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发动机连杆裂解加工关键技术研究与装备开发

郑黎明  
【摘要】:与传统的连杆体与连杆盖接合面的机械加工方式相比,裂解连杆采用了可控断裂方式完成连杆体与连杆盖接合面的加工,进而简化了接合面和螺栓孔的加工工艺。它具有产品质量好、生产成本低、加工效率高、节省加工设备投资、材料利用率高等优点。对于提高发动机性能、降低汽车制造成本、提高我国汽车产品竞争力具有重要意义。因此,它极具市场竞争力和发展潜力,已成为连杆制造行业的发展方向。 裂解工艺的关键技术是连杆裂解新技术的核心,而精密高效的裂解装备则是连杆裂解新技术的应用基础。目前,国内外连杆裂解加工过程中的某些关键技术仍处于探索阶段,同时我国尚无具有自主知识产权的连杆裂解加工成套装备。因此进行连杆裂解加工关键技术研究、开发精密高效的连杆裂解加工成套装备具有重要的现实意义。本文得到了国家科技攻关项目“发动机连杆裂解技术装备研究开发”和博士点基金项目“剖分类零件断裂加工力学行为与缺陷控制”等项目的联合资助。论文以研究裂解加工关键技术,开发精密高效的连杆裂解加工装备,推动连杆裂解成套设备产业化为目标,着重对以下几个方面进行了研究: 1.研究了机械拉削、线切割和脉冲激光三种裂解槽加工方法,进行了三种裂解槽加工试样的拉伸试验,确定脉冲激光加工裂解槽的低载荷和低缺口敏感度因子优势,并给出了脉冲激光裂解槽的加工工艺要求。在垂直切割条件下,对连杆典型材料C70S6脉冲激光切槽过程进行了数值模拟和物理切割实验,获得了不同激光加工参数下的裂解槽模拟形貌和真实形貌,给出了裂解槽的深度、宽度、张角、曲率半径、连续性随激光加工参数的变化规律。在真实裂解槽切割条件下(带有切割角度),进行物理切割正交优化试验,完成了裂解槽深度和裂解槽宽度两个试验指标的极差分析和方差分析。以裂解槽的切割深度为依据,给出适用于轿车连杆和卡车连杆裂解槽加工的两组工艺参数。 数值分析及物理实验结果表明:激光加工参数对裂解槽宏观形貌影响显著,在小的负离焦量前提下,合理匹配激光加工参数可以获得理想的裂解槽宏观形貌。在影响槽深的因素中,影响因子排序为:峰值功率>脉冲时间>扫描速度;在影响裂解槽宽度的参数中,影响因子排序为:脉冲时间>峰值功率>扫描速度;在影响张角的因素中,影响因子排序为:离焦量>峰值功率>脉冲时间。扫描速度和脉冲频率是影响裂解槽连续性的主要因素,而导致烧蚀现象的主要因素是峰值功率、脉冲时间和扫描速度。 2.对C70S6连杆坯料进行性能测试,获得了不同加载速率下C70S6的本构关系。建立了连杆裂解数值模型,通过数值分析方法,研究了应力强度因子随加载速率的变化规律,分析了不同加载速率下的应力与应变场的分布情况,从而探索了加载速率对连杆裂解加工质量的影响规律。研究结果表明:随着加载速度的增加,应力强度因子下降。当加载速度大于87mm/s时,断裂面塑性区宽度下降趋于平缓,能够保证连杆发生低应力脆性断裂,大头孔变形量在合理范围内。 3.建立了定向裂解机床的液压系统数学模型,借助液压仿真分析,研究了液压元件参数对裂解加载速度的影响规律,确定了最优的液压与元件参数。构建了定向裂解机床的机电液耦合模型,在最优的液压与元件参数下,完成了恒定控制输入条件下和位移信号反馈的控制输入条件下的联合仿真分析,获取了以上两种条件下的机床加载速度特性。搭建了定向裂解机床的加载速度和工作压力检测系统,在最优的液压与元件参数下,获取了机床加载过程与空载过程的真实加载速度和工作压力特性。 机电液联合仿真表明:恒定输入条件时,机床的加载速度约为118mm/s,裂解油缸工作压力约为12MPa。位移信号反馈的控制输入时,以椭圆曲线减速最为明显,能够有效降低裂解油缸末端速度的冲击对液压系统的损害,实际机床的加载速度可参照此曲线进行控制。检测试验表明:加载过程与空载过程的加载速度和工作压力曲线相同,机床裂解工作段的真实加载速度约为110mm/s,工作压力约为12MPa,检测结果与仿真结果相近,满足裂解加工的工艺要求。 4.构建了连杆裂解成套装备的虚拟样机模型,对机械系统关键机构进行了动力学分析,获得了机构的性能指标,验证了设计方案的有效性,并进行了结构优化。动力学仿真结果表明:激光头摆动机构的最优工作压力为2.5MPa,节流阀流量系数为0.2,此时摆头动作精准可靠。对上螺栓与初拧紧工位进行了结构优化,优化后能够满足自动装配螺栓的基本要求。对连杆夹钳机构进行了结构优化,完成了夹具间隙的选择,优化后能够完成A型直连杆和B型斜连杆的整体传送和分体传送任务。 5.对连杆裂解成套装备的总体开发方案进行了规划,并完成了装备的初始开发工作。初始开发内容涵盖成套装备性能指标规划,基本工位拟定,机械系统结构开发和工作流程规划。首次研制了连杆裂解成套装备的物理样机,为保证装备的加工精度和工作效率,对物理样机进行了多方面的试验工作,根据试验结果完成了裂解成套装备的改进工作。试验工作表明:对激光工位进行了轴向间隙补偿后,能够有效提高伺服轴的传动精度。在最优工作参数下,激光头摆动精准、可靠。进行了22Nm拧紧实验,实测扭矩值与设定值误差小于1%。物理样机各工位能够协调工作,工作节拍为22s左右。 6.针对A型连杆,利用本文开发的连杆裂解成套装备物理样机进行了裂解加工试验,确定了裂解槽加工参数、裂解工序参数和螺栓装配工艺参数,完成了三大关键工序中的重要参数检测,并研究了常见裂解缺陷的产生机理。进行了批量生产考核工作,统计了产品质量信息。 裂解加工试验表明:裂解槽槽深在0.46~0.55mm范围内,槽宽在0.19~0.21mm范围内,满足裂解槽的具体要求。大头孔变形量小于0.07mm,断裂线扩展误差小于±1mm,外轮廓缺损面积小于2×1mm~2,满足裂解工序具体要求。确定终拧紧工艺参数为20Nm+95°,螺栓轴向预紧力为30380±980N,并在可塑性区域内夹紧。批量生产考核表明:连杆的一次性成品率为98.8%,总成品率为99.78%,由夹渣导致的错口缺陷占废品比例75%,说明装备的除渣能力还有待加强。


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