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1、下面以CA6102發(fā)動(dòng)機(jī)為例,對(duì)其連桿和曲軸的加工工藝及發(fā)動(dòng)機(jī)總成進(jìn)行分析。
1.1 連桿加工工藝
1.1.1 連桿的功用、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作條件
連桿是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)主要的傳動(dòng)構(gòu)件之一,它是把作用于活塞頂部的膨脹氣體壓力傳給曲軸,使活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)榍S的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),以輸出功率。CA6102發(fā)動(dòng)機(jī)連桿采用直剖式結(jié)構(gòu),它由從大頭到小頭逐步變小的工字形截面的連桿體及連桿蓋、螺栓、螺母等組成。由以上部分合在一起形成連桿的大、小頭及桿身。
連桿大頭孔套在曲軸的連桿軸頸上,與曲軸相連,內(nèi)裝有軸瓦。為了便于安裝,大頭設(shè)計(jì)成兩半,然后用連桿螺栓連接。連桿小頭與活塞銷相連,小頭壓人耐磨的銅襯套,孔內(nèi)設(shè)
2、有油槽。小頭頂部有油孔,以便使曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)飛濺的潤滑油能流到活塞銷的表面上,起到潤滑作用。為了減少慣性力,連桿桿身部位的金屬重量應(yīng)當(dāng)減少并且要有一定的剛度,所以桿身采用工字形斷面。連桿桿身部位是不加工的。在毛坯制造時(shí),桿身的一側(cè)作出定位標(biāo)記,作為加工及裝配基準(zhǔn)。
連桿在工作中主要承受著以下三種動(dòng)載荷:
① 氣缸內(nèi)的燃燒壓力(連桿受壓);
② 活塞連桿組的往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力(連桿受拉);
③ 連桿高速擺動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的橫向慣性力(連桿受彎曲應(yīng)力);
為了保證工作時(shí)連桿的一些危險(xiǎn)點(diǎn)(螺栓、桿身或大端蓋等)不發(fā)生斷裂,將其設(shè)計(jì)成如圖1.1.1所示的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不僅重量輕、剛度大,而且具有足夠的疲勞強(qiáng)度
3、和沖擊韌性。
圖1.1.1 連桿零件圖
1.1.2 連桿材料及毛坯制造方法
由于連桿在工作中承受多種急劇變化的動(dòng)載荷,所以不僅要求其材料具有足夠的疲勞強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)剛度,而且還要使其縱剖面的金屬宏觀組織纖維方向應(yīng)沿著連桿中心線并與連桿外形相符,不得有扭曲、斷裂、裂紋、疏松、氣泡、分層、氣孔和夾雜等缺陷。連桿成品的金相顯微組織應(yīng)為均勻的細(xì)晶結(jié)構(gòu),不允許有片狀鐵素體。
CA6102發(fā)動(dòng)機(jī)連桿材料采用 55#或 35MnVs,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后,硬度為 226-271 HBS。采用整體模鍛的加工方式,具有勞動(dòng)生產(chǎn)率高、鍛件質(zhì)量好、材料利用率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。另外,為避免毛坯出現(xiàn)缺陷(疲勞
4、源),要求對(duì)其進(jìn)行 100%的硬度測量和探傷。圖1.1.2為連桿毛坯圖。
1.1.3 連桿的主要加工表面及技術(shù)要求
如圖1.1.1所示,連桿的主要加工表面有:大小端孔、上下端面、大端蓋、體結(jié)合面以及連桿螺栓孔等。主要技術(shù)要求為:
1.大小端孔的精度:為了使大端孔與軸瓦及曲軸小端孔與活塞銷能密切配合,減少?zèng)_擊的不良影響和便于傳熱,大端孔尺寸為,小端孔尺寸為。大端孔及小端襯套孔粗糙度均為,大端孔的圓柱度公差為,小端襯套孔的圓柱度公差為,且采用分組裝配。
圖1.1.2 連桿毛坯圖
2.大小端孔軸心線在兩個(gè)互相垂直方向的平行度;兩孔軸心線在連桿軸線方向的平行度誤差會(huì)使活塞在氣缸中傾斜,
5、增加活塞與氣缸的摩擦力,從而造成氣缸壁磨損加劇。 CA6102連桿兩軸孔在連桿軸線方向上的平行度公差為0.04mm/100mm,在垂直于連桿軸線方向的平行度公差為0.06 mm/100mm。
3.大小端孔的中心距:大小端孔的中心距影響氣缸的壓縮比,所以對(duì)其要求較高,即中心距為(1900.05)mm。
4.大端孔兩端面對(duì)大端孔軸線的垂直度:此參數(shù)影響軸瓦的安裝和磨損,故要求其公差為0.1mm/100mm。
5.連桿螺栓孔:螺栓孔中心線對(duì)蓋體接合面與螺栓及螺母座面的垂直度誤差,會(huì)增加連桿螺栓的彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形,并影響螺栓伸長量而削弱螺栓強(qiáng)度,因此要求螺栓孔與蓋體接合面、螺栓及螺母座面垂直度
6、公差為0.25mm/100mm,螺栓孔孔徑為12.22+0.027mm.粗糙度為。
6.連桿螺栓預(yù)緊力要求:連桿螺栓裝配時(shí)的預(yù)緊力如果過小,工作時(shí)一旦脫開,則交變載荷能迅速導(dǎo)致螺栓斷裂。一般采用扭矩法,要求連桿螺母的預(yù)緊力為100~120 Nm。
7.對(duì)連桿重量的要求:為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),連桿大、小頭重量和整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上的一組連桿的重量按圖紙的規(guī)定嚴(yán)格要求。
1.1.4 連桿的機(jī)械加工工藝過程
l.連桿機(jī)械加工工藝過程的擬定:
① 連桿兩平面:粗磨一半精磨—精磨。
② 連桿小端孔:鉆孔一拉孔一精鏜底孔—壓入襯套一精鏜。
③ 連桿大端孔:擴(kuò)孔—拉扎—擴(kuò)孔—粗鏜—半精鏜—精鏜—
7、珩磨。
④ 連桿螺栓孔:鉆孔—擴(kuò)孔—鉸孔。
⑤ 螺栓座面及螺母座面:粗锪—精銑。
⑥ 連桿接合面:拉平面—精磨平面。
⑦ 檢驗(yàn):連桿體和連桿蓋最終加工之后、連桿總成的關(guān)鍵工序和最終加工之后,均應(yīng)安排檢驗(yàn)工序。
⑧ 去毛刺:在精銑螺栓座面和螺母座面、銑大小端去重凸塊、鉆大端油孔、銑連桿體和連桿蓋鎖瓦槽工序時(shí),均應(yīng)安排去毛刺工序。
2.連桿機(jī)械加工的主要工序:
CA6102連桿加工生產(chǎn)線共 56道工序,46臺(tái)設(shè)備。表 1.1.1為其主要加工工序。
表1.1.1 連桿主要加工工序
工序號(hào)
工序名稱
工序簡圖
設(shè)備
1
粗磨兩平面
雙軸立式圓臺(tái)平面磨床
2
鉆
8、小端孔
立式六軸組合機(jī)床
續(xù)表 1.1.1
工序號(hào)
工序名稱
工序簡圖
設(shè)備
9
拉連桿兩側(cè)面、結(jié)合面、半圓面
坦克拉床
16
精磨結(jié)合面
雙軸立式圓臺(tái)平面磨床
1
(總成)
鉆、擴(kuò)、鉸螺栓孔
臥式組合機(jī)床
12
(總成)
精磨兩平面
雙軸立式圓臺(tái)平面磨床
續(xù)表 1.1.1
工序號(hào)
工序名稱
工序簡圖
設(shè)備
13
(總成)
粗鏜大端孔
雙面金剛鏜床
25
(總成)
精鏜大端孔及小端銅套孔
英國精密鏜床
28
(總成)
珩磨大端孔
日本珩磨機(jī)床
1.1.5 連桿機(jī)械加工工藝過程分析及典
9、型夾具
1.定位基準(zhǔn)的選擇:在選擇粗基準(zhǔn)時(shí),應(yīng)滿足以下要求:
① 連桿大小端孔圓柱面及兩端面應(yīng)與桿身縱向中心線對(duì)稱;
② 連桿大小端孔及兩端面應(yīng)有足夠而且盡量均勻的加工余量;
③ 連桿大小端外形分別與大小端孔中心線對(duì)稱;
④ 保證作為精基準(zhǔn)的端面有較好的表面質(zhì)量。
為此,第一道工序?yàn)榇帜善矫?,為保證兩平面有均勻的加工余量.采用互為基準(zhǔn),如圖1.1.3所示。先選取沒有凸起標(biāo)記一側(cè)的端面為粗基準(zhǔn)來加工另一個(gè)端面.然后以加工過的端面為基準(zhǔn)加工沒有凸起標(biāo)記一側(cè)的端而,并在以后的大部分工序中以此端面作為精基準(zhǔn)來定位.這樣,作為精基準(zhǔn)的端面有較好的表面質(zhì)量。
圖1.1.3 連桿磨兩平
10、面采用互為基準(zhǔn)方法
因?yàn)榧庸な窃谕慌_(tái)磨床,通過工作臺(tái)回轉(zhuǎn)完成加工的,故調(diào)整h = A(h——夾具定位面高度差;A——加工余量)。這樣既能保證兩平面有足夠的加工余量(不出黑皮),又能很好地保證兩端面與連桿桿身縱向中心對(duì)稱。
在加工連桿小端孔時(shí)以其外表面定位,這樣可以保證加工后的孔與其外表面的同軸度誤差較小。
由于大、小端端面面積大、精度高、定位準(zhǔn)確、夾緊可靠,所以大部分工序選用其一個(gè)指定的端面(消除三個(gè)自由度)和小端孔(消除兩個(gè)自由度),以及大端孔處指定的一個(gè)側(cè)面作為情基準(zhǔn)。這不僅使基準(zhǔn)統(tǒng)一而且還減少了定位誤差(基準(zhǔn)重合)。
2.關(guān)鍵工序及典型夾具;
① 連桿大小端孔的鏜削加工:
11、CA6102連桿加工大小端孔的工藝方案(國內(nèi)很多廠家采用)如圖1.1.4所示。它是以珩磨后的大端孔定位(塑料脹胎心軸夾緊定位),小端孔(襯套孔)用活動(dòng)定位銷定位。加工時(shí)活動(dòng)定位銷退出,工作臺(tái)進(jìn)給,對(duì)小端襯套孔加工,以此來保證大小端孔中心距和兩孔在兩個(gè)相互垂直方向的平行度。這樣加工出來的零件很難保證兩孔的位置精度要求。因?yàn)椋?
第一,兩孔中心距是靠夾具與鏜頭的相互位置保證的,當(dāng)機(jī)床未達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí),因夾具與鏜頭受熱變形不一樣.導(dǎo)致大小端孔中心距變化很大。
第二,以大端孔定位時(shí)(長銷定位),心軸的軸心線與連桿大端孔軸心線一致(理想狀態(tài))。當(dāng)心軸與鏜桿不平行時(shí),小端襯套孔就與大端孔不平行。因是大
12、批大量生產(chǎn),要在一個(gè)夾具上分別安裝兩個(gè)連桿,調(diào)整時(shí)分別進(jìn)行,難度很大。另外大端孔在珩磨后有幾何形狀誤差,故心軸與大端孔不能很好貼合,使加工后平行度誤差的方向無規(guī)律。其次,在小端襯套孔加工前,其底孔與大端孔中心距有誤差,小端孔與定位端面有垂直度誤差等,將造成襯套孔鏜削余量不夠。
圖1.1.4 鏜連桿小端孔
1-調(diào)整螺釘;2-塑料;3-心軸;4-油缸;5-夾具體;6-削邊銷;
7-夾爪;8-工件;9-鏜刀桿;10-鏜頭;11-墊鐵;12-支座
CA6102連桿加工大小端孔的工藝方案。采用其上備有刀具(鏜大孔)自動(dòng)補(bǔ)償裝置的英國精密鏜床對(duì)大小孔同時(shí)加工的新工藝,它可完全消除上述
13、的定位誤差,只要保證兩鏜頭中心距,兩孔中心距及在兩個(gè)相互垂直方向的平行度即可保證。
② 連桿大端孔的最終加工:大端孔在最終的珩磨加工中是以大端孔(加工時(shí)定位銷退出)和一端面定位。所用設(shè)備為日本馬自達(dá)公司的T311—2珩磨機(jī)。其特點(diǎn)是油石擴(kuò)張采用定壓、定速擴(kuò)張方式,最后進(jìn)入無火花磨削來完成其加工過程。其擴(kuò)張?jiān)砣鐖D1.1.5所示。
珩磨頭帶有八塊細(xì)粒度的金剛石珩磨條,靠液壓擴(kuò)張壓力的作用漲緊,在工件表面施加一定壓力,再靠壓力鎖死,然后由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)定速珩磨條擴(kuò)張磨削,最后定速進(jìn)給停止,靠擴(kuò)張壓力進(jìn)行無火花磨削。珩磨余量一般為0.02 ~ 0.03mm,珩磨后的表面粗糙度可達(dá),大頭孔的形狀精
14、度可達(dá)0.006mm。
另外,此設(shè)備還備有自動(dòng)測量自動(dòng)補(bǔ)償裝置。
③ 連桿平面的加工:連桿平面是主要定位基準(zhǔn)面(指一平面),它的加工精度(平面度、表面粗糙度)將直接影響每道工序的加工精度。其工藝安排:粗加工一半精加工一精加工。粗加工后作為連桿粗加工階段的定位基準(zhǔn),精加工后作為連桿精加工階段的定位基準(zhǔn)。
連桿平面的粗精加工均采用雙軸立式圓臺(tái)平面磨床,可獲得較高的平面度。在機(jī)床的圓形工作臺(tái)上,相鄰布置著磨削兩個(gè)端面的夾具,磨削一端面后,工件翻轉(zhuǎn)放置在另一夾具上,磨削另一端面,工件通過兩次安裝,并隨工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)兩圈后,完成兩面磨削。在機(jī)床的一個(gè)工作臺(tái)上可裝多個(gè)夾具,且裝卸等輔助時(shí)間與加工時(shí)間重合,提高了工作效率。同時(shí)采用如圖1.1.6所示的裝夾方式。其特點(diǎn)是夾緊力與端面平行,在其作用的方向上,即使有一些變形,因?yàn)槭窃诜钦`差敏感方向上,所以對(duì)端面的平面度影響很小。另外,夾緊力通過工件直接作用于定位元件上,可減少連桿的彎曲變形。
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