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性能特点和作用说明 |
柴油发电机的连杆加工技术和质量要求 |
摘要：连杆是较细长的变截面非圆形杆件，其杆身截面从大头到小头逐步变小，以适应在柴油发电机工作中承受的急剧变化的动载荷。它是由连杆大头、杆身和连杆小头三部分组成，连杆大头是分开的，一半与杆身为一体，一半为连杆盖，连杆盖用螺栓和螺母与曲轴主轴颈装配在一起。连杆的尺寸精度、形状精度以及位置精度的要求都很高，但是连杆的刚性比较差，容易产生变形，这就给连杆机械加工带来了很多困难，因此必须充分的重视。
一、连杆的承载能力设计
连杆的作用是连接活塞与曲轴，并把活塞承受的气体压力传给曲轴，使活塞的往复运动变成曲轴的旋转运动，对外输出作功。在发动机工作过程中，连杆受膨胀气体交变压力的作用和惯性力的作用；连杆除应具 有足够的强度和刚度外，还应尽量减小连杆自身的质量，以减小惯性力的作用。这些连杆结构运行就是变形固体在力的作用下所表现的力学性能，如图1所示。
1、连杆的承载能力
（1）强度：连杆抵抗破坏的能力。
（2）刚度：连杆抵抗变形的能力。
（3）稳定性：连杆保持原有平衡状态的能力。
2、连杆承载能力的要求
（1）连杆应具备足够的强度，以保证在规定的使用条件下不致发生破坏。
（2）连杆应具备足够的刚度，以保证在规定的使用条件下不产生过量的变形。
（3）连杆应具备足够的稳定性，以保证在规定的使用条件下不产生失稳现象。
由上述三项连杆安全工作的基本要求可以看出：如何合理的选用材料（既安全又经济），如何恰当的确定连杆的截面形状和尺寸，便成为连杆设计中十分重要的问题。
3、承载能力分析的主要任务
如图2所示。研究连杆在外力作用下的受力、变形和破坏规律，为合理设计连杆提供有关强度、刚度和稳定性分析的基本理论和方法。
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图1 连杆作用受力示意图 |
图2 连杆承载能力分析任务 |
二、连杆结构组成
柴油发电机的连杆组主要由连杆小头、连杆杆身、连杆大头、连杆盖、连杆轴瓦、连杆衬套和连杆螺栓等部分组成，如图3所示。
1、连杆小头
连杆小头的结构通常为短圆管形，用来安装活塞销。通常以半径较大的圆弧与杆身圆滑衔接，从而减少过渡处的应力集中。在小头孔中压配有耐磨的锡青铜、铝青铜或铁基粉末冶金的薄壁衬套，以减小活塞销的磨损。为了润滑衬套和全浮式活塞销的配合表面，在连杆小头和衬套上方钻孔或铣槽，以收集飞溅下来的油雾。对采用压力润滑方式的连杆，在杆身中钻有油道，润滑油从曲轴连杆轴颈，经过杆身油道进小头衬套的摩擦表面。
2、连杆杆身
连杆杆身一般采用“工”字形断面，这是因为在材料断面面积相等的条件下，其抗弯断面模数最大，杆在轻情况下获得最大的结构刚度和强度，受力示意图如图4所示。
3、连杆大头
（1）连杆大头是连杆与曲轴连杆轴颈相连接的部分，亦是连杆轴颈的轴承部分。连杆大头一般通过孔心分成两部分，以利于拆装，其中被分开的小部分称为连杆盖（或连杆瓦盖），装配时，这两部分用两个或四个连杆螺栓连接。
（2）由于大头孔的精度要求很高，因此必须在剖分后再组合在一起进行孔的加工。孔加工后必须通过定位装置将大头盖与连杆大头之间的相对位置加以固定，以防装配时错位。同时在大头与大头盖的一侧打上配对记号，以免装错。
（3）连杆大头的剖分形式有平切口和斜切口两种。剖分面垂直于连杆杆身中心线的称为平切口。剖分面与杆身中心线倾斜成一定角度（60°~90°，通常成45°）的称为斜切口。
4、连杆螺栓
连杆螺栓一般用中碳合金钢经精加工调质处理制成。为使连杆轴瓦与大头贴合良好，防止大头剖分面在受力时产生缝隙，连杆螺栓必须具有一定的预紧力。所以各生产厂对螺栓的扭紧力矩都作了详细的规定。装配时，连杆螺栓应按一定次序、对称均匀、分2-3次逐步拧紧，达到规定的扭紧力矩。连杆螺栓紧固后，为防止其松脱，一般采用开口销、铁丝、锁紧片等锁紧。当螺纹精确加工且合理拧紧时，不加任何锁紧装置，连杆螺栓也不会松动。所以在现代柴油发电机中，连杆螺栓大多没有特别的锁紧装置。
5、连杆轴承
现代发动机用连杆轴承由钢背和减磨合金层组成，为分开式薄壁轴承。瓦背一般采用韧性较高的优质合金钢或优质碳素钢制成，它是轴承的基体，既要有足够的强度，以承受冲击性载荷，又要有合适的刚度，便于与轴承孔良好的贴合。减磨合金层具有保持润滑油膜，减少磨擦阻力和易于磨合的作用。当薄壁轴承在使用中性能变坏，间隙过大时，应直接更换新轴承。
目前柴油发电机的轴承减摩合金层主要有白合金（巴氏合金）、铜铅合金和铝基合金，其中巴氏合金轴承抗疲劳强度较低，只能用于负荷不大的汽油机，而铜铅合金或高锡铝合金轴承均具有较高的承载能力与耐疲劳性。含锡量20%以上的高锡铝合金轴承，在汽油机和柴油机上均得到广泛应用。连杆轴承的定位一方面是轴承定位唇，嵌入到连杆盖的定位槽中；另一方面，轴承外径周长较座孔周长稍大，当轴承压入座孔并用一定压力压紧后，便产生了一定的过盈量，靠合适的过盈使轴承定位。
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图3 柴油机连杆结构图 |
图4 柴油机连杆杆身应力渲染图 |
三、连杆加工工艺过程
连杆的主要加工表面为大、小头孔和两端面，较重要的加工表面为连杆体和盖的结合面及连杆螺栓孔定位面，次要加工表面为轴瓦锁口槽、油孔、大头两侧面及体和盖上的螺栓座面等。
1、定位及夹紧
（1） 粗基准的正确选择和初定位夹具的合理设计是加工工艺中至关重要的问题。在拉连杆大小头侧定位面时，采用连杆的基准端面及小头毛坯外圆三点和大头毛坯外圆二点粗基准定位方式。这样保证了大小头孔和盖上各加工面加工余量均匀，保证了连杆大头称重去重均匀，保证了零件总成最终形状及位置。
（2）在连杆杆和总成的加工中，采用杆端面、小头顶面和侧面、大头侧面的加工定位方式。在螺栓孔至止口斜结合面加工工序的连杆盖加工中，采用了以其端面、螺栓两座面、一螺栓座面的侧面的加工定位方法。这种重复定位精度高且稳定可靠的定位、夹紧方法，可使零件变形小，操作方便，能通用于从粗加工到精加工中的各道工序。由于定位基准统一，使各工序中定位点的大小及位置也保持相同。这些都为稳定工艺、保证加工精度提供了良好的条件。
2、加工顺序和阶段划分
连杆的尺寸精度、形状精度和位置精度的要求都很高，但刚度又较差，容易产生变形。连杆的主要加工表面为大小头孔、两端面、连杆盖与连杆体的接合面和螺栓等。次要表面为油孔、锁口槽等。还有称重去重、检验、清洗和去毛刺等工序。连杆是模锻件，孔的加工余量较大，切削加工时易产生残余应力。因此，在安排工艺过程时，应把各主要表面的粗、精加工工序分开。这样，粗加工产生的变形就可以在半精加工中得到修正。半精加工中产生的变形可以在精加工中得到修正，最后达到零件的技术要求同时在工序安排上先加工定位基准。连杆工艺过程可分为以下阶段：
（1） 粗加工阶段
粗加工阶段也是连杆体和盖合并前的加工阶段：主要是基准面的加工，包括辅助基准面加工，准备连杆体及盖合并所进行的加工，如两者对口面的铣、磨等。
（2）半精加工阶段
半精加工阶段也是连杆体和盖合并后的加工，如精磨两平面，半精楼大头孔及孔口倒角等。总之，是为精加工大、小头孔作准备的阶段。
（3）精加工阶段
精加工阶段主要是最终保证连杆主要表面上大、小孔全部达到图纸要求的阶段，如珩磨大头孔、精镗小头轴承孔等。
3、连杆的技术要求
连杆的小头通过活塞销与活塞连接，大头与曲轴的轴颈连接，大、小头尺寸取决于承压面积。连杆的工作温度为90～100℃，运转速度为3000～5000r/min。为保证连杆锻件顺利进入自动化精密机加工生产线和加工后的成品零件在发动机中的装配精度，同时，为了保持高速运转时其能承受频率极高的拉压交变应力，使曲轴始终处于平衡状态，要求连杆锻件具有高的强度和抗疲劳寿命。
连杆锻件在满足图纸尺寸精度的前提下还应满足如下技术和质量要求：
（1）未注模锻斜度在3°～5°之间，未注圆角半径R在2～5mm之间。
（2）非加工表面应光洁，不允许有裂纹、折叠、结疤、氧化皮（深度>1mm的凹坑）等缺陷。
（3）分模面残留飞边宽度≤0.8mm。
（3）纵剖面金属纤维方向应沿中心线方向并与外形相符，不得有紊乱和间断，不允许有气孔、裂纹、折叠和非金属夹杂物等缺陷。
（4）调质处理硬度在220～270HB之间。 应对锻件作探伤检查。 锻件上的缺陷不允许补焊。 每批锻件的质量偏差≤3%。
总结：
连杆的机械加工路线是围绕着主要表面的加工来安排的。连杆的加工路线按连杆的分合可分为三个阶段：第一阶段为连杆体和盖切开之前的加工；第二阶段为连杆体和盖切开后的加工；第三阶段为连杆体和盖合装后的加工。第一阶段的加工主要是为其后续加工准备精基准(端面、小头孔和大头外侧面);第二阶段主要是加工除精基准以外的其它表面，包括大头孔的粗加工，为合装做准备的螺栓孔和结合面的粗加工，以及轴瓦锁口槽的加工等；第三阶段则主要是最终保证连杆各项技术要求的加工，包括连杆合装后大头孔的半精加工和端面的精加工及大、小头孔的精加工。如果按连杆合装前后来分，合装之前的工艺路线属主要表面的粗加工阶段，合装之后的工艺路线则为主要表面的半精加工、精加工阶段。以上是连杆的一般加工工艺流程，具体的加工过程和工艺参数会根据连杆的设计要求、材料特性和制造工艺的不同而有所不同。
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