連桿制造工藝技術及改善

張學華

（上海日野發動機有限公司，上海201401）

連桿制造工藝技術及改善

張學華

（上海日野發動機有限公司，上海201401）

介紹了某發動機連桿生產線的制造技術，包括生產線規劃、生產線主要工藝過程及特點。通過該生產線的2個加工改善實例，總結出改善的一些體會和經驗。

連桿制造技術改善

1 前言

連桿是發動機的重要零件，是發動機傳遞動力的主要運動件，它連接著活塞和曲軸，其作用是將活塞的往復運動轉變為曲軸的旋轉運動，并把作用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率。連桿是在既受交變的拉壓應力、又受彎曲應力的復雜應力狀態下工作。這就要求連桿既具有較高的強度和抗疲勞性能，又要有足夠的剛度和韌性[1]。

按照連桿體和蓋的剖分方法，目前連桿制造工藝主要分為2種：（1）傳統連桿制造工藝。體、蓋為整體鍛造結構，經過粗加工后，采用鋸斷法將體、蓋分離，精加工結合面后再組裝進行其它精加工；（2）連桿裂解工藝。與傳統工藝的區別體現在斷裂面呈現犬牙交錯的自然斷裂表面，由此使其具有加工工序少、節省精加工設備、節材節能、生產成本低等優勢。此外，裂解工藝還可使連桿承載能力、抗剪能力、桿和蓋的定位精度及裝配質量大幅度提高。

傳統連桿的大批量生產較多采用專用機床，工序較多。加工過程中基準需經過多次轉換，精度不易保證，適應性較差。

本文介紹的連桿制造工藝，采用數控加工中心完成機加工，工序集中，基準統一，而且可以隨產量的增長而靈活調整，是一種既經濟、適應性又強的先進生產方式。

2 連桿生產線規劃

生產線的加工對象為我公司排量11L的6缸柴油機連桿，毛坯為進口鍛件，材質為非調質鋼，硬度HB241~285。

生產線按照國外已有成熟生產線規劃設計。初期規劃生產綱領為年產量3 000臺套（18 000根），兩班制生產，每班操作人員3人。根據市場需求，分期滾動投入，最終將形成年產量12 000臺套的生產規模。圖1為連桿生產線平面布置的示意圖。

連桿生產線的規劃充分考慮到目前的市場需求、投資以及今后的發展，按照以下原則確定。

（1）一次規劃，分期投入。在一次整體規劃的前提下，根據市場需求分期投入，快速產出，滾動發展，生產線具備良好的產能擴充性和經濟性。

（2）生產線需具有較強的柔性能力和合適的自動化程度。加工設備考慮逐步分期投入，采用進口臥式加工中心和數控珩磨機，對產品的變化適應性較強。其余輔機設計規劃考慮一次到位，選用國內裝備制造商的產品。設備的自動化程度并非越高越好，要讓工人有適宜的勞動強度。

（3）采取了精益生產模式。單件流，在制品少。生產線成“U”形布置，中間通道寬度小于1 m，物流線路和工人走動距離短。可以實現一人多機操作，并定期輪崗，培養全能工人。

（4）生產線采用Andon系統和poka-yoke防差錯技術，自動和半自動設備均設有檢測報警裝置、安全防護措施及急停處理。各種夾具、開關、工位器具等設計制造時要考慮加入防差錯技術和措施。

（5）生產線的信息管理系統規劃時整體考慮，避免重復投資。

圖1 生產線平面布置圖（年產量12 000臺套）

3 生產線制造工藝過程及特點

投產初期生產線設備共19臺（套），包括臥式加工中心4臺、數控珩磨機1臺，以及清洗機、刻印機、擰緊機、襯套熱壓機、在線測量機、退磁機、輔助裝置等其它設備14臺（套）。

3.1 主要制造工藝過程

（1）臥式加工中心：粗銑大、小頭平面，擴鏜大、小頭孔，車大頭外圓，粗精銑螺栓座面及體、蓋切斷；

（2）臥式加工中心：鉆連桿體長油孔，銑體、蓋軸瓦定位槽，精銑體、蓋結合面，鉆、鉸、攻體、蓋螺栓安裝孔、螺栓孔和定位銷孔；

（3）連桿體、蓋合裝，擰緊螺栓；

（4）刻印體、蓋配對記號；

（5）臥式加工中心：精銑大頭平面，半精鏜大頭孔，精鏜小頭孔；

（6）加熱小頭，壓裝襯套；

（7）臥式加工中心：銑小頭斜面，精鏜大頭孔、小頭襯套孔；

（8）重量測定，分組、刻印記；（9）數控珩磨機：珩磨大頭孔。

3.2 生產線制造工藝特點

1）工序和設備數量少

毛坯精度高：毛坯鍛造后，在熱態下精壓整形，加工余量少，大大減少了工序和機床的數量。

工序集成度高：采用了高速高精度的臥式加工中心完成機加工，每臺加工中心都集成布置了多個工序工位，既減少了設備數，又保證一人多機操作的裝夾工件、測量等手工作業時間。

2）基準一致

首道工序采用桿身毛坯面為主定位面，加工出精基準，保證了成品大、小頭孔和桿身的對稱度要求。其余工序的加工均采用同一精基準：連桿大平面、小頭孔和大頭一側外圓面。定位基準一致，不采用中間過渡基準，沒有轉換誤差，加工精度得到了極好的保證。對于有嚴格互相位置關系的大、小頭孔的半精鏜（小頭孔壓入襯套前）和精鏜（小頭孔壓入襯套后），采取在夾具的同一裝夾中一起加工完成。

3）大頭孔的高精度珩磨

以連桿大頭平面和大頭孔定位，使用日本進口數控珩磨機，采用粗、精珩一體的珩磨頭、金剛石珩磨條、油性珩磨液。粗珩結束后，珩磨頭內心軸推動精珩條漲出進行精珩，保證了珩磨的高效高精度。

綜上所述，該連桿生產線的制造工藝技術具有較高的先進性和實用性，是傳統連桿生產的一個很好的選擇。

4 加工改善實例

Kaizen（改善）是一個日語詞匯，意指小的、連續的、漸進的改進，是指企業通過改進一系列生產經營過程中的細節活動，如持續減少搬運等非增值活動、消除原材料浪費、改進操作程序、提高產品質量、縮短產品生產時間、不斷地激勵員工。長期而言，這種階梯式的持續進步足以獲得巨大的回報[2]。

從連桿線開始立項規劃、設計制造、安裝驗收到試生產的各個過程中，都經歷了大量的改善活動，因此正式投產后很快就達到了設計要求和綱領，但這并不意味著改善工作的結束，而是更多改善的開始。下文將介紹其中2個加工改善的實例，說明持續改進的作用和意義。

4.1 大頭橢圓孔加工的改善

連桿大頭割斷前大頭孔需加工成近似橢圓形，要求見圖2。原先采用國外生產線加工方式，橢圓孔采用一把玉米銑刀分粗、精兩次插補銑削加工。由于切深較深（達到44.8 mm），銑削過程中振刀較嚴重，切削時間也很長，造成整臺設備節拍超過設計要求。

1）改進工藝1

針對粗銑余量較多、振刀嚴重，而且占用時間長的問題，提出了將粗銑改為粗鏜，新增一把78 mm×81.5mm雙級鏜刀鏜孔，然后再精銑出橢圓孔的改善方案。

該方案實施后，原來粗銑需要2.4 m in，而改用鏜孔后只需0.3 m in就能完成，設備節拍也滿足了設計要求，改善取得了很好的效果。但精加工工藝未作改進，加工質量尚不能令人滿意。

2）改進工藝2

生產線正式量產一段時間后，由于市場需求增長迅速，需提升生產能力。按原規劃設計，首道工序需增加1臺臥式加工中心并聯加工。由于臥式加工中心是進口設備，費用高，周期長，最終確定并實施的是分拆部分粗加工工序，采用立式加工中心串聯加工的方案。分拆工序內容為：粗銑大小頭一側平面，擴鏜大、小頭孔。

圖2 連桿大頭孔加工要求和毛坯狀態

在立式加工中心上進行試加工過程中，發現該加工中心的主軸和夾具剛性較差，振刀現象很嚴重，刀具的損耗也較大，連桿大孔表面質量差，無法滿足正常生產要求，必須改變加工方式。

由于玉米銑刀銑削工藝的質量無法保證，就考慮粗、精加工采用鏜孔加工：采用2把標準可調鏜刀（可調范圍65.5~87.5 mm），先粗鏜大頭孔至78 mm，再分3次鏜孔82 mm擬合出大頭孔，如圖3所示。3次鏜孔中心各平移2 mm，交界處未鏜出的凸起（陰影部分）寬4 mm，尖點高0.01mm，在大頭孔公差要求內。

圖3 大頭孔3次鏜孔擬合圖

表1列出了原工藝和2次改進前后的對比效果，可見采用改進工藝2，加工時間比原工藝縮短了近80%，加工質量也有明顯提高，取得了良好的效果。

表1 工藝改進前后效果對比

4.2 連桿體、蓋結合面精銑的改善

連桿體、蓋結合面的形位公差和表面粗糙度要求都非常高，其加工也是連桿加工的關鍵工序之一。

想進一步縮短節拍只能通過縮短切削進給的行程來著手。按照一般精銑面的經驗，似乎已無縮短可能。

認真分析了加工面的尺寸和形狀，以及切削進給和快速進給行程及時間的構成，準備從減少切削行程中的空行程著手。由于連桿體、蓋的結合面不是連續平面，而是由4個遠小于銑刀盤尺寸的小平面（長×寬為19.5×43.6mm）構成。提出了一個改進方案：精銑第一個結合面時，銑刀中心切過結合面邊緣后就抬起銑刀，進入快進進給，至下一結合面再落下銑刀開始第二次銑削。按照同樣方法完成第三、四個結合面的加工。如圖5所示，銑刀中心軌跡按1~8順序移動，其中1→2、3→4、5→6、7→8是切削行程，2→3、4→5、6→7是快進行程，快進行程還包括快進行程開始和結束時銑刀的抬起和落下。

經過計算，該方法可以將原先切削行程422 mm縮短至262 mm，改善效果明顯。

圖4 原加工工藝的銑刀給進路徑

有了前面例子的經驗，該方案并未馬上實施，而是通過CAD輔助作圖模擬和計算，在上述改善方案的基礎上，進一步尋找更佳的方案。如圖6所示，切削和快進順序不變，當銑刀盤邊緣切削出結合面后，就抬起銑刀，完成一個結合面的精銑，進一步縮短了切削進給的行程。圖示可明顯看到1→2、3→4、5→6、7→8四段結合面的切削行程又有明顯縮短，總切削行程最終縮短至128 mm。這樣切削行程大幅度減少，而快進行程明顯增加。因為機床快進速度達到了50 m/m in，而切削進給速度僅為540 mm/m in，因此由于快進行程增加而增加的輔助時間極少，實際上總的加工時間則大為減少。

圖5 改進工藝1的銑刀給進路徑

圖6 改進工藝2的銑刀給進路徑

改進措施實施后，精銑所需時間僅為原來的35%，而且還消除了拖刀痕，使結合面表面質量得到了明顯的改善。

上述2個改善例子中，因為原加工方式是參照國外現有成熟生產線工藝，看似合理，但如果深入地探討研究，從不同的角度開拓思路，從技術上來說做出這些改善應該并不是太難。

5 小結

本文所介紹的質量改進，只是已經完成或正在進行的改善中的2個實例。通過這些大量的改善活動，也使我們對持續改善有了更多的體會和感悟。

（1）改善不能受傳統方法和思維的束縛，也不要盲目認定已有的成熟工藝就沒有改善余地，這些都不利于改善的進行。真正的改善是一種思維方式的變革，應該摒棄所有的陳舊觀念，以“現在最差”為起點，改善應該馬上實行。

（2）不能滿足于已有的改善成果，一個改善的成功同時也是下一個改善的開始。改善的空間永遠存在，改善永無止境。

（3）通過改善，培養人才，形成風氣，讓改善涵蓋到公司生產經營的所有活動中去，使公司在競爭激烈的全球化市場中一直保持優勢地位[3]。

1楊連生.內燃機設計[M].北京：中國農業出版社，1981.

2 Imai M.Kaizen:The Key To Japan＇s Competitive Success[M].McGraw-Hill/Irw in, 1986.

3柿內幸夫.現場改善入門[M].楊劍，譯.北京：機械工業出版社，2006.

Manufacturing Technology of Connecting Rod and Its Continuous Improvement or Kaizen

Zhang Xuehua
(Shanghai Hino Engine Co.,Ltd.,Shanghai 201401,China)

A manufacturing technology of engine connecting rod is discussed,including product line layout,main m anufacturing process and characteristics.Some experience is summarized by tw o examples of continuous improvem ent ofm achining technology.

connecting rod,manufacturing technology,continuous improvement

來稿日期：2009-03-31

張學華（1973－），男，工程師，主要研究方向為發動機制造工藝技術。