新型汽車渦輪增壓耐磨傳動連桿組件的設(shè)計(jì)與制造

摘要：為優(yōu)化當(dāng)前的汽車傳動連桿的制造工藝，本文提出了一種新型的工藝制造方法。通過文獻(xiàn)總結(jié)歸納、圖解的方法來論述新型耐磨型連桿組件制造工藝工序。該工藝工序步驟為模鍛退火、探傷、粗銑、調(diào)質(zhì)、涂漆、精銑。最終發(fā)現(xiàn)與常用的連桿組件工藝相比，該種連桿制造工藝具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。但產(chǎn)品質(zhì)量有待進(jìn)一步的更新。

關(guān)鍵詞：增壓器;傳動連桿;制造方法

中圖分類號：TK4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0100-04

0 ?引言

連桿組件是渦輪增壓器中最為關(guān)鍵的一個(gè)部件，并且其需要具備高耐磨、工作溫度高以及一定的耐熱性、防腐性。通常會選擇SUS316Ti材料，通常連桿的最小厚度為6mm，配合安裝工作面的尺寸、形位公差、位置度公差的精度要求高等特點(diǎn)，國外采用6mm厚度的板類材料進(jìn)行沖壓成型，但是材料花費(fèi)較為昂貴，模具的使用壽命周期較短，原材料利用率與生產(chǎn)效率低，質(zhì)量不穩(wěn)定，不適合國內(nèi)外現(xiàn)有市場的需求，為此本文設(shè)計(jì)了一款汽車渦輪增壓耐磨型傳動連桿組件，并介紹了基于該組件的制造方法。

1 ?連桿結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的工件為汽車渦輪增壓耐磨性傳動連桿，其是接連曲柄和活塞之間的工件，將活塞承受壓力轉(zhuǎn)化為曲柄動力，在運(yùn)動的過程中，既需要承受拉力，同時(shí)還需要承受彎曲應(yīng)力。

如圖1所示，本設(shè)計(jì)的耐磨性傳動連桿分為三個(gè)部分，分別是小頭、桿身和大頭。

連桿小頭：小頭內(nèi)置襯套，與活塞相連，活塞內(nèi)置活塞銷，當(dāng)渦輪增壓器工作時(shí)，為了能夠提升活塞銷的耐磨程度，在小頭頂部設(shè)一個(gè)集油孔，當(dāng)渦輪增壓器工作時(shí)，其內(nèi)部的機(jī)油由于圓周力被甩到了活塞當(dāng)中，然后匯集到集油孔，從而減少活塞銷的磨損。

連桿大頭：分為兩個(gè)部分，其中一部分與桿身相連，另外一部分是桿蓋。連桿大頭選擇自鎖型螺母固定軸承蓋，擰緊力50～100N，并且軸瓦被置于大頭孔內(nèi)。

連桿桿身：桿身設(shè)計(jì)為了能夠承受最大應(yīng)力，桿身呈“I”型。

2 ?制造連桿組件的相關(guān)技術(shù)

2.1 技術(shù)要求

2.1.1 大、小頭孔軸心線在兩個(gè)互相垂直方向的平行度

當(dāng)大小頭孔的軸線平行度出現(xiàn)誤差時(shí)，活塞會向著氣缸傾斜，從而造成氣缸的磨損，所以大小頭孔的軸線平行度的誤差應(yīng)相對較小，從而減少氣缸的磨損程度，因此，大小頭孔的軸線平行度誤差不得超過0.12mm。

2.1.2 連桿大頭孔兩端面對大頭孔中心線的垂直度

連桿大頭孔端面到中心線的垂直度對軸瓦的磨損有很大的影響，嚴(yán)重會造成斷裂，所以連桿大頭孔端面到中心線的垂直度公差不得超過0.11mm。

2.1.3 大、小頭孔兩端面的技術(shù)要求

連桿大、小頭孔兩端面的技術(shù)要求不同，大頭孔的表面粗糙度不得超過0.64um，小頭的表面粗糙度不得超過5.6um。這是因?yàn)檫B桿大頭孔的端面之間有配合要求，使得大頭孔的技術(shù)要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小頭孔的技術(shù)要求。

2.1.4 螺栓孔的技術(shù)要求

螺栓孔和螺母是連桿體和蓋的連接部件，容易受到動載荷的影響，因此，除了螺栓本身要符合基本要求以外，螺栓孔的端面對稱度不得超過0.34mm。

2.1.5 有關(guān)結(jié)合面的技術(shù)要求

在連桿受到外力的影響時(shí)，接合面往往會產(chǎn)生歪斜，歪斜的接合面容易造成連桿的蓋和體發(fā)生錯位，影響連桿的質(zhì)量。而且會造成連桿體和蓋連接不緊密，造成不必要的磨損，所以連桿的接合面平面度公差不得超過0.03mm。

2.1.6 連桿的材料和毛坯

連桿在實(shí)際運(yùn)用中需要承受很強(qiáng)的負(fù)荷，所以材料一般采用高強(qiáng)度鋼，來保證連桿的強(qiáng)度。隨著冶煉鍛造工藝的普及，連桿的密度和強(qiáng)度大幅提高。采用冶煉鍛造的方法來制造連桿是一種科學(xué)有效的制造方式。

連桿的制造方法有許多種，主要根據(jù)材料的種類和組織性能進(jìn)行確定。根據(jù)生產(chǎn)的需要，連桿常常采用模鍛鍛造毛坯。連桿毛坯的鍛造模式分為兩種，一是將連桿的體和蓋分別鍛造，另一種是將連桿的體和蓋鍛為一體。整體鍛造在后續(xù)步驟中也需要進(jìn)行分割，相對與單體鍛造而言，材料的損耗相對較小，鍛造的時(shí)間也相對較短，極大的降低了生產(chǎn)成本，提升了連桿毛坯的工作性能，因此，整體鍛造逐漸成為毛坯鍛造的主要模式。

2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的耐磨型傳動連桿組件的制造參數(shù)如下所示：

2.2.1 連桿形狀參數(shù)（見圖2、表1）

2.2.2 連桿材料特性

在設(shè)計(jì)過程進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算，確定了設(shè)計(jì)連桿體帶蓋的各結(jié)構(gòu)參數(shù)。使用運(yùn)用AVL-EXCITE軟件進(jìn)行CAE強(qiáng)度校核計(jì)算，如表2所示。

3 ?汽車渦輪增壓耐磨型傳動連桿工藝分析

3.1 工藝過程的安排

整個(gè)渦輪增壓耐磨型傳動連桿工藝如下所示：

3.1.1 加工階段的劃分和加工順序的安排

連桿是一種剛性較差的工件，容易在外力的作用下彎曲;在連桿加工的過程中，孔隙的加工量最大，通常采用切削的方式進(jìn)行加工，而切削加工會增大本身的應(yīng)力，使連桿變形。因此，在對連桿進(jìn)行加工時(shí)，需要將各個(gè)工序分隔開。使得每個(gè)工序中產(chǎn)生的變形能夠在下步工序中得到修正，最后達(dá)到零件的基本要求。連桿工藝包括粗加工工藝、半精加工工藝和精加工工藝，在安排加工工序時(shí)，需要先定位基準(zhǔn)面，才能進(jìn)行下道工序。

3.1.2 定位基準(zhǔn)的選擇

由于連桿屬于不規(guī)則的形狀，為了對其進(jìn)行定位，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇定位基準(zhǔn)面，通常連桿的大、小頭端面不在同一平面上，使得定位時(shí)容易產(chǎn)生誤差，因此，選擇凸臺作為輔助基準(zhǔn)面，可以有效提高定位的穩(wěn)定性。

3.1.3 確定合理的夾緊方法

連桿的剛性較差，容易受到夾緊力的影響，在進(jìn)行夾緊的過程中，應(yīng)注意作用力的大小以及方向，防止夾緊力過高使連桿產(chǎn)生變形，造成連桿加工時(shí)的精度降低。

在進(jìn)行連桿的生產(chǎn)過程中，夾具的端面需要進(jìn)行粗銑，這樣設(shè)計(jì)出來的夾具可以保證夾緊力與端面相平行，由于兩頭端面的剛性比較大，即使因?yàn)閵A緊力的原因連桿受到了一點(diǎn)變形，連桿的兩端也能平行在夾具的端面上，因此，稍微的變形對端面與連桿的平行度影響不大。而且夾緊力是通過輔助元件作用在定位夾具上，可有效防止連桿在加工過程中發(fā)生彎曲的情況。

3.1.4 主要表面的加工方法

連桿加工時(shí)的基準(zhǔn)面是根據(jù)連桿的兩個(gè)端面決定的，在連桿的生產(chǎn)工序中，需要反復(fù)進(jìn)行精化、檢驗(yàn)再加工的過程，來保證連桿加工后的定位精度。但是這種生產(chǎn)方式的效率很低，不適合大批量的生產(chǎn)，所以在進(jìn)行大批量生產(chǎn)的過程中，還是多采用打磨的方式。

在對兩端面進(jìn)行銑削時(shí)，應(yīng)保持連桿的軸線與端面相對稱，并對桿身進(jìn)行固定，常見的銑削方法有：①將兩把硬質(zhì)端銑刀盤安裝在專用銑床上，并對工件進(jìn)行夾緊，在工作臺的送料機(jī)構(gòu)的帶動下，工件進(jìn)行粗銑加工，加工完畢后，通過旋轉(zhuǎn)再對另一個(gè)端面進(jìn)行加工;②利用多軸龍門銑床上不同方向的銑刀對工具進(jìn)行自動化加工，從而完成兩端面的銑削。

在采用磨削加工的過程中，一般通過平移并旋轉(zhuǎn)磨輪，使磨輪與端面接觸從而進(jìn)行磨削，在對連桿的大批量生產(chǎn)時(shí)，可以通過磨輪對兩個(gè)端面及逆行同時(shí)磨削，從而保證端面的平行度，極大的提高了磨削的效率。

3.2 大、小頭孔的加工

在連桿加工過程中，最精細(xì)的工序就是對連桿大、小頭孔的加工，其工序非常復(fù)雜，要求很高，而且是決定連桿質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

一般的加工工序是先對大小頭孔分別進(jìn)行加工，再將其組合起來，在進(jìn)行精細(xì)處理。

由于小頭孔的尺寸較小，所以在進(jìn)行鍛造的過程中無法設(shè)置預(yù)設(shè)孔，因此，小頭孔通常采用鉆削的方式進(jìn)行加工。而大頭孔的尺寸相對較大，可以在進(jìn)行鍛造的過程中完成預(yù)設(shè)孔的鍛造，所以大頭孔的鍛造相對與小頭孔而言，更加復(fù)雜，且需要經(jīng)歷粗鏜到精鏜的整個(gè)過程。

為了保持大、小頭孔的加工精度，在加工過程中通常采用鏜孔的方式。當(dāng)加工工序造成大、小頭孔傾斜時(shí)，鏜孔能進(jìn)行修正，來保證孔與面之間的定位精度。由于連桿的孔徑比較小，所以鏜桿的尺寸不會影響大、小頭孔的加工。

在進(jìn)行大、小頭孔精鏜的過程中，通常采用雙軸的方式進(jìn)行加工，從而提高大、小頭孔精鏜的加工效率。

為了減少大、小頭孔的表面粗糙度，需要對大、小頭孔進(jìn)行光整加工，以保證大、小頭孔的加工質(zhì)量。

3.3 定位基準(zhǔn)選擇

根據(jù)連桿加工工藝規(guī)范，在對工件進(jìn)行裝夾的過程中，需要對定位基準(zhǔn)進(jìn)行選擇，定位基準(zhǔn)影響加工的尺寸精度，是連桿加工工藝的首要步驟。在大多數(shù)的情況下，連桿的質(zhì)量取決于定位基準(zhǔn)的正確性。因此，定位基準(zhǔn)是連桿加工工藝的重點(diǎn)內(nèi)容。

定位基準(zhǔn)的選擇標(biāo)準(zhǔn)是選擇能夠確定連桿形狀的各個(gè)基點(diǎn)。

在進(jìn)行定位基準(zhǔn)的選擇時(shí)，要確保工件的加工精度，因此，定位基準(zhǔn)要進(jìn)行多項(xiàng)選擇，并從經(jīng)濟(jì)可靠的角度出發(fā)，一般采用以下的選擇方式：

在進(jìn)行精基準(zhǔn)的選擇時(shí)，除了要保證加工精度，還要將工件的安裝方便考慮進(jìn)去，如圖3所示。

①由于連桿在加工過程中需要對各個(gè)加工表面進(jìn)行逐一加工，因此，在組合的過程中需要進(jìn)行多次反復(fù)安裝才能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)尺寸，所以為了保證連桿的整體精度，應(yīng)該制定統(tǒng)一的定位基準(zhǔn)，使大多數(shù)工序都能在同一基準(zhǔn)面上進(jìn)行。②由于連桿容易受到外來作用力的影響，導(dǎo)致各個(gè)加工表面的位置精度出現(xiàn)偏差，所以在選擇基準(zhǔn)面的過程中要選擇定位準(zhǔn)確的基準(zhǔn)面做標(biāo)準(zhǔn)。③在對基準(zhǔn)面的選擇時(shí)可以根據(jù)圖紙上的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇。從而保證實(shí)際的定位基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相一致，從而減少尺寸上的誤差。

根據(jù)以上原則，在對連桿大小端面進(jìn)行加工的過程中，需要先將定位基準(zhǔn)面加工出來，并保證定位基準(zhǔn)面具有很高的精度。

在對基準(zhǔn)面進(jìn)行定位時(shí)，通常將夾具的大小端面作為基準(zhǔn)面，若大小端面之間的間距較大，可作為導(dǎo)向基準(zhǔn)面，若大小端面之間的間距較小，可作為止推基準(zhǔn)面。

這樣的定位方式有效的統(tǒng)一了連桿在基準(zhǔn)面上的選擇，其好處有：①使大部分工序都能使用統(tǒng)一的選擇標(biāo)準(zhǔn)，從而減少基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換時(shí)帶來的誤差，而且在對同一精度要求的加工表面提供了便利，從而使連桿的軸線平行度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。②在進(jìn)行小端孔的設(shè)計(jì)過程中，通常以端孔的端面作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，這種方式設(shè)計(jì)出來的小端孔誤差基本為零。③降低了工藝設(shè)計(jì)過程中的難度，從而提高了夾具設(shè)計(jì)的效率，節(jié)約了加工時(shí)間，降低了夾具的生產(chǎn)成本。

在對小端孔進(jìn)行加工的過程中，通常采用可伸縮的短銷對小端孔進(jìn)行定位，在定位完成后，再將短銷取出。

3.4 確定合理的夾緊方法

連桿的剛性較差，在夾緊力的作用下容易產(chǎn)生彈性變形，如果在夾緊狀態(tài)下完成了對精度的檢測，松開之后，工件的精度會造成很大的影響，所以在對定位基準(zhǔn)的選擇時(shí)，應(yīng)該將夾緊力的作用點(diǎn)考慮進(jìn)行，從而保證連桿精度的準(zhǔn)確性。

在確定夾緊力的作用點(diǎn)時(shí)，要保證夾緊力對工件的變形影響最小。

夾緊力著力點(diǎn)的選擇不能偏移工件定位時(shí)的定位點(diǎn)，如果著力點(diǎn)的選擇出現(xiàn)問題，就會使工件在定位時(shí)出現(xiàn)誤差。

通常工件在切削時(shí)會產(chǎn)生振動，振動產(chǎn)生的作用力會對夾緊力造成影響，若夾緊力太小，會使工件在振動力的作用下出現(xiàn)偏移，若夾緊力太大，會造成工件的定位點(diǎn)出現(xiàn)誤差。因此，夾緊力應(yīng)該靠近加工面，來降低震動對工件誤差產(chǎn)生的影響。

由于連桿是一種剛性較差的工件，很容易產(chǎn)生變形，所以夾緊力的著力點(diǎn)要選擇工件剛性強(qiáng)的部位，要避免選擇軟性的部位，防止連桿變形，保證連桿的加工精度。

3.5 連桿兩端面的加工

連桿端面的加工精度與連桿大小頭孔的同軸度有關(guān)，在加工的過程中要選擇合適的著力點(diǎn)，以避免夾緊力使連桿變形，從而對定位基準(zhǔn)造成影響。

3.6 連桿大、小頭孔的加工

對連桿大小頭的加工決定定位基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。在進(jìn)行連桿孔加工的前序步驟時(shí)，通常以凸臺為定位基準(zhǔn)。進(jìn)行鏜削工藝時(shí)，需要選擇合適的夾具，通過液壓或者手動的方式進(jìn)行定位加工。

3.7 連桿螺栓孔的加工

螺栓是連接連桿體和蓋的主要部件，因此，螺栓受到很大的作用力，其質(zhì)量的要求很高。當(dāng)螺栓出現(xiàn)問題時(shí)，會造成連桿體和蓋的接觸不良，從而引發(fā)重大事故，故在加工螺栓時(shí)，要仔細(xì)鑒別螺栓的好壞，使得螺栓能夠達(dá)到相應(yīng)的要求。

3.8 連桿體和蓋的銑開工序

連桿體和蓋的銑開工序應(yīng)滿足可靠性的要求，從而防止連桿蓋的變形，要滿足可靠性的要求必須要降低銑削過程中連桿體和蓋的夾緊程度，還要保證壓板與銷對稱，從而提高連桿體和蓋的穩(wěn)定性。

3.9 加工小頭孔

小頭孔加工時(shí)分為三個(gè)階段。這樣可以降低切削過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。從而在加工過程中可以切除大量的金屬材料，提高小頭孔的加工精度。

3.10 精鏜大頭孔

大頭孔鏜削需要在銑床上進(jìn)行，這樣可以提高連桿孔的加工精度，而且自動化操作，還可以降低勞務(wù)成本。

3.11 小頭孔壓入襯套

在將襯套壓入小頭孔時(shí)，需要用到專業(yè)工具來完成，才能提高小頭孔與襯套之間的牢靠性。

3.12 鏜小頭襯套孔

在對鏜小頭的連桿體進(jìn)行定位時(shí)，需要對凸臺和小頭進(jìn)行定位插銷，從而保證連桿的加工精度。

3.13 珩磨大頭孔

珩磨是一種高效的加工方式，而且珩磨加工的精度很高。在磨削連桿大頭孔時(shí)，其同軸度必須要保證在4μm以下，另一方面珩磨加工面需要有較高的支撐率，從而延長大頭孔的使用壽命，再加上珩磨的速率較低，使得工件的發(fā)熱量較小，從而降低連桿的變形程度。

由于珩磨時(shí)連桿孔需要與珩磨頭相接觸，由于珩磨時(shí)磨頭需要做旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動，所以珩磨石往往采用耐磨材料。珩磨頭的精度決定連桿孔的精度。本工序選用臥式珩磨機(jī)，見表3。

3.14 新型連桿工藝實(shí)踐效果

為深入分析本文新型連桿工藝，將其與車床常用的制造工藝相比，如表4所示。鑄造工藝成本較低、產(chǎn)品性能好，但是生產(chǎn)的產(chǎn)品廢品率高。模鍛工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品性能好，但成本較高。粉末鍛造工藝材料利用率高，但生產(chǎn)成本高。基于本文提出的新型連桿工藝來看，在成本方面以及產(chǎn)品性能、精度、材料利用率方面都進(jìn)行優(yōu)化，在產(chǎn)品的質(zhì)量方面有待進(jìn)一步的優(yōu)化。

4 ?結(jié)論

全文詳細(xì)介紹了一種汽車渦輪增壓耐磨傳動連桿組件的制造方法，連桿是一種剛性較差的工件，采用切削的方式進(jìn)行加工，并通過分隔工序的方式修正制造過程中的缺陷。然后通過粗加工工藝、半精加工工藝和精加工工藝完成產(chǎn)品的制造。產(chǎn)品的整個(gè)結(jié)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，并且還能夠滿足精度和動力性能指標(biāo)，整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路清晰，結(jié)構(gòu)合理，具有耐磨損、耐高溫等特性。并且產(chǎn)品的質(zhì)量偏差小、成本低、材料利用率高，但是在產(chǎn)品的質(zhì)量上有待進(jìn)一步地提升。

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作者簡介：李新安（1982-），男，江蘇銅山人，現(xiàn)供職超捷緊固系統(tǒng)（上海）股份有限公司，中級工程師，上海大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)本科畢業(yè)，上海財(cái)經(jīng)大學(xué)管理學(xué)學(xué)士，研究方向?yàn)檐囉脺u輪增壓器技術(shù)。