要作用, 是保证连杆锻件质量的第一关。为此, 要高度重视辊锻制坯工艺的制定和模具设计。突出强调的是保证在辊锻过程中每道辊坯都不出现折迭或毛刺。
(2) 辊锻过程中易出现的问题杆部出现折迭;各道次辊锻咬入点不一致, 过渡段R太小;杆部与小头过渡段, 杆部与小头过渡段出现花瓣形状;辊坯表面粗糙, 凸凹不平, 划伤;辊坯出现麻花状或局部产生小耳朵;辊锻模由于寿命较长, 经过长期使用, 必定产生磨损, 此时辊坯长度将缩短, 分料就会不均匀, 中间料增多, 而头部料不足, 会影响锻件的充满;机械手夹钳对坯料的夹伤。
由于在辊锻过程中会出现上述的主要问题, 必然要造成连杆产品的折迭、折纹和充不满等缺陷。
(3) 对辊锻工序上述常发生问题采取相应对策在辊锻模具设计中要合理确定各道次辊坯的形状与尺寸;合理分配各道次的延伸系数, 确定理想的型槽系;合理确定各道次的前滑值S前滑;准确计算各道辊坯截面尺寸和型槽尺寸;提高模具加工水平和模具制造精度, 保证设计尺寸和重复制造精度;无论是自动辊锻机还是人工操作, 一定要提高和保证纵、横两方向的定位精度。尤其是每道次翻转90°必须要保证。也就是要保证辊锻机和机械手必须始终处在完好状态之中。这一条是相当重要的, 因为很多废品和不良品都是因此原因而发生的。生产过程要勤观察辊锻模表面的变化, 并要经常进行修整, 在修整中, 要注意各道次的协调一致, 使用过程中的修磨原则上只是型腔表面的修整, 型腔不要发生很大变化, 如需大变化时, 应进行模具翻新。还要经常检查辊坯质量和锻件质量, 来验证辊锻工序质量和辊锻模的质量。在型槽磨损变大后, 必须及时调整辊锻机辊距, 以保证辊坯长度。
4.模锻成形
(1) 热模锻压力机上模锻工艺特点由于设备钢性好, 锻件精度高, 锻压机具有滑块调节装置, 可以调节滑块高度, 即设备的闭合高度。设备有上下顶出装置, 可以减小拔模角斜度。热模锻压力机工作台面大, 能承受较大的偏载, 所以, 可以进行多模膛锻造。滑块行程一定, 封闭高度一定。各工步是一次成形, 预锻模膛的设计要求高。锻压机模具不需要承击面, 为此, 模块小, 而且寿命较长。机锻模是分体的, 而各工步可以根据产品的特点设计成镶块式的, 较大幅度的降低了模具材料的消耗。
(2) 电液锤工艺特点设备钢性好, 锻件精度高, 设备有顶出装置。可多次打击, 打击能量可任意设定。可一模多件和多工步模锻。设备频率高, 生产效率高。锻模可设计为镶块式。
(3) 模锻操作规范工作前锻造模具必须预热, 预热温度在150～250℃范围。每锻一件必须对模具进行一次润滑, 目前, 润滑剂多采用水剂石墨润滑剂。润滑剂与水的比例为1∶5～1∶10, 可调整比例。预锻后平移或翻转到终锻模膛内均可。但翻转移动去除氧化皮效果明显。辊坯未参加变形部分要压扁, 容易定位, 并能去除氧化皮, 在压扁的同时, 吹去坯料和存在型槽中的残余氧化皮。生产节拍尽最大程度保持一致, 这样能够保证切边后的锻件温度, 有利于后续工序的质量控制, 以提高产品质量。
(4) 选择模锻工艺分析和工步简介模锻工艺一般设压扁、预锻、终锻三个工步。
压扁:因通常采用圆钢, 为此应将辊坯压扁, 第一是防止内孔的折迭;第二是便于预锻的平稳摆放。压扁厚度要根据连杆的厚度和宽度来确定。另外必须注意的是压扁时必须把辊坯在辊锻时出现的小飞刺水平放置, 以免出现折迭。
预锻:将压扁后的辊坯放置在预锻模膛, 长度方向应覆盖模膛, 防止摆放不正而导致端面缺陷压入模膛形成折迭或因缺料而造成锻件充不满。
终锻:终锻时, 按终热锻件图控制厚度尺寸, 热模锻压力机调整滑块高度, 控制终锻温度。电液锤调整打击能量, 并控制终锻温度。
(5) 模锻过程易产生的问题和对策。
连杆模锻件要求锻件表面不得有裂纹、折迭和氧化皮, 错差、表面缺陷、残余飞边高度也都有严格要求。同时有连杆锻件质量公差要求, 尤其是轿车连杆对于质量公差要求更为严格。而连杆的裂纹、折纹、折迭、残余飞边、重量超差是模锻工序的几个最容易出现的问题, 解决这些问题的具体措施如下:
(1) 针对不同连杆的模锻工艺和特点, 合理设计连杆预热锻件、预锻模膛, 使之和终锻模膛达到最佳匹配。
(2) 重视连杆工字形杆部的参数选取与模膛设计。
(3) 合理设计预锻大头孔劈料凸台的形状与尺寸, 尤其是只锻连杆的杆体时 (连杆锻件杆和盖分开锻造) , 其属于叉口形的锻件。如预锻件劈料设计不当, 坯料金属流动不合理, 则在叉口部位容易出现局部充不满, 造成废品。
(4) 辊坯大头辊锻时在夹钳中, 不参与变形, 为此, 在模锻时压扁, 既去除大头部分的氧化皮, 又有利于在预锻模膛中的定位。
(5) 在模具设计中要充分考虑模具的调整要方便、可靠。在生产过程中要及时调整。
(6) 锻造模膛要及时修整, 抛光并要注意匹配。
(7) 模具制造时, 要提高模具表面粗糙度和制造精度。
(8) 生产节拍要相对稳定, 要控制住终锻温度和设备的打击力。涨断连杆必须注意保证切边后的温度在900～950℃以上。
(9) 提高操作者的操作技能和业务素质, 不定期进行培训。
(10) 注意控制润滑剂的喷涂量。
(11) 设备一定要处于完好状态中。设备导轨间隙大是造成锻件折纹和错差、啃伤等缺陷的最主要的直接原因, 设备连击直接造成锻打过程中锻件磕伤。
5.冲孔、切边
连杆在模锻成型结束后都有连皮和飞边, 为了得到合格的锻件, 必须去除飞边和连皮。连杆锻件的冲孔和切边通常在切边压力机上进行, 均在热态下进行, 即模锻成型后利用锻件的余热。切边机须在模锻生产线之内。
(1) 切边冲孔的方式复合切边模:即切边冲孔在一套切边模具内一次行程中完成。联合切边冲孔模:在切边机上的切边时有两道工序, 第一是切边, 第二是冲孔, 即一个连杆锻件被连续放在两个模具中分别进行切边和冲孔。在连杆锻压机全自动生产线中:切边和冲孔工序均在热模锻压力机上进行的。速度快、效率高、质量稳定。
(2) 切边冲孔工序常见问题和对策残余飞边不均:是因凸凹模不匹配造成的间隙太大和凹模刃口磨损。切边变形原因和上述原因基本相同。锻模和切边模不匹配也是重要原因之一。大小头都冲孔时易造成大小头孔的中心距和锻件中心距有偏差, 小头壁厚差大;连杆小头产生冲孔变形, 小头孔上下两面孔径不一致。对于精度要求高的锻件, 一般小头是不冲孔的。如果必须在锻件做出小头孔, 可采用盲孔或钻床加工方法完成。
连杆锻造模锻生产过程中常见质量问题
连杆锻造模锻生产过程中经常出现的问题有:材料裂纹, 材料淬透性、力学性能不合格;加热温度范围大, 产生过热或过烧;辊坯表面质量不合格, 辊坯出毛边, 有龟裂纹;辊坯几何形状不符合设计尺寸, 锻件错差、充不满、氧化坑;锻件表面有各种类型的折迭和折纹;厚度超差, 切边变形, 残余飞刺超差, 硬度超差, 金相不合格;重量超差, 各种类型的磕、碰伤。
关键词：汽车连杆,锻造,质量
汽车连杆锻造工艺与质量浅析 篇2
连杆是汽车发动机上的关键零部件,也是典型的、重要的复杂系数最高的模锻件。连杆的制造精度、产品的内在和外在质量都将直接影响发动机的整机性能和水平。
连杆在发动机的高速运转过程中致使连杆内部产生高频交变应力,它要承受缸内每一冲程气体爆破的冲击压力和曲轴扭转时的惯性拉力。当汽车发动机转速为3000~5000r/min时,其受力频率非常高。由于连杆是在高速转动的疲劳载荷下工作,因此,对连杆的强度要求是相当高的。另外,由于要保持曲轴在高速运转时始终处于平衡状态,为此,连杆的重量公差也必须控制在一定的范围内。
连杆的塑性成形和机加工过程都难度较大,为此在锻造生产和机械加工过程中,容易出现质量问题。这些问题的发生,涉及许多因素。所以长期以来,连杆行业对连杆的材料、锻造工艺和机械加工制造工艺一直在不断的改进和研讨。其目的就是既满足产品技术性能和使用要求,又要能够降低成本,提高效率和最大程度地增加经济效益。
2 连杆模锻件及总成加工现状与发展
近年来,随着汽车工业的飞速发展,各类汽油发动机和柴油发动机的需求量愈来愈大,因而对发动机内部关键零部件———连杆精锻件和连杆总成提出了大的数量和质量的要求,也为连杆生产市场提供了广大的发展空间。
另外,由于发动机类型和档次的不同,对连杆的精锻件、连杆机械加工总成有着不同的技术、质量要求。随着设计水平,使用条件的需要以及制造水平的提高,尤其是发动机转数的提高,对连杆精锻件的动平衡、重量公差、尺寸公差、产品精度、表面质量、内在质量、力学性能和所使用的原材料的要求也越来越高。轿车连杆重量公差国际上通用的标准为产品重量的2%~3%,而一般内燃机的连杆重量公差要只求在3%~5%范围内。
要满足和适应不同连杆模锻件的生产,就要选择不同的模锻生产工艺和方法。与此同时,机械制造加工的方法也在不断的改变,过去只有机械切削加工,而现在又增加了裂解(胀断、撑断、断裂刻分)加工新技术。这些技术从根本上改变了传统的连杆加工方法,是对传统连杆加工的一种重大变革。其中裂解连杆要求材料塑性变形小、强度好、脆性适中,工艺性好等等。
3 连杆模锻件生产工艺和生产线配置
3.1 典型连杆模锻件的生产工艺方法
(1)锤上模锻:下料→加热→拔长→辗光→预锻→终锻→切边→冲孔→热校正—热处理—抛丸—探伤—精压。
(2)辊锻或楔横轧—热模锻压力机模锻:下料→加热→辊锻(楔横轧)制坯→预锻→终锻→切边冲孔→热校正—热处理—抛丸—探伤—精压。
(3)辊锻—锤上模锻(电液锤、蒸汽模锻锤、空气模锻锤)复合工艺:下料→加热→辊锻制坯→预锻→终锻→切边冲孔→热校正→热处理→抛丸→探伤→精压。
(4)辊锻—摩擦压力机或高能螺旋压力机模锻:下料→加热→辊锻制坯→预锻→终锻→切边冲孔→热校正→热处理→抛丸清理→探伤→精压。
3.2 典型连杆模锻生产线
(1)辊锻机(楔横轧)—热模锻压力机生产线
中频感应加热炉(300k W)—辊锻机(尴460mm)或楔横轧机—热模锻压力机(25000k N或31500k N)—闭式单点压力机—空冷炉(余热淬火+回火炉)—抛丸机—探伤机—精压机。
这种生产线配置比较先进,采用了中频感应加热,辊锻或楔横轧制坯,余热处理工艺或非调质钢新材料。生产线便于实现自动化生产,噪声小,劳动环境好,可生产各种类型的发动机连杆。目前是一汽和二汽卡车连杆的主生产线。
(2)辊锻制坯—液压精锻锤生产线
中频感应加热炉(300k W)—辊锻机(尴370mm)—液压精锻锤(25k J~50k J)—开式压力机(1000k N)—余热处理槽(900℃~950℃)—锻件回火炉(115k W)—抛丸机(600~1200kg/h)—荧光探伤机(600WE型)—电动螺旋压力机(4000k N)。
该生产线以轿车连杆为主,锻件厚度公差基本在±0.2mm以内,错差在±0.3mm以内,切边模具设有氮气缸,可使锻件定位压住后切边,切边变形小,精压尺寸精度可控制在±0.1mm之内。
(3)辊锻制坯—摩擦压力机生产线
中频感应加热炉(250k W)—辊锻机—摩擦压力机(6300k N)—摩擦压力机(10000k N)—闭式单点压力机(2500k N)—摩擦压力机(3000k N)—余热淬火(870℃~900℃)—回火炉(150k W)—抛丸机—荧光探伤机。
该生产线以生产柴油机连杆为主,在摩擦压力机上进行预锻、终锻、热校正,工艺过程稳定,锻件质量好,生产效率也较高,适合于中小企业。
(4)辊锻制坯—全自动热模锻压力机生产线
振动上料机—中频感应加热炉(300k W)—辊锻机(尴460mm)—20000k N全自动热模锻压力机—余热淬火槽—回火炉—抛丸机—精压机—探伤机。
该线是生产排量1.3~1.6升轿车发动机连杆生产线,其中电加热设备是英国扭威克生产的,主机由日本住友公司提供,韩国淬火槽、回火炉。预锻、终锻、切边、冲孔工步均在20000k N锻压机上完成,一模2件,每6s一个行程,产量8000件/班。这一生产线目前是国内最先进的连杆模锻生产线之一。
4 锻造生产过程主要工序技术要求、常见问题、预防及解决措施
4.1 下料
工艺方法:带锯机和棒料剪床下料均被广泛采用。带锯机下料的优点是劳动条件好,坯料两端面平整无缺陷;缺点是生产效率偏低,有锯口消耗;棒料剪床下料的优点是生产效率高、无锯口消耗;缺点是端部轴向产生压扁、马蹄形、心部开裂、端面毛刺、应力集中等。
4.2 加热工序
(1)工艺方法:由于连杆模锻件质量要求高,对加热质量要求也高,同时还为了改变作业环境,目前,普遍采用中频感应加热方式。这种方式也易于实现自动化。根据原材料的不同,加热温度有一定的变化,目前常用的40Cr、45Mn、35Mn2等材料的加热温度很多厂家基本上规定在1230±20℃范围内。德国“胀断连杆材料及毛坯技术规范”中规定的热成形时的锻压温度:锻压初始温度(感应加热)为1220℃~1290℃,热切飞边以及热校正时的温度大于或等于950℃。
(2)加热过程中易出现的问题:一是料温过高产生过烧;二是坯料温低。
(3)预防措施:中频加热炉需温度控制装置,其作用是保证坯料的加热温度在规定范围内,另外,不易把坯料烧化在炉膛里,也避免加热炉的损坏。加热炉必须具备:高温、正常温度、低温的三个通道,并能自动分料。在加热炉出口处,把过热和低温的坯料区分并分别放置。
对温度高和温度低的坯料的处理:低温料可直接返回炉后重新使用;高温料必须进行分选,把过烧的坯料分选排除,其余的料再返回炉后重新投入生产使用。有的厂家还进行抛丸处理后再返回炉加热后重新投入生产。
4.3 辊锻
(1)辊锻工艺具有材料利用率高,劳动条件好,便于实现机械化和自动化,投资少,生产效率高,生产成本低等特点。辊锻的作用主要是制坯,进行金属体积的合理分配,使之与预锻模膛相匹配。辊锻工步在连杆模锻生产中具有重要作用,是保证连杆锻件质量的第一关。为此,要高度重视辊锻制坯工艺的制定和模具设计。突出强调的是保证在辊锻过程中每道辊坯都不出现折迭或毛刺。
(2)辊锻过程中易出现的问题:杆部出现折迭;各道次辊锻咬入点不一致,过渡段R太小;杆部与小头过渡段、杆部与小头过渡段出现花瓣形状;辊坯表面粗糙,凸凹不平,划伤;辊坯出现麻花状或局部产生小耳朵;辊锻模由于寿命较长,经过长期使用,必定产生磨损,此时辊坯长度将缩短,分料就会不均匀,中间料增多,而头部料不足,会影响锻件的充满;机械手夹钳夹伤坯料。由于在辊锻过程中会出现上述问题,必然造成连杆产品的折迭、折纹、充不满等缺陷。
(3)解决问题的对策:在辊锻模具设计中要合理确定各道次辊坯的形状与尺寸;合理分配各道次的伸长系数,确定理想的型槽;合理确定各道次的前滑值S前滑;准确计算各道辊坯截面尺寸和型槽尺寸;提高模具加工水平和模具制造精度,保证设计尺寸和重复制造精度;无论是自动辊锻机还是人工操作,一定要提高和保证纵、横两方向的定位精度。尤其是每道次翻转90°必须要保证,也就是要保证辊锻机和机械手必须始终处在完好状态之中,这一条是相当重要的,因为很多废品和不良品都是因此原因而发生的。生产过程要勤观察辊锻模表面的变化,并要经常进行修整,在修整中,要注意各道次的协调一致。使用过程中的修磨,原则上只是型腔表面的修整,型腔不能发生很大变化,如需大变化时,应进行模具翻新。还要经常检查辊坯质量和锻件质量,以验证辊锻工序质量和辊锻模的质量。在型槽磨损变大后,必须及时调整辊锻机辊距,以保证辊坯长度。
4.4 模锻成形
(1)热模锻压力机上模锻工艺特点:由于设备钢性好,锻件精度高,锻压机具有滑块调节装置,可以调节滑块高度,即设备的闭合高度;设备有上下顶出装置,可以减小拔模角斜度;由于热模锻压力机工作台面大,能承受较大的偏载,所以,可以进行多模膛锻造;滑块行程一定,封闭高度一定;各工步是一次成形,预锻模膛的设计要求高;由于锻压机模具不需要承击面,为此,模块小,而且寿命较长;压机锻模是分体的,各工步可以根据产品的特点设计成镶块式,较大幅度的降低了模具材料的消耗。
(2)电液锤工艺特点:设备钢性好,锻件精度高,设备有顶出装置;可多次打击,打击能量可任意设定;可一模多件和多工步模锻;设备频率高,生产效率高;锻模可设计为镶块式。
(3)模锻操作规范:工作前锻造模具必须预热,预热温度在150℃~250℃范围;每锻一件必须对模具进行一次润滑,目前,润滑剂多采用水剂石墨润滑剂(润滑剂与水的比例为1∶5~10,可调整比例);预锻后平移或翻转到终锻模膛内均可,翻转移动去除氧化皮效果明显;辊坯未参加变形部分要压扁,容易定位,并能去除氧化皮,在压扁的同时,吹去坯料和存在型槽中的残余氧化皮;生产节拍尽最大程度保持一致,这样能够保证切边后的锻件温度,有利于后续工序的质量控制,以提高产品质量。
(4)工艺分析和工步:模锻工艺一般设压扁、预锻、终锻三个工步。
压扁:因通常采用圆钢,为此应将辊坯压扁,第一是防止内孔的折迭;第二是便于预锻时的平稳摆放。压扁厚度要根据连杆的厚度和宽度来确定。另外必须注意的是压扁时必须把辊坯在辊锻时出现的小飞刺水平放置,以免出现折迭。
预锻:将压扁后的辊坯放置在预锻模膛,长度方向应覆盖模膛,防止摆放不正而导致端面缺陷压入模膛形成折迭或因缺料而造成锻件充不满。
终锻:终锻时,按热锻件图控制厚度尺寸,热模锻压力机调整滑块高度,控制终锻温度。电液锤调整打击能量,并控制终锻温度。
(5)模锻过程易产生的问题和对策:连杆模锻件要求锻件表面不得有裂纹、折迭和氧化皮,错差、表面缺陷、残余飞边高度也都有严格要求。同时有连杆锻件重量公差要求,尤其是轿车连杆对于重量公差要求更为严格。连杆的裂纹、折纹、折迭、残余飞边、重量超差是模锻工序的几个最容易出现的问题。
解决这些问题的具体措施如下:针对不同连杆的模锻工艺和特点,合理设计连杆预热锻件、预锻模膛,使之和终锻模膛达到最佳匹配;重视连杆工字型杆部的参数选取与模膛设计;合理设计预锻大头孔劈料凸台的形状与尺寸,尤其是只锻连杆的杆体时(连杆锻件杆和盖分开锻造),其属于叉口形的锻件。如预锻件劈料设计不当,坯料金属流动不合理,则在叉口部位容易出现局部充不满,造成废品;辊坯大头辊锻时在夹钳中,不参于变形,为此,在模锻时压扁,既去除了大头部分的氧化皮,又有利于在预锻模膛中的定位;在模具设计中要充分考虑模具调整要方便、可靠,便于在生产中及时调整;锻造模膛要及时修整、抛光并要注意匹配;模具制造时,要提高模具表面光度和制造精度;生产节拍要相对稳定,要控制住终锻温度和设备的打击力;胀断连杆必须注意保证切边后的温度在900℃~950℃以上;提高操作者的操作技能和业务素质,不定期进行培训;注意控制润滑剂的喷涂量;设备一定要处于完好状态中,设备导轨间隙大是造成锻件折纹和错差、啃伤等缺陷的最主要的直接原因,设备连击直接造成锻打过程中锻件磕伤。
4.5 冲孔、切边
连杆在模锻成形结束后都有连皮和飞边,为了得到合格的锻件,必须去除飞边和连皮。连杆锻件的冲孔和切边通常在切边压力机上进行,均在热态下进行,即模锻成形后利用锻件的余热在模锻生产线上进行。
(1)切边冲孔的方式。复合切边模,切边冲孔在一套模具内一次行程中完成;联合切边冲孔模,切边时有两道工序,一是切边,二是冲孔,即一个连杆锻件被连续放在两个模位上分别进行切边和冲孔。在连杆锻压机全自动生产线中,切边和冲孔工序均在热模锻压力机上进行,速度快、效率高、质量稳定。
(2)切边冲孔工序常见问题和对策。残余飞边不均:是因凸凹模不匹配造成的间隙太大和凹模刃口磨损;切边变形:原因和上述原因基本相同;另外,锻模和切边模不匹配造成大小头都冲孔时孔的中心距和锻件中心距有偏差,小头太大和凹模刃口磨损,小头壁厚差大,连杆小头产生冲孔变形,小头孔上下两面孔径不一致。对于精度要求高的锻件,一般小头是不冲孔的,如果必须在锻件做出小头孔,可采用盲孔或钻床加工方法完成。
5 连杆锻造模锻生产过程中常见质量问题汇总
微型汽车发动机连杆研发项目 篇3
主导项目/产品简介:公司微型汽车发动机连杆研发项目符合国家《产业结构调整指导目录》和《四川省汽车产业调整和振兴计划》, 以及内江市打造“中国汽车 (摩托车) 零部件基地”的要求。
项目主要研发生产的产品为:微型汽车发动机连杆, 是汽车发动机关键性能部件之一。此产品在汽车、摩托车、柴油机等发动机领域有着广阔的市场, 除销往固定的主机厂, 如长安、五菱、东风小康、北汽、广汽等, 还兼顾国内的维修市场。
拟融资项目/拟开发产品介绍:公司于2012年11月成功开发462Q发动机连杆, 12月成功开发B12发动机连杆, 2013年3月成功开发CB10发动机连杆。462Q, B12, CB10三款发动机连杆, 已送重庆宗申, 山西淮海两家汽车生产厂成功进行了连续400小时的抗拉试验, 检测结果证明, 三种产品质量均达到国家标准要求, 部分指标甚至优于国家标准。项目拟扩大产能, 并着手研发辐射长安、五菱、东风小康、北京汽车、众泰汽车等一系列汽车发动机的连杆, 包括型号:465EA、474Q、479Q等。
市场需求分析:据中国汽车工业协会统计, 2012年国内汽车产销分别为1 927.18万辆和1 930.64万辆, 同比增长4.63%和4.33%。2013年汽车产销2 211.68万辆和2 198.41万辆, 同比增长14.76%和13.87%, 比上年分别提高10.2和9.6个百分点。汽车保有量在不断的增加, 做为汽车发动机关键而且必要部件的连杆, 市场需求巨大。以一台发动机普遍需要4条连杆计算, 2013年的新车装机需求就是9000万条, 这还不包括售后维修市场的巨大需求。而据统计, 国内有大中小型连杆生产企业100余家, 却只能满足市场需求量的60%, 众多整车企业不得不进口国外的产品。投建专业的连杆生产企业, 发展空间巨大。
市场竞争分析:目前国内众多连杆生产企业中, 主机配套企业数量有限, 产品品质优良, 能达到国际水平的为数不多。各配套企业又各有其细分市场和产品优势。以微型汽车细分市场来说, 国内主要的主机配套企业是云南西仪公司, 主要配套东安、云内、长安汽车集团、上气集团、广汽集团、南汽集团、江铃集团等。而其他如五菱、淮海成功、东风小康、众泰汽车、北京汽车等, 还有很大的需求空间。同时, 国内具有从锻造加工毛坯开始, 全部由自身加工的连杆企业不多, 有胀断工艺的企业也不多, 这两点将是我公司扩能改造的重点, 从而大大的提高产品质量和降低成本。
汽车发动机连杆机构的研究 篇4
1.1 连杆结构性能要求
连杆在传递里的过程中, 所承受力的大小都是周期性变化的, 因此, 连杆受到的是压缩、拉升和弯曲等较边载荷。连杆的工作环境十分苛刻, 特别是对连杆的力学性能, 要求具备特别高的抗破坏能力——强度及韧性。
连杆从结构上来说, 由三部分组成:连杆小头、连杆杆身和连杆大头[1]。其中连杆小头是通过活塞销与活塞裙部相连结, 为了防止连杆在传力过程中与销之间发生相对运动, 连杆的小头孔中装有活塞销衬套同时, 为了能减少连杆小头在传力过程所造成的摩擦损耗。于是在连杆的小头和衬套上钻有润滑油道, 从而方便润滑油能流经此处, 润滑小端和活塞销。
1.2 连杆材料性能要求
为了满足具备高的强度跟韧性。从材料上来说, 连杆一般可以选用以下几种材料:中碳钢、中碳合金钢、粉末冶金、非调质钢。
其中普通中碳钢硬度较低, 一般在229~269HBS, 中碳合金钢硬度可达到300HBS, 最高不超过330HBS。但中碳钢的抗拉强度可达到800MPa以上, 冲击韧度在60J/cm2以上, 所以适合连杆的要求。疲劳试验表明, 非调质钢连杆的疲劳强度与相同级别调质钢相当。所以非调质钢满足于连杆的性能要求。除了最基本的材料性能要求之外, 科技的发展, 也逐步要求发动机轻量化, 因此连杆的设计应力也逐步提高。C70S6系列的钢种的应用会越来越多。除此之外, 采用粉末冶金材料的连杆, 强度、韧性通过锻造提高粉坯的密度并能添加许多的合金元素, 使粉末锻造连杆具有足够的淬透性以达到锻钢连杆的水平。由于钛的具备密度轻, 性能好的特点, 连杆可选区钛合金材料。这样, 就会比钢制连杆的质量减轻30%, 同时使连杆往复惯性力也大幅度降低。因此, 钛合金连杆的发动机转速也会相应提高, 降低发动机噪声[2]。
2 发动机连杆故障分析
由于连杆的问题所造成的发动机故障主要有:活塞敲缸异响、活塞销异响和连杆轴承的异响。
2.1 敲缸响
主要是指在发动机转速较低的工况时, 能在汽缸上部清晰而有节奏的敲击声, 活塞在冷态状态下, 有微微的热胀冷缩现象, 造成了活塞会敲缸, 在发动机低温时响声最为明显。同时, 连杆发生弯曲时, 发动机已启动运转就会出现明显的敲缸声。
2.2 活塞销异响
活塞销异响主要是指在发动机怠速、低速和从怠速时, 随着转速的增加出现嘎、嘎的金属敲击声, 因为这是加速时抖动节气门拉索, 活塞销的活动更加频繁, 加速时响声更为明显。
2.3 连杆轴承响
连杆轴承响指的是, 当发动机突然加速时, 发出“铛、铛、铛”连续明显、轻而短促的敲击声, 加速的时候, 连杆轴承受到加速的强大作用力下, 发出的声音, 随着转速、负荷的增加其响声更加明显。
3 连杆故障分析
对于活塞敲缸异响的主要原因除去活塞与气缸之间的间隙过大之外, 还会因连杆杆身弯曲导致活塞敲缸。针对这一故障的检测思路是:先要判断出是哪一缸敲缸。判断的方法是单缸断火试验。若在1缸断火后, 敲缸的异响消失, 则说明1缸活塞敲缸。针对活塞销异响主要的现象是发动机在低速运转时, 在发动机的中部会发出金属的敲击声。检查的方法也是单缸断火实验, 利用断火的方法去检查, 一个一个缸断火, 到3缸时, 响声减弱, 而在恢复的瞬间, 出现1响或连续2响, 由此判断, 3缸活塞销出现问题, 经检查, 活塞销和连杆衬套磨连接松旷, 磨损过多, 造成配合严重松旷。由于磨损加剧的主要原因与润滑有关, 因此可以去检查此处的润滑效果, 经检查发现, 严重缺油[3]。然后再检查油尺发现刻度过低, 说明缺油。进行加润滑油, 并在连杆与活塞销连接处加适量润滑油。然后再起动。故障消除。
若是连杆轴承异响, 则一定会随着发动机转速的提升, 异响的响声加剧。因此可以通过改变发动机的转速进行试验。先从怠速运转开始, 然后再换成一档进行提速, 然后再逐步的踩加速踏板, 转为高速。在每一种转速工况下, 都进行逐缸断火试验, 并在试验中用听诊器在加油口处进行听诊。若发现随着发动机的转速提高, 响声由下至上逐渐增大, 并且在加速的那一瞬间, 异响格外明显, 则说明连杆轴承出现异响。若响声为闷响, 则判断为因润滑不良造成异响, 排除方法跟连杆活塞销异响相同;若响声为清脆的响声, 则判断为因连杆轴承松旷造成异响, 则需要更换新的连杆轴承。
4 结束语
发动机连杆是活塞与曲轴的连接中间枢纽, 若连杆发生了问题, 则势必严重影响曲轴最终的输出动力。即便它只是一个小零件, 但它的重要性依然不言而喻。因此对于连杆的研究还有待继续。事实上连杆机构不仅仅应用在汽车领域中, 还应用在许许多多的机械设备当中。所以要想确保拥有连杆机构的设备运行良好, 就必须要对连杆机构进行研究。从它的工作环境、工作要求、受力特点、材料选择、结构设计等多方面进行研究。
参考文献
[1]冯晓.柴油机活塞连杆组装配要点[J].南方农机, 2009, 40 (6) :21.
[2]蒋海勇.发动机连杆材料及工艺[J].内燃机与配件, 2013 (10) :23-26.
国外汽车发动机连杆材料最新应用 篇5
国内一般中、小型汽油机及柴油机连杆采用的传统材料主要是中碳钢与中碳合金钢, 而增压中冷强化的柴油机一般采用中碳合金钢如铬钢、锰铬钢、镍合金钢等。但上述钢在毛坯制造的过程中为了取得良好的机械性能及良好的韧性等指标都无一例外地采用正火、调质等热处理工艺来保证连杆本身达到设计要求的性能指标。而正火、调质等热处理过程中要耗费大量的能源, 特别是调质处理还需要消耗水、专用的淬火油等, 废弃的淬火液需要处理后方能达到排放标准, 这样既不利于环境保护也耗费了大量的能源, 从这一点来看并不符合节能环保的要求。于是国外新型的非调质钢的连杆材料应运而生, 而粉末冶金材料也因材料利用率高、加工余量少的特点而得到广泛的应用。
1 涨断连杆用非调质钢
20世纪末, 国内的企业根据各自不同的需求, 先后开发了不同牌号的钒系、锰钒系及在此基础上衍生的锰钒氮系连杆用非调质钢, 典型的有38Mn VS、40Mn V、48Mn V等, 但由于其强度级别小于900MPa, 故在一定程度上已经满足不了发动机的高强化和高爆发压力的要求。在这种情况下, 国外 (主要是德国) 率先研制了以C70S6BY为代表的高碳非调质钢, 其强度好、材料纯度高, 更重要的是可适应连杆孔分离面涨断工艺的需要;而法国也相应研制了SPLITASCO系列高碳钢, 其成分与C70S6相比只是为了提高可加工性能, 对P、S等微量元素的含量做了进一步调整。
为了进一步提高材料的疲劳强度, 欧洲公司在C70S6基础上进一步增加C元素的含量、添加了V的含量及添加了相应含量的Mo, 开发了70Mn SV4与80Mn S5等牌号的微合金钢, 经测试其疲劳强度比C70S6提高了10%~15%, 但是由于合金元素的加入使连杆的加工性能受到一定的影响, 目前上述两种材料只是在欧洲的几家产量较大的公司应用。
在过去的4年中, 为了满足发动机高爆压的需要, 德国研制成功了适合涨断工艺的高强度非调质钢36Mn VS4。为了提高材料的加工性能, 该材料与C70S6相比降低了材料中C的含量, 同时为了提高材料的疲劳强度增加了V、Mo的含量, 使材料的晶粒非常细化。一汽技术中心结合ET3发动机开发项目也研发了此种材料, 实践证明此种材料不仅涨断性能良好, 从疲劳试验结果来看, 其疲劳强度也达到了优质的42Cr Mo A材料调质后的水平。上述各种涨断连杆用非调质钢材料成分见表1。
C70S6、36Mn SV4金相组织分别见图1、图2。从图1、图2中可以看出C70S6的金相组织与36Mn VS4的金相组织有很大的不同, C70S6的金相组织为铁素体与粗大的珠光体组织, 而36Mn VS4的金相组织为极细小的珠光体与铁素体的混合体, 正是这样的区别使其疲劳强度相比C70S6而言提高了30%以上。
在评价36Mn SV4连杆材料机械性能时, 在拉压比为2.5的条件下, 其疲劳强度为470 MPa, 是C70S6的1.4倍, 这意味着该材料目前在适应涨断工艺的材料中强度最好, 性能有了大幅度的提高, 同时这也为连杆的轻量化设计提供了一个坚实的基础。该材料及C70S6等系列材料的疲劳性能见图3。
与此同时, 由于合金成分的变化和调整, 该材料的加工性能也比传统的C70S6系列连杆材料有较大的提高, 因为细小的铁素体-珠光体晶粒有助机械加工中的断屑过程, 这使其切削性能提高了30%, 而钻孔刀具的寿命提高了50%, 机械加工性能的提高抵消了因增加疲劳强度而增加的微量元素的部分成本。C70S6与36Mn SV4的刀具寿命比较见图4。
2 粉末冶金材料
用粉末烧结锻造工艺生产汽车发动机连杆, 最早是美国通用汽车公司进行这方面的试验并取得成功, 但当时没有达到批量生产。随后, 日本丰田汽车公司采用成分为Fe2Cu0.55C0.1S的合金粉末生产汽车发动机连杆, 并与锻钢连杆进行了拉压疲劳性能对比试验。结果表明, 粉末烧结锻造连杆与锻钢连杆具有同等的疲劳性能。目前, 丰田、通用、MAZDA、福特等汽车公司粉末冶金锻造连杆均已经商品化, 全球的产量已逾千万, 粉末冶金锻造连杆在高速汽油机连杆的生产中已经占有相当的份额。一汽集团公司与丰田汽车公司的合资企业一汽丰越发动机厂生产的V6系列发动机连杆系采用粉末冶金锻造连杆。
粉末冶金锻造连杆的强度、韧性能达到锻钢连杆的水平, 是通过以下两个方面得到保证的, 一是通过锻造提高粉坯的密度, 二是通过添加合金元素使粉末锻造连杆具有足够的淬透性, 保证热处理后零件的质量。从理论上讲, 烧结锻造零件的密度, 如能达到钢材的理论密度的话, 将具有与钢制零件同等的力学性能。日本生产的Fe0.5C2.0Cu0.09S、Fe0.55C2.0Cu0.2S粉末烧结锻造连杆的密度达到7.82 g/cm3 (理论密度的99.8%) , 通过试验证明, 这样密度的烧结零件, 能够达到锻钢连杆的疲劳性能。图5中的2种高强度锻压粉末冶金连杆材料 (拉压比2.5) 的疲劳试验结果便证明了这一点, 材料成分见表2。目前, 国外正在研究高强度的粉末冶金连杆材料, 综合疲劳性能已经超过了C70S6。
粉末烧结锻造连杆锻后的金相组织为珠光体-铁素体组织, 锻后的热处理与锻钢连杆的热处理相同。即可进行调质处理, 也可锻造后空冷再直接进行切削加工, 这点与非调质钢的性质一样, 要在金属粉末中添加可弥散强化基体的合金元素, 保证锻后空冷零件的金相组织具有足够的强韧性。
粉末烧结锻造连杆的特点是经济效益显著, 粉末烧结锻造连杆与锻钢连杆相比, 其材料可节约40%, 生产成本可降低10%, 能源消耗可节约50%。主要表现在以下几个方面。
(1) 材料利用率很高几乎是85%以上, 没有传统锻造中不可避免的锻造飞边, 使材料的利用率达到了最大化。图6是锻造连杆与粉末冶金连杆材料应用率的对比情况。从图6的相关统计可以看出, 传统的锻造工艺材料利用率在70%左右, 而粉末冶金在83%以上。
(2) 连杆的模具寿命很高, 其使用周期很长, 无需频繁更换模具。而传统的锻造连杆模具需定期修整和更换。
(3) 连杆的加工余量非常小, 甚至连杆螺栓的安装面都无需加工。
(4) 刀具寿命长, 加工性能好。图7是两种材料的连杆在钻孔中加工断屑的对比, 从图7可以看出, 粉末冶金的加工断屑性明显好于C70S6, 从而将大大提高刀具的寿命。
(5) 形状精度高, 连杆无需质量分组, 大大简化了生产管理。
(6) 与上面介绍的非调质钢一样, 适合涨断工艺, 从而进一步简化了加工工艺, 降低了工艺成本。而且与C70S6相比, 涨断后连杆大头孔的变形低, 见图8。
国内烧结锻造技术还很落后, 专用的粉末冶金锻压机械及烧结炉的应用还不普遍。金属粉末的品种少, 质量差且不稳定。另外, 烧结保护气体还需进一步地研究改进, 这些都影响着我国超高密度粉末冶金锻造的应用, 在提倡节能减排的大环境下, 研究和发展我国自己的锻造粉末冶金连杆事业, 有着重大的现实意义。
3 钛合金材料
由于金属钛的密度为4.5 g/cm3, 仅为钢铁材料的58%, 因此用钛合金制造汽车发动机连杆, 可大幅度地减轻连杆的质量。
日本采用化学成分为Ti.3AI.2V的钛合金生产连杆, 其抗拉强度可达800 MPa、屈服强度可达600MPa, 相当于45调质钢的强度水平。Ti.3AI.2V易切削钛合金连杆的疲劳极限在430 MPa左右, 与45调质钢和800 MPa级的非调质钢的疲劳极限相当。钛合金连杆比钢制连杆的质量可减轻30%, 由此可使连杆的往复惯性力大幅度地降低。通过对发动机在各种不同转速下曲轴连杆间最小油膜厚度进行测量发现, 钛合金连杆和锻钢连杆在保持油膜厚度相同的条件下, 应用钛合金连杆的发动机转速比用钢制连杆的发动机转速可提高700 r/min, 由此可使发动机的输出功率大幅度提高。钛合金连杆还可显著地降低发动机的噪声, 有利于环保。
由于钛合金的成本比较高, 目前应用的范围有限, 通常是用在一些高性能赛车上。
4 铝基复合材料
由于铝具有密度小、强度高的特性, 故采用铝基材料制造车用发动机连杆能得到显著的轻量化效果。日本丰田汽车公司采用体积率为40%的氧化铝长纤维增强铝基复合材料生产发动机连杆, 其质量比锻钢连杆减轻了35%。日本本田公司采用不锈钢纤维增强铝基复合材料生产其轿车发动机连杆, 据报道至少已有5万件这种连杆被采用。但这种连杆由于采用了长纤维增强铝基复合材料, 使得其生产成本不为当今的汽车工业所接受。
颗粒增强铝基复合材料因采用价格低廉的陶瓷颗粒作增强相, 是金属基复合材料中价格唯一被汽车行业所接受的类别。目前, 采用压力浸渗工艺生产的50%Si Cp增强铝基复合材料已达到弹性模量为2×105N/mm2、弯曲强度为800 N/mm2、弯曲疲劳强度为200 N/mm2的性能指标, 极具应用前景。
5 结束语
现代发动机由于节能减排的要求, 爆发压力越来越高。最新设计开发的柴油机的爆发压力已经达到了220×105 Pa, 而欧洲最新研制的直喷增压式汽油机爆发压力也达到110×105 Pa。这就要求发动机连杆质量轻、强度高、刚度好、惯性力小, 采用相应的强化工艺, 总之要求连杆材料与要求发动机节能环保是一致的。开发利用新型的材料与工艺, 节省毛坯制造环节中的能耗, 提高材料利用率以及简化机械加工中的制造工序是连杆在设计制造中需要解决的问题和努力的主要目标。
汽车发动机内部连杆的优化设计 篇6
关键词：汽车发动机,连杆结构,优化设计
一、引言
汽车发动机是汽车的一个最重要的零件, 而连杆是发动机内部的一个关键零件, 是发动机用来传递动力的关键组件之一, 它的工作环境不仅承受着高温、高压, 还一直承受着燃料燃烧产生的气体施加在连杆上的交变载荷, 同时燃料燃烧产生冲击力通过活塞向连杆传递给连杆, 连杆把活塞的直线往复运动转化成曲轴的旋转运动, 通过曲轴向外输出功率。由连杆的工作过程可以看到, 连杆受力极为复杂, 不仅要承受拉力、压力、摩擦力以及惯性力等, 还要承担振动、弯矩和扭矩等交变载荷, 所以设计一个重量轻、刚度和强度足够的连杆对发动机尤为重要。
二、汽车发动机连杆的优化设计
本文采用有限元分析的方法, 在ANSYA软件的分析平台下, 对连杆进行了建模分析, 通过ANSYS的分析结果, 对连杆的结构尺寸进行了分析计算, 根据计算结果进行了优化设计, 使优化后的连杆质量较小, 同时又不影响强度。
(一) 连杆的建模。
对于连杆结构的建模应该尽可能地符合实际模型, 因为ANSYS建模较为困难, 所以采用ProE建模后导入ANSYA软件, 建立好的连杆结构模型。
在完成模型的基本结构后, 要对模型进行材料定义, 本文采用一般连杆使用的合金钢40Mn2S进行分析, 该材料的主要属性如下:弹性模量206GPa, 泊松比0.29, 密度7.8×103kg/m3, 强度极限为830MPa, 屈服极限为620MPa。
(二) 连杆模型的网格划分。
在模型建立完成后, 要对一些不太重要的结构, 如圆角、倒角等进行简化处理, 减少划分网格的难度, 然后对模型进行网格划分, 本文采用10节点、SOLID92四面体单元 (此单元自由度较多, 适合较复杂的模型) 对模型进行划分, 先采用自由网格划分, 然后进行人工修改, 尤其对杆身过渡部分、连接部分及有应力集中的部分, 要进行仔细修改, 要进行网格细化。经过处理后, 共得到26, 785个节点, 15, 956个单元。
(三) 连杆的约束施加及所受载荷分析。
连杆受力环境虽然极为复杂, 但总体可以分为两部分, 一是燃料燃烧的冲击力经过活塞传递给连杆, 二是活塞自身的运动产生惯性力, 前者对连杆进行压缩, 后者对连杆产生拉伸。下面对其进行具体分析:
1.气体爆发产生的冲击力。气体燃烧产生冲击力作用于活塞, 然后传递给连杆, 按照气体压强公式得:F=PgπD/4, 其中Pg代表气体平均压强, D代表缸内径。
2.活塞及其组件的惯性力。能产生影响连杆的惯性的部件有活塞及与其配套使用的销、环、卡环, 总质量为mp, 则惯性力公式为:F1=mpRw2 (1+λ) , w是曲柄角速度, R是曲轴的曲柄半径, λ为连杆比。
3.连杆组自身产生的惯性力。连杆组自身可以产生惯性力的部件包括杆体、轴瓦、螺栓、衬套和大头盖。由于受力不均匀, 无法按实际加载, 简化处理为连杆小头 (质量m1, 做往复运动) 和连杆大头 (质量m2, 做旋转运动) , 其惯性力分别为:
连杆小头往复惯性力F2=m1Rw (1+λ)
连杆大头旋转惯性力F3=m2R (wλ) 2
由于所受载荷均为非均匀载荷, 为了方便加载并尽可能地接近实际, 根据大量实践经验得知, 按余弦分别规律加载, 可以保证计算精度。
结合实际情况, 连杆的首要约束是在连杆的中间对称分面上加入对称约束, 在曲柄销端面加入全约束, 连杆的大头与曲柄销之间的预紧力则采用等效温差法加载。
(四) 计算与结果。
经过ANSYS的计算求解, 可以得到最大应力在杆身与杆大头的连接处, 等效应力值为323.4MPa, 最大变形为0.598mm, 发生在连杆的小头处。
(五) 连杆结构的优化设计。
本文采用ANSYS 程序中的零阶方法对连杆整体进行优化, 对优化目标进行函数逼近, 本文以减少连杆的整体质量为优化目标 (也可以选择其他的优化目标) , 那么目标函数为:
min[F (X) =m1+m2+…+mn]
其中m1、m2…mn为连杆各分区的局部质量。
设计变量选择为连杆外形上对总体质量影响较大, 并相互比较独立尺寸做参数, 设计变量为:X=[x1, x2, x3, x4], 式中的x1为杆的厚, x2杆的小头直径, x3杆的大头直径, x4为凹槽的圆弧直径。
约束条件为:
σmax≤σs/n=413MPa, 其中:σs为材料屈服极限, n为安全系数, σs=620MPa;
设计变量的范围:
18≤x1≤20;45≤x2≤50;95≤x3≤100;10≤x4≤12经过ANSYS迭代后得到最优结果如表1所示:
优化后连杆体积减少了29, 810mm3, 减少了10.8%, 强度为309.6, 虽然有所降低, 但满足要求。所以说优化在满足结构强度的基础上, 降低了质量, 使结构更合理, 优化是十分成功的。
三、结语
汽车连杆 篇7
连杆结构及加工难点
连杆主要由大头、小头和杆身三部分组成。大头为分开式结构, 一半为连杆盖, 另一半与杆身连为一体, 通过连杆螺栓联接, 大头孔及轴瓦与曲轴连杆轴颈相配合, 小头孔及衬套通过活塞销与活塞联接, 将作用于活塞上的气体膨胀压力传给曲柄, 又受曲柄驱动而带动活塞压缩气缸中的气体。
连杆在工作中承受着急剧变化的动载荷, 所以连杆的尺寸精度、形状精度以及位置精度的要求都非常高, 而连杆的刚性比较差, 容易产生变形, 这就给连杆的加工带来了很多困难。连杆大端和小端的中心面相对连杆杆身中心面的对称度要求也比较高。为了保证其对称度的加工精度, 有些连杆设计成工艺凸台和中心孔, 作为加工的辅助基准。连杆本身刚度较低, 容易变形, 所以在安排工艺时, 把各主要面的粗、精加工工序分开, 逐步减少加工余量、切削力及内应力的作用。粗加工中产生的变形, 在半精加工中得到修正, 半精加工中产生的变形, 在精加工中得到修正, 最后达到零件的精度要求。
反映连杆精度的参数主要有五个:连杆大端中心面和小端中心面相对连杆杆身中心面的对称度, 连杆大、小头孔中心距尺寸精度, 连杆大、小头孔平行度, 连杆大、小头孔尺寸精度、形状精度, 连杆大头螺栓孔与接合面的垂直度。
下面以某发动机的连杆为例, 针对连杆加工的其中一部分, 来说明加工中心及传统设备在加工连杆上的应用。
如图1!图3所示, 连杆两端面已完成半精加工, 大、小头孔有预铸孔。图1为A工序, 粗镗大、小头孔并钻中心孔;图2为B工序, 铣工艺侧边和螺栓面;图3为C工序, 精镗大、小头孔。
传统设备工序分析
1) 完成A工序加工需要两台设备, 一是用普通镗床或专机, 粗镗大、小头孔;另一台用钻床或钻中心孔专机, 加工中心孔。若用钻床, 需两次装夹, 分别加工两端中心孔, 需要做一个专用工装装夹工件。
2) B工序加工需要用普通铣床或普通镗床来完成, 但要满足工艺侧面距大头孔中心 (160.5±0.08) mm的尺寸要求, 要做一个专用工装装夹工件, 另外用检棒、仪表、量块等配合使用才能满足加工要求。
3) 完成C工序加工, 可以用一台专机来完成, 用两个镗头, 可以同时镗连杆大、小头孔, 保证零件的精度要求。
加工中心加工连杆
如果使用加工中心加工该连杆, 那么这三个工序可以在一台设备上加工完成, 并且可以提高效率, 保证连杆的精度要求。
1. 工序分析
如果用卧式加工中心加工, 需要用弯板或方箱作为工装, 将工件立起, 放在弯板或方箱上装夹, 靠工作台的回转就可以完成三个工序的加工, 但连杆的装夹有难度。如果用龙门加工中心就解决了连杆装夹的问题, 连杆可以水平放在工作台台面上, 但是连杆的中心孔和工艺侧面及螺栓面的加工就需要采用直角铣头来加工, 由于工艺侧面和螺栓面要求比较高 (见图2) , 工艺侧面距大头孔中心要求 (160.5±0.08) mm, 螺栓面的平面度要求0.02mm, 如果选用一般的手动直角铣头根本满足不了精度要求, 只能选用自动直角铣头, 但机床自动换头也需要一定的时间。
2. 加工中心设备
为了满足连杆三个工序的加工, 我们为用户选择了龙门五面加工中心GMC1530r2。工作台规格为1500mm×3000mm, X轴行程3600mm, Y轴行程2700mm, Z轴行程1000mm, 龙门宽度2100mm, 主电动机功率37kW, 三个工序的工件都可以放在一个工作台上, 分别加工。
该设备由中捷机床有限公司通过引进、消化、吸收国外龙门五面加工制造技术而开发, 设备外观如图4所示。该设备采用固定横梁式龙门框架结构, 床身固定, 双立柱与床身两侧螺栓联接的布局形式, 工作台在床身上作X向移动, 滑枕在滑鞍上作Z向移动, 滑鞍连同滑枕在横梁上作Y向移动。
该设备主要大件分别如图5!图8所示。床身、工作台、立柱、横梁、滑鞍、滑枕均采用三维计算机软件辅助优化设计, 筋板布置合理, 具有完善的热处理工艺过程来消除残余应力, 保证整机具有足够的强度、刚性和高稳定性。
该设备主传动采用主轴交流伺服电动机作为动力源, 通过自制变速箱, 可实现低速大转矩和高速恒功率, 同时满足粗加工和精加工要求。该设备吸收了国外龙门五面加工制造技术 (国外龙门五面头设备见图9) , 具有实现零件五面加工的五面头, 主轴头含有立、卧主轴, 卧轴可5°×72转位, 实现水平孔系及各面加工, 立轴可实现垂直孔系及各面加工, 主轴头与滑枕连接为端齿盘形式, 分度准确, 夹紧可靠, 承受扭矩大, 扩大了机床的加工范围, 节省了换头的时间, 保证了零件的加工精度。该设备还配备立卧转换刀库, 如图10所示, 立、卧轴都可以实现自动换刀, 节省大量工装, 提高效率。图11为立轴换刀图, 图12为卧辅换刀图。
图13是中捷机床有限公司展出的龙门五面加工中心, 此产品受到世界各地有关人士的大力关注, 得到了很高的评价。
3. 连杆装夹工装
使用连杆装夹工装将工件定位装夹, 保证工件的定位精度及夹紧方式要求, 工装首先应该满足三个工位的定位装夹要求。针对图1 (A工序) 、图2 (B工序) 、图3 (C工序) 的工序图, 相应设计了三套工装, 分别将工件定位夹紧。
(1) A工序粗镗大、小头孔并钻中心孔的装夹工装, 是以工件底面定位, 大头孔设计一个对正用板, 小头孔设为调整装置, 上端面夹紧。
(2) B工序铣工艺侧边和螺栓面的装夹工装, 是以工件底面及大、小头孔定位 (一面两销定位, 大头孔用菱形销) , 上端面夹紧。
(3) C工序精镗大、小头孔的装夹工装, 是以工件底面及小头孔和大头孔的一个外端面定位, 小头孔定位轴做成可拆卸装置, 定位后小头孔外围用调整装置夹紧, 然后将定位轴抽出, 在大头孔的一个外端做成固定挡铁, 另一端为调整装置, 上端面夹紧。
4. 数控加工工艺准备及切削加工
首先确定三个工序在使用加工中心之前零件的状态, 确认所留加工余量能否满足加工要求;从工序安排上采用分序加工, 先粗加工后精加工;然后选择刀具及加工程序的编制;为了满足连杆的精度要求, 精加工的刀具全部选用进口刀具、夹具进行安装调试等。
调整好机床的各项精度, 确定好机床坐标系和工件坐标系, 刀具安装在刀库上, 加工程序要进行多次运行, 选择合适的切削参数, 最后再进行切削。
结语
通过以上加工中心及传统设备在加工连杆上的工序分析, 连杆三个工序的加工, 如果采用传统设备, 需要四台设备才能完成, 而且加工时间比较长, 连杆的精度也不太好保证, 如果零件的尺寸有变化, 专机就不能使用。如果采用龙门五面加工中心, 只需一台设备就可以完成, 并且能够保证零件的各项精度要求, 另外, 龙门五面加工中心属于柔性加工设备, 不受零件的外形和各项尺寸限制 (只要在加工范围内即可) , 零件的尺寸变化也不会影响龙门五面加工中心的加工。