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1.引言
连杆作为传递力的主要部件广泛应用于各类动力机车上,是各类柴油机或汽油机的重要部件。连杆在传递力的过程中,承受着很高的周期性冲击力、惯性力和弯曲力。这就要求连杆应.具有高的强度、韧性和疲劳性能。同时、因其是发动机重要的运动部件,故要求很高的重量精度。随着汽车行业的发展,连杆的需求量在不断增加,也出现了许多不同的加工制造工艺。
目前,连杆生产中有模铸工艺、模锻工艺、粉末锻造工艺、常规粉末冶金工艺、粉末热挤压一锻造工艺、碳纤维强化工艺等。由于模锻成形具有接近最终产品的几何形状和尺寸精度,并同时改善其组织,能获得更高的力学性能;模锻钢连杆的疲劳强度和可靠性高,适用于负荷大、转速高的汽油和柴油发动机,因此,在连杆制造中占据主导地位。
常见的连杆模锻工艺流程为:下料-感应加热-辊锻制坯-预锻与终锻-切边与冲孔-预热淬火-回火-喷丸-清校-压印-探伤。
2.连杆模锻工艺的进展
2.1基础研究
苗永纯对影响连杆模锻质量的因素如氧化和脱碳,裂纹、折叠、关键尺寸不稳定和质量超差等因素进行分析,并提出了防止和克服质量问题的具体措施。陈秀美对连杆锻造进行了金相分析,归纳出了几种主要的缺陷,并提出了防止这些缺陷的预防措施。王忠金采用光塑性实验方法,研究长轴类复杂锻件变形规律,针对ALX100摩托车汽油机连杆终锻过程变形行为进行了光塑性实验,通过对不同典型截面切片的等倾线和等差线的观测分析,发现不同部位具有明显的变形,深刻全面揭示了材料三维塑性流动的特征。
以上学者对连杆锻造过程中的材料流动及成形过程中可能出现的各种缺陷进行了研究,提出了改进及其预防措施,促进了连杆模锻技术的进一步发展。
2.2精锻技术
普通模锻连杆需要在锻后进行全身铣削加工,以消除锻造过程中产生的脱碳层、氧化坑、裂纹、折叠等表面缺陷,通过这一铣削加工,会使连杆表层的纤维组织受到破坏,强度大幅度降低。在多年探索的基础上,抚顺机械厂刘昱虹采用连杆外形直接精锻工艺,成形了船用16缸V型发动机连杆(材料42CrMoA, 重102kg ),提高了连杆的强度和精度,锻件质量可与国外产品媲美。连杆锻造的工艺路线为:中频感应加热-辊锻制坯-预成形-终锻-热切边、冲孔-热校直。
王强研发了连杆精密锻造工艺及其生产线,采用了楔横轧机自动制坯,楔横轧模具、三维计算机辅助设计,感应加热炉自动上料,坯料温度自动分选,切边、冲连皮、热校复合模具等多项新技术。可以生产各类高精度的连杆锻件,提高了生产率和产品质量。
针对轿车连杆锻件的特点、技术条件与要求,杨慎华提出一种精密辊锻—液压模锻锤模锻复合工艺,并进行了锻造工艺设计及模具设计。以广州本田轿车连杆体精密锻造成形为例,与传统的锤上模锻工艺相比,产品质量高,生产稳定可靠,节约原材料15%以上,能耗降低60%,锻件成本降低10%,已成功用于批量生产。
精密辊锻制坯-液压模锻锤锻复合工艺的工艺流程:下料-中频感应加热-四道次精密辊锻制坯-预锻-终,锻-切边-热处理-抛丸-荧光探伤-精压-检验。
2.3数值仿真
随着有限元等数值计算方法和计算机软硬件技术的发展,计算机数值仿真技术也被广泛的应用到连杆模锻中。
傅沛福研究了连杆类模具型腔曲面的几何形状,提出了一种改进的处理倒角圆弧曲面的方法,给出了一种解决三角域导矢边界条件的处理方法。并对有限元分析的三维网格自动生成进行了研究,提出了一种基于参数曲面拟合的三维网格自动生成方法。
蒲明辉阐述连杆有限元计算模型的建立方法,并详细介绍连杆载荷和约束条件的处理方法。应用IDEAS软件对连杆计算模型进行计算,得出连杆应力和变形分布图。胡忠利用在ANSYS软件上开发的大变形弹塑性热—力耦合有限元模拟软件,对机车用柴油机连杆杆身截面成形进行了热力藕合有限元模拟分析,得到了变形过程中网格变形图、流线图、等效应力和温度场的分布。王红卫导出一种基于欧拉描述的有限变形平面应变有限元计算方法,并用它模拟柴油机连杆的锻造成形过程,得到了网格变形图,等效应变分布和压力行程曲线,模拟锻造的结果同试验比较一致。吕彩琴在有限元分析的基础上,根据Good man法和应力寿命法对连杆的疲劳强度进行分析并进行了实验验证。张军用I-DEAS6.0对柴油机连杆进行了增压前后多种工况的三维有限元分析,并给出了合理的建议。
以上是采用有限元方法的数值模拟,除此之外,苏丹采用有限体积法,对一长柄连杆进行了仿真,得到了不同压下、量的锻件图、坯料的应力变化和模具的压力变化,为连杆模锻加工过程的数值模拟提供了一种新的思路。
2.4裂解加工
吉林工业大学辊锻工艺研究所寇淑清、杨慎华等在多年研究的基础上,提出了一种基于连杆模锻的裂解加工技术。已利用裂解实验装置进行了工艺试验,并研制开发出了裂解机床,可以实现连杆定位、压紧和裂解等功能。连杆裂解(也称连杆胀断)技术的原理就是利用材料断裂理论,首先将整体锻造的连杆毛坯大头孔人为产生裂痕,形成初始断裂源,然后用特定方法控制裂痕扩展,达到连杆本体与连杆盖分离的目的。裂解加工过程使裂解的连杆盖、杆接合面具有完全啮合的犬牙交错结构,以保证接合面精确相接、吻合,无需再进行接合面的加工,同时简化了连杆螺栓孔的结构设计和整体加工工艺,具有加工工序少、节省精加工设备、节材节能、产品质量高、生产成本低等优点。
2.5其他
刘业成介绍了一汽一大宇汽车发动机有限公司轿车发动机连杆的连续自动化锻造生产工艺及相关设备,并对生产过程中的质量向题给出了解决和控制方法。宋吉浩介绍了轿车发动机连杆成形各工步模具的设计制造方法,以及CAD/CAM系统在连杆模具中的应用。
王强通过分析影响连杆锻件尺寸精度的因素,提出了切边“冲连皮”校正复合新工艺,设计并研制成功了复合模,并对模具结构的设计要点及应用进行了系统阐述。
黄虹通过对制坯模膛的优化设计,介绍了中、小型连杆在模锻锤上一火成形的模锻工艺及其模具设计。
3.发展趋势
目前,模锻和模铸连杆的主、重要地位,正面临着粉末锻造钢连杆和粉末一次烧结钢连杆成形工艺的挑战。就国内现状而言,粉末冶金锻造工业虽然有了一定的发展,但要提供大批量和高质量的粉末冶金锻件还不成熟。而且涉及设备更新、技术改进等方面费用问题,在今后一个,长的时期内,国产连杆生产还将以模锻工艺为主。
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