高速大功率柴油機(jī)連桿大端孔橢圓度加工與控制

吳 鑫， 李曉霞， 李二紅， 李 崢， 田 甜， 劉 磊

（山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 大同 037036）

0 引言

連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵件，它的主要功能是連接活塞和曲軸，并將活塞所受的爆發(fā)壓力傳給曲軸，將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。某系列高速大功率柴油機(jī)的連桿部件由連桿體、連桿蓋、連桿螺栓、連桿小頭襯套以及上、下軸瓦組成，見(jiàn)圖1。

圖1 連桿部件三維圖

對(duì)于高速大功率柴油機(jī)，在將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程中，連桿的大端孔需要承受巨大的往復(fù)力（相比一般柴油機(jī)工況更加惡略），因此，為了提高連桿的使用效能，在此種結(jié)構(gòu)的連桿大端孔的尺寸形狀上有一個(gè)橢圓度的要求，為沿活塞運(yùn)動(dòng)方向的直徑要小于或等于與之垂直方向的直徑，見(jiàn)圖2（兩個(gè)方向的要求）、圖3（三個(gè)方向的要求）。

圖2 兩個(gè)方向的要求

圖3 三個(gè)方向的要求

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，常常出現(xiàn)機(jī)械加工后的零部件，檢驗(yàn)大端孔的橢圓度符合要求，但是在整機(jī)裝配前按要求進(jìn)行復(fù)檢時(shí)，卻發(fā)生相當(dāng)數(shù)量的連桿的橢圓度測(cè)量超差，從而造成零件需要返修的狀況出現(xiàn)，不僅耽誤了整機(jī)的裝配周期，同時(shí)零件返修后也出現(xiàn)了一定數(shù)量報(bào)廢的情況。本文對(duì)該類連桿大端孔橢圓度的這種情況展開(kāi)進(jìn)行分析，并通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果分析，找出了問(wèn)題發(fā)生的原因。

1 問(wèn)題的出現(xiàn)過(guò)程

首先對(duì)問(wèn)題出現(xiàn)的過(guò)程進(jìn)行梳理，主要從機(jī)械加工的過(guò)程，檢驗(yàn)的要求，以及裝配前的復(fù)檢進(jìn)行逐一梳理。

1.1 加工和檢驗(yàn)

以測(cè)量三個(gè)方向a、b、c 的連桿為例（見(jiàn)圖3），機(jī)械加工階段的情況如下：

1.1.1 工序安排

前期連桿相關(guān)加工工序—粗鏜大端孔- 精鏜大端孔—拆開(kāi)/組合連桿體和蓋（檢驗(yàn)大端孔橢圓度）—鉆鉸瓦片定位銷孔—安裝瓦片定位銷—組合連桿體和蓋—瓦孔倒角—其他后續(xù)工序。

1.1.2 大端孔最終尺寸形成的時(shí)機(jī)、狀態(tài)和要求

1）時(shí)機(jī)：在連桿大端孔的精加工工序中“粗鏜大端孔- 精鏜大端孔”；

2）狀態(tài)：連桿體和連桿蓋用連桿螺栓按要求緊固組合進(jìn)行；

3）要求：加工后在“拆開(kāi)/組合連桿體和蓋”前測(cè)量孔的圓度為0.004 mm。

1.1.3 大端孔橢圓度檢驗(yàn)的時(shí)機(jī)、狀態(tài)和要求

1）時(shí)機(jī)：精加工后連桿體和連桿蓋拆開(kāi)一次后，在“拆開(kāi)/組合連桿體和蓋（檢驗(yàn)大端孔橢圓度）”工序，進(jìn)行檢測(cè)；

2）狀態(tài)：光孔，不裝瓦片，連桿體和連桿蓋用連桿螺栓按要求緊固組合進(jìn)行；

3）要求：連桿大端孔的孔徑要求不變，圓度要求放寬為0.015 mm，橢圓度a≤（b+c）/2，且最小尺寸為a。

1.2 裝配前的復(fù)驗(yàn)（問(wèn)題出現(xiàn)）

1）時(shí)機(jī)：裝配前；

2）狀態(tài)：庫(kù)房取出的機(jī)加后橢圓度檢測(cè)合格的連桿，檢驗(yàn)時(shí)，需要將已經(jīng)緊固好的連桿部件拆開(kāi)，安裝瓦片，按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行緊固后進(jìn)行；

3）要求：a≤（b+c）/2（安裝瓦片進(jìn)行測(cè)量）；

4）問(wèn)題：出現(xiàn)一些橢圓度檢驗(yàn)不合格的情況。

2 現(xiàn)象和數(shù)據(jù)分析

2.1 現(xiàn)象分析

通過(guò)對(duì)比機(jī)加環(huán)節(jié)和裝配環(huán)節(jié)的橢圓度的檢驗(yàn)條件狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)：

1）機(jī)加環(huán)節(jié)的橢圓度檢測(cè)是在大端孔精鏜后，對(duì)連桿體和蓋拆開(kāi)，并按照規(guī)定力矩組合緊固后進(jìn)行，此時(shí)，圓度值要求由拆開(kāi)前的0.004 mm 允許放寬到0.015 mm，由此分析，在設(shè)計(jì)層面已考慮了連桿的體和蓋的拆開(kāi)和組合過(guò)程，對(duì)大端孔的狀態(tài)有一定的影響；

2）裝配環(huán)節(jié)復(fù)驗(yàn)時(shí)，需要將連桿部件裝上瓦片進(jìn)行，因此需要將入庫(kù)后組合的連桿體和蓋再次拆開(kāi)并按規(guī)定力矩組合，此時(shí)的連桿部件的狀態(tài)是在大端孔精加工后，最少又經(jīng)過(guò)了兩次及以上的大扭矩“拆開(kāi)和組合連桿體和蓋”的過(guò)程，而復(fù)檢出現(xiàn)橢圓度不合格的情況，進(jìn)一步說(shuō)明了連桿體和蓋的拆開(kāi)和組合過(guò)程，對(duì)大端孔的狀態(tài)有影響。

由以上分析可初步認(rèn)為，連桿體和蓋的“拆開(kāi)和組合”過(guò)程應(yīng)該是影響連桿大端孔的橢圓度的主要因素，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在尺寸方面，前后的狀態(tài)只允許圓度值發(fā)生變化，該因素也值得進(jìn)行分析。

2.2 數(shù)據(jù)測(cè)量及分析

2.2.1 半成品檢測(cè)分析

通過(guò)對(duì)機(jī)械加工過(guò)程中的半成品在完成大端孔精加工，重新組裝后的a、b、c 值測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在a 和b、c兩個(gè)方向上的尺寸狀態(tài)不穩(wěn)定，零件狀態(tài)會(huì)隨著擱置時(shí)間的長(zhǎng)短而發(fā)生變化，說(shuō)明了機(jī)械加工過(guò)程使零件內(nèi)部產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力，而在擱置過(guò)程中，這些應(yīng)力的釋放使連桿的狀態(tài)發(fā)生了變化。

2.2.2 成品檢測(cè)分析

從存放的已檢驗(yàn)合格的成品連桿部件，隨機(jī)抽取5 件，對(duì)其進(jìn)行了三次拆裝檢測(cè)，拆開(kāi)前狀態(tài)及重新組裝后狀態(tài)的a、b、c 的變化數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 《某型連桿大端孔測(cè)量數(shù)據(jù)》（以下數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值偏差）單位：mm

分析以上數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)：

1）在完成第三次重新組裝后，總體上連桿部件（未安裝瓦片的狀態(tài)）仍滿足a≤（b+c）/2且最小尺寸為a 的要求，但是發(fā)現(xiàn)a、b、c 數(shù)值，及（b+c）/2值總體存在變大的趨勢(shì)。

2）相比于拆開(kāi)前與第一次拆裝的變化值，第二次和第三次拆裝的變化趨勢(shì)在逐步變小，并趨于穩(wěn)定。說(shuō)明了隨著拆裝次數(shù)的增加會(huì)使a 和（b+c）/2的數(shù)值趨于穩(wěn)定，極有可能是由于機(jī)械加工中存在的不良內(nèi)應(yīng)力隨著反復(fù)拆裝的過(guò)程逐步釋放完畢，而為了保證存放后的連桿復(fù)檢時(shí)仍滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)在加工的過(guò)程中盡量將應(yīng)力釋放完畢。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

由上分析，該問(wèn)題的產(chǎn)生應(yīng)該就是由于連桿加工過(guò)程中產(chǎn)生的不良應(yīng)力在成品存放階段釋放后，使大端孔的尺寸發(fā)生了微變形，最終導(dǎo)致了復(fù)檢橢圓度的不合格。為了驗(yàn)證以上分析結(jié)論，制定了以下方案：

3.1 第一次驗(yàn)證

3.1.1 加工余量分析

從加工余量上看，連桿粗鏜孔的加工余量為2.3～3.0 mm，精鏜孔余量為0.7～1.0 mm；加工過(guò)程的余量均偏大，加工切深參數(shù)值設(shè)置不合理，會(huì)造成內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。

3.1.2 連桿大端孔加工工藝流程分析

前期相關(guān)機(jī)械加工—組合連桿體和蓋（第一次組合）—粗鏜大端孔—中間其他機(jī)械加工—精鏜大端孔（精加工結(jié)束）—拆開(kāi)/組合連桿體和蓋（檢驗(yàn)大端孔橢圓度）（第二次組合）—拆開(kāi)連桿體和蓋，鉆鉸瓦片定位銷孔—安裝瓦片定位銷—組合連桿體和蓋（第三次組合）—瓦孔倒角—其他后續(xù)工序。

從加工流程分析，第一次組合連桿體和蓋以后，直到精加工結(jié)束，桿和蓋一直沒(méi)有拆過(guò)。

從受力方面分析，連桿體和蓋在組合狀態(tài)下，緊固力矩約為400 N·m，使得其兩端受力較大且集中，其位置可見(jiàn)圖4 的深色部分，而在較大切削量加工過(guò)程中，始終沒(méi)有對(duì)“連桿的體和蓋”進(jìn)行拆組，也是產(chǎn)生不良應(yīng)力的主要原因。

圖4 連桿體和蓋在組合時(shí)的應(yīng)力分布位置

同時(shí)，“瓦孔倒角”工序，對(duì)大端孔形成后在孔端面位置加工倒角時(shí)也會(huì)施加一定的力，有可能也會(huì)影響大端橢圓度。

3.1.3 制定工藝措施

根據(jù)分析，主要制定兩點(diǎn)工藝改進(jìn)：

1）減少精鏜孔的加工余量，以減少應(yīng)力產(chǎn)生，主要為：粗鏜大頭孔后，對(duì)于精鏜孔的加工余量定為0.7mm，同時(shí)精鏜孔到最終尺寸改為分兩道工步進(jìn)行，第二工步的余量控制為0.25 mm。

2）在精鏜孔前拆裝連桿桿身和蓋，以釋放加工應(yīng)力，主要為在精鏜孔前增加一道拆組連桿的工序。

3.1.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

抽取14 件連桿進(jìn)行工藝試驗(yàn)，按制定的工藝措施加工，分析連桿大端孔的變形情況。此次試驗(yàn)主要為驗(yàn)證，在采取了減少加工應(yīng)力的產(chǎn)生和增加了加工應(yīng)力釋放的措施后，加工質(zhì)量是否有所改善，按圖2在兩個(gè)方向上測(cè)量“精鏜大端孔”后的孔徑，以及“拆開(kāi)/組合連桿體和蓋”后進(jìn)行一次拆裝。為了了解“瓦孔倒角”后是否會(huì)對(duì)大端孔產(chǎn)生影響，在該工序后進(jìn)行第二次拆裝，并測(cè)量數(shù)值，見(jiàn)表2。

表2 測(cè)量數(shù)據(jù)（以下數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值偏差） 單位：mm

試驗(yàn)結(jié)果分析：

1）14 件樣件中，12 件精鏜后的圓度值在0～0.001 5 mm 之間，2 件超差。絕大多數(shù)連桿孔圓度均穩(wěn)定在0.004 mm 以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

2）14 件樣件中，經(jīng)過(guò)第一次拆裝后，11 件的圓度值在0.003 5 mm 以內(nèi)（滿足了設(shè)計(jì)要求的拆裝前的0.004 mm 要求）精度大幅度提高，其余3 件為0.006 mm、0.009 mm、0.004 5 mm，均滿足了設(shè)計(jì)要求的拆裝后的0.015 mm 要求。就整體而言，精度都有了大幅度提高，所有14 件樣件的精度較拆裝前變化不大，由此說(shuō)明，采用此工藝方案，不良應(yīng)力已大量釋放，拆裝連桿對(duì)于大端孔的影響已變得很小。

3）14 件樣件中，抽取了11 件進(jìn)行了“瓦孔倒角”后的第二次拆裝，測(cè)量圓度值發(fā)現(xiàn)，1 件的近似圓度值0.015 5 mm（超差），其余雖均滿足了設(shè)計(jì)要求的拆裝后的0.015 mm 要求，但部分?jǐn)?shù)值變化較大。說(shuō)明，精鏜孔后的“瓦孔倒角”工序，會(huì)對(duì)大端孔的圓度變化產(chǎn)生影響。

此外，在試驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)了在重新組裝緊固連桿體和蓋時(shí)，桿和蓋端面發(fā)生錯(cuò)位會(huì)對(duì)圓度產(chǎn)生影響。

3.2 第二次驗(yàn)證

為了驗(yàn)證第一次試驗(yàn)中的新發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行了第二次驗(yàn)證。

3.2.1 加工方案

根據(jù)第一次的試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化了工藝措施：在前期方案的基礎(chǔ)上，將連桿在精鏜孔前的拆裝次數(shù)由1 次增加為3 次，以進(jìn)一步釋放應(yīng)力；工藝流程上將“瓦孔倒角”提前到“精鏜孔”前進(jìn)行，以減小其對(duì)于大端孔成型后的影響；同時(shí)在連桿的桿和蓋組裝時(shí)嚴(yán)格控制齒槽端面，使之對(duì)齊。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

抽取了20 件樣本作為一個(gè)批次，對(duì)連桿連續(xù)加工，加工過(guò)程嚴(yán)格執(zhí)行新制定的工藝方案，對(duì)加工過(guò)程中的精鏜孔后、重新組裝后、裝連桿瓦后整個(gè)過(guò)程中孔的尺寸進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果測(cè)量主要分兩步進(jìn)行：

3.2.2.1 機(jī)加過(guò)程后測(cè)量（不裝瓦片）

進(jìn)行精鏜孔后及重新組裝后的連桿進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量部位如圖2 所示，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 測(cè)量數(shù)據(jù)（以下數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值偏差） 單位：mm

測(cè)量結(jié)果表明：20 件樣本中，19 件精鏜后的圓度在0～0.001 mm 之間，1 件為0.002 mm，精度滿足同時(shí)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求的0.004 mm；第一次拆裝后，18 件在0.003 5 mm 以下，其余兩件為0.005 mm 和0.007 5 mm，同樣遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求的0.015 mm 要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了精加工孔前的拆裝對(duì)釋放應(yīng)力效果顯著。

3.2.2.2 按照裝配前要求檢驗(yàn)（裝瓦片）

將這20 個(gè)連桿放置7 d 以上，然后作為一個(gè)批次進(jìn)行瓦片裝配，并進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量部位按圖2 進(jìn)行，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 測(cè)量數(shù)據(jù)（以下數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值偏差） 單位：mm

測(cè)量結(jié)果表明：20 件樣本中全部都滿足了A≤B的設(shè)計(jì)要求。

從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析,精鏜孔后、第一次拆裝后，以及裝上瓦片以后，測(cè)量值均滿足了設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明所制定的工藝措施是有效的。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)同類型連桿多批次的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，連桿部件裝配前橢圓度檢驗(yàn)不合格的問(wèn)題，是由于在加工過(guò)程的工序安排不合理，導(dǎo)致產(chǎn)生的不良應(yīng)力沒(méi)有有效釋放，雖然在機(jī)加結(jié)束后，檢測(cè)零件可滿足設(shè)計(jì)要求，但是隨著存放過(guò)程中應(yīng)力的逐步釋放，導(dǎo)致連桿部件的大端孔發(fā)生了變化，從而在裝配前橢圓度復(fù)檢時(shí)不合格，因此，在零部件的加工過(guò)程中要特別注意應(yīng)力的產(chǎn)生和釋放，原則是合理設(shè)計(jì)工序，盡量減少應(yīng)力的產(chǎn)生，同時(shí)增加應(yīng)力釋放的機(jī)會(huì)，最大程度的降低應(yīng)力對(duì)零件加工結(jié)果的影響。對(duì)于該類連桿的加工及該問(wèn)題的解決給出以下建議：

1）合理安排加工工序及參數(shù)，減少最終工序（精鏜孔）的加工余量，從而減少加工過(guò)程的應(yīng)力產(chǎn)生；

2）合理安排拆組連桿的時(shí)機(jī)，在最終工序（精鏜孔）進(jìn)行前，增加應(yīng)力釋放的機(jī)會(huì)，使應(yīng)力提前釋放，避免在后期釋放影響零件的合格率；

3）對(duì)于“精鏜孔”后對(duì)大端孔形狀有影響的加工工序，在可行的情況下盡量前移，以進(jìn)一步排除后期加工對(duì)孔徑的影響。