不同工序下柴油機(jī)連桿加工變形預(yù)測(cè)方法

徐小燕

（南京測(cè)繪儀器廠，南京 210003）

作為柴油機(jī)中的傳動(dòng)部件，連桿主要是將柴油機(jī)內(nèi)部的活塞與曲軸相連接，使柴油機(jī)可以正常運(yùn)行[1]。連桿內(nèi)存在金屬軸瓦，可以減少磨損，通過(guò)驅(qū)動(dòng)使柴油的能量轉(zhuǎn)化為電能。在柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，柴油機(jī)內(nèi)的混合氣體會(huì)持續(xù)燃燒，氣體通過(guò)膨脹運(yùn)動(dòng)，推行活塞，完成一次柴油機(jī)運(yùn)作[2]。連桿會(huì)受到膨脹氣體與交變壓力的作用，造成連桿磨損或變形，影響連桿的強(qiáng)度與剛度。現(xiàn)階段，連桿主要利用粉末冶金的密度提高連桿強(qiáng)度與剛度[3-5]，但此種方法極易造成連桿在加工時(shí)的變形，影響加工質(zhì)量。基于此，本文設(shè)計(jì)了在不同工序下的柴油機(jī)連桿加工變形預(yù)測(cè)方法，旨在提高變形預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度，為柴油機(jī)的運(yùn)行提供保障。

1 不同工序下柴油機(jī)連桿加工變形預(yù)測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 構(gòu)建柴油機(jī)連桿的有限元預(yù)測(cè)模型

為了整體把控連桿加工變形的狀態(tài)，構(gòu)建出柴油機(jī)連桿的有限元預(yù)測(cè)模型，對(duì)柴油機(jī)連桿的有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用連桿倒角的特性，將柴油機(jī)的應(yīng)力簡(jiǎn)化，并對(duì)應(yīng)力集中部位進(jìn)行優(yōu)化，保證桿頭、小頭孔等危險(xiǎn)部位的加密效果[6]。連桿有限元預(yù)測(cè)模型如圖1 所示。

以加工危險(xiǎn)程度為核心，將危險(xiǎn)部位的有限元網(wǎng)格進(jìn)行密集劃分，將安全區(qū)域進(jìn)行稀疏劃分，保證模型的整體溫度場(chǎng)在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。此時(shí)的連桿溫度場(chǎng)變化參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 溫度場(chǎng)的變化參數(shù)

如表1 所示，本文針對(duì)溫度場(chǎng)的泊松比、比熱容、對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行分析，溫度每升高20 ℃，對(duì)流換熱系數(shù)將會(huì)隨之增加，保證溫度場(chǎng)的高度一致性。

1.2 基于不同工序施加預(yù)測(cè)模型的邊界條件

連桿的應(yīng)力大小與模型相關(guān)，需要對(duì)不同工序下的連桿應(yīng)力進(jìn)行約束，從而減少加工時(shí)變形的情況[7]。根據(jù)連桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將連桿設(shè)計(jì)成一個(gè)具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的部件。由于連桿形狀不規(guī)則，無(wú)法直接對(duì)模型的邊界條件作出判斷，因此需要對(duì)連桿內(nèi)部的局部應(yīng)力情況進(jìn)行計(jì)算：

式（1）中：Cstress為連桿加工變形時(shí)的應(yīng)力；Tcapacity為連桿膨脹系數(shù)；Cexpansion為連桿的總承受力；Sresidual為連桿加工時(shí)的內(nèi)部殘余應(yīng)力。

不同工序下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力的不定量影響，從而加劇連桿變形的情況。因此，將模型的邊界條件設(shè)置為桿身的自由度變化，將桿身的自由度作為加工變形的約束條件，細(xì)化模型中的微小誤差，保證模型的預(yù) 測(cè)精度。

1.3 進(jìn)行連桿加工熱處理

為了實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)連桿加工變形的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，在模型邊界條件的基礎(chǔ)上，對(duì)連桿進(jìn)行加工熱處理。假設(shè)柴油機(jī)連桿的初始加工溫度為T(mén)0，對(duì)此時(shí)的連桿進(jìn)行離散化處理，并在熱力學(xué)分析的基礎(chǔ)上劃分出連桿單元節(jié)點(diǎn)，處理連桿加工變形預(yù)測(cè)問(wèn)題[8]。由于連桿加工熱屬于瞬時(shí)過(guò)程，溫度將會(huì)隨著時(shí)間而改變，因此熱處理過(guò)程可表示為：

式（2）中：Kc為處理后的連桿熱應(yīng)力，N·m-2；Tmax為最高加工溫度，℃；t 為時(shí)間，min；Qr為熱強(qiáng)度，W·m-2。根據(jù)此處理過(guò)程，可以消除連桿加工變形的熱應(yīng)力誤差，保證連桿加工變形的預(yù)測(cè)精度。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了保證實(shí)驗(yàn)的真實(shí)效果，本文選取F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10、F11、F12共12 個(gè)出現(xiàn)變形的連桿進(jìn)行測(cè)試，分別選用45°、60°、75°作為螺旋角度，此時(shí)連桿小頭孔的變形平面圖如圖2 所示。

由圖2 可以看出，在連桿加工過(guò)程中，A、B、C、D 這4 個(gè)點(diǎn)極易出現(xiàn)變形，圖2 顯示的是D 點(diǎn)出現(xiàn)變形，此時(shí)不同工序角度最大型變量見(jiàn)表2。

由表2 可知，在不同的前角與螺旋角度中，連桿的最大變形量也相應(yīng)不同。60°時(shí)，最大變化量相差較多，直接影響加工效果。在此基礎(chǔ)上，對(duì)連桿加工材料屬性參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 連桿加工材料屬性參數(shù)

由表3 可看出：連桿的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)不小于1 080 MPa 即可；屈服強(qiáng)度指標(biāo)不小于930 MPa；伸長(zhǎng)指標(biāo)與斷面收縮指標(biāo)分別需要超過(guò)0.12 與0.45，保證連桿的加工效果；沖擊能量不小于63 J，韌性強(qiáng)度不小于78，布氏硬度不大于217 HB 即可。因此，本文選取的連桿加工材料參數(shù)均可以保證標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，本文選取柴油機(jī)連桿變形的銑面、鉆定位孔、銑小頭孔、鉸定位孔、鏜小頭孔、小頭孔倒角、鉆小頭油孔、連桿蓋、鉆螺栓孔以及鏜大頭孔等10 個(gè)不同的工序，將傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法與本文設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證兩種方法的預(yù)測(cè)效果，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4 可知，不同的工序目標(biāo)誤差不相同，傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)誤差較大，影響柴油機(jī)連桿的實(shí)際加工效果，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)，實(shí)際應(yīng)用效果不佳。本文設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)方法與目標(biāo)誤差相差較少，可以對(duì)柴油機(jī)連桿的實(shí)際加工變形狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)。由此得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

表4 不同工序下柴油機(jī)連桿加工變形預(yù)測(cè)誤差

本文以標(biāo)準(zhǔn)誤差10-5為例，傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法的誤差較大，本文設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)方法誤差結(jié)果較小，可以應(yīng)用于實(shí)際柴油機(jī)連桿加工過(guò)程，符合本文研究目的。

3 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，柴油機(jī)可靠性與實(shí)用性較強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于大型機(jī)械。在各種材料改進(jìn)后，柴油機(jī)的加工工藝開(kāi)始變革。連桿作為柴油機(jī)的關(guān)鍵部件，在柴油機(jī)的傳動(dòng)過(guò)程中具有重要作用。但是現(xiàn)如今，隨著連桿大量加工生產(chǎn)，變形的情況越來(lái)越普遍。因此，本文對(duì)連桿的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)、斷面收縮指標(biāo)、沖擊能量、韌性強(qiáng)度以及布氏硬度等指標(biāo)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了不同工序下柴油機(jī)連桿加工變形預(yù)測(cè)方法，旨在減少加工變形誤差，提高連桿的加工精度，進(jìn)一步保證柴油機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，為大型機(jī)械裝置的正常使用提供保障。