孫 亮,羅 佳,江光月,劉東儒

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，安徽 合肥230036；2.池州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，安徽 池州247000）

農(nóng)用柴油機(jī)是農(nóng)機(jī)的心臟，連桿是柴油機(jī)的重要零部件，在工作過程中承受著較高的周期性沖擊力、慣性力和彎曲力。連桿的制造質(zhì)量直接影響著發(fā)動機(jī)的性能和可靠性，這就要求連桿具有高的強(qiáng)度、韌性和耐疲勞性能，及其很高的重量精度。在連桿總成可靠性的因素之中分合面質(zhì)量與定位關(guān)系是主要因素，因此解決好連桿體和連桿蓋之間的定位問題，不僅可以降低連桿的生產(chǎn)成本，還可以提高發(fā)動機(jī)的可靠性。由于連桿的外形比較復(fù)雜、容易變形、剛性差、尺寸精度、位置精度以及表面質(zhì)量等要求較高，所以在制造上具有一定難度。連桿漲斷加工技術(shù)（也稱連桿裂解）作為一項(xiàng)制造新工藝，于二十紀(jì)九十年代在汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家逐漸發(fā)展起來，以新穎的構(gòu)思從根本上改變了傳統(tǒng)連桿加工方法。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的制造技術(shù)逐漸不能適應(yīng)當(dāng)代的生產(chǎn)要求。先后在國內(nèi)外很多連桿生產(chǎn)廠家提出了“漲斷技術(shù)”，國內(nèi)少部分連桿生產(chǎn)廠家也已采用該技術(shù)。

1 夾具的設(shè)計(jì)及使用

1.1 專用夾具設(shè)計(jì)步驟

（1）明確設(shè)計(jì)任務(wù)與收集設(shè)計(jì)資料；

（2）擬訂夾具結(jié)構(gòu)方案與繪制夾具草圖；

（3）進(jìn)行必要的分析計(jì)算；

（4）審查方案與改進(jìn)設(shè)計(jì)；

（5）繪制夾具裝配總圖；

（6）繪制夾具零件圖。

1.2 應(yīng)力槽工裝設(shè)計(jì)

1.2.1 應(yīng)力槽設(shè)計(jì) 應(yīng)力槽開的位置應(yīng)該是在與螺釘中心孔成90°的方向上，距離螺釘座面30mm的地方。

應(yīng)力槽主要有機(jī)械加工和激光加工兩種加工方法，應(yīng)力槽的形狀主要也有兩種：一種是利用機(jī)械加工方法加工出來的“V”型槽，另一種是利用激光加工出來的矩形槽，如圖1-1。

圖1 兩種方法加工的應(yīng)力槽

圖2 定位示意圖

國內(nèi)常用的裂解槽加工方法有機(jī)械拉削、線切割，而美國RA YCON、德國AL FING和MAUSER等公司采用水刀和激光加工。

利用機(jī)械加工“V”型槽，由于C70S6BY材料的屈服強(qiáng)度較低，硬度較高，在加工過程中其刀具容易磨損，刀尖會變鈍、變短，加工出來的槽的曲率半徑就會增大，槽的深度就會減小，因?yàn)槠洹癡”型槽的曲率半徑越小，它的應(yīng)力集中效果就越好，所需的漲斷力就越小，同時增加槽的深度H也有利于減小漲斷力，但由于后續(xù)工序加工余量的限制，槽的深度不能超過一定范圍。如果刀具磨損使其“V”槽的半徑R增大，從應(yīng)力集中系數(shù)變小，導(dǎo)致裂解力增加，大頭塑性變形增大，會造成斷裂面撕裂等不良現(xiàn)象，所以在機(jī)械加工應(yīng)力槽時需要經(jīng)常檢查更換刀具，并在專用的磨刀儀上定期修磨刀具。

激光加工應(yīng)力槽是一種非?？煽康募庸し椒?，具有切縫窄、速度快、無刀具磨損、易裂解、重復(fù)精度高等特點(diǎn)，該方法加工的矩形槽尺寸穩(wěn)定，同時槽寬W很小，可控制在0.15mm之內(nèi)，應(yīng)力集中系數(shù)大，使得裂解質(zhì)量進(jìn)一步提高，而且激光可對裂紋槽缺口根部進(jìn)行淬火處理，進(jìn)一步提高缺口根部的應(yīng)力集中系數(shù)，保證脆性斷裂由于無刀具磨損，因此，該種方法目前得到了廣泛應(yīng)用。

本設(shè)計(jì)中應(yīng)力槽的加工采用激光開應(yīng)力槽，所以采用矩形槽。應(yīng)力槽參數(shù)的確定：參看很多資料各自的經(jīng)驗(yàn)值有所不同，在沒有試驗(yàn)作為依據(jù)的前提之下，只有采用資料的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)并折中，由于矩形槽寬度對漲斷力影響不是很大，所以只要求確定其深度，取0.5~0.6mm。

1.2.2 設(shè)備的選擇與改裝 激光加工應(yīng)力槽的時候都采用YAG固體激光器，但由于無法得到該設(shè)備的先關(guān)尺寸參數(shù)，所以在這種情況之下只有利用其他機(jī)床來改裝，在這里我選擇了Z525立式鉆床的工作臺作為改裝激光器的工作臺。

1.2.3 擬定定位方案 小頭孔、端面和側(cè)面定位凸臺作為定位基準(zhǔn)，端面限制Z方向上的移動和X、Y方向上的轉(zhuǎn)動，利用一個圓柱銷來限制X方向上的移動，一個可調(diào)螺釘來限制一個Z方向上的轉(zhuǎn)動，一共限制六個自由度?？恳粋€夾緊螺釘夾緊。夾緊在這里為手動夾緊，夾緊力大小暫時無法估計(jì)，但看在實(shí)際操作中進(jìn)行估計(jì)。由于該夾具采用的是一面兩銷，對該加工影響不是很大，所以定位誤差可以忽略不計(jì)。

2 漲斷工裝設(shè)計(jì)

2.1 擬定定位方案

該方案的定位與激光開應(yīng)力槽的定位差不多，用一個端面、小頭孔和側(cè)面定為凸臺作為定位基準(zhǔn)，一個端面限制X、Y方向上的轉(zhuǎn)動和Z方向上的移動，一個圓柱銷限制Y方向上的移動，側(cè)面四個氣缸相當(dāng)于一個定位銷用于限制Z方向上的轉(zhuǎn)動，限制了六個自由度，符合定位原理要求，如圖2，夾緊主要靠右側(cè)的氣缸夾緊。

2.2 工裝設(shè)計(jì)

模仿機(jī)床樣式，設(shè)計(jì)一個工作臺，工作臺右端開口處加工一燕尾槽，安裝橫向?qū)к?，?dǎo)軌對連桿起定位和導(dǎo)向作用，工作臺最上方安裝一個下拉沖擊桿，鑲嵌在導(dǎo)向槽里，沖擊桿下拉時，將沖擊力作用于正下方的楔形塊，楔形塊的四個錐面鑲嵌在漲斷套里，漲斷套有兩半圓實(shí)體組成，配合時留有1mm間隙，便于放置連桿，漲斷套小圓直徑與連桿大端內(nèi)徑相等，漲斷套上固定連桿，連桿大端由四個氣缸固定，氣缸均勻分布，氣缸橫向安裝在槽里，由螺栓緊固。如下圖3所示。

圖3 漲斷夾具裝配圖

圖4 導(dǎo)向滑塊

圖5 漲斷套、連桿、圓柱銷滑塊配合示意圖

漲斷套沿Y方向兩半實(shí)體組成，沿Z方向由兩半實(shí)體組成，兩者通過螺栓相連接，便于裝夾，上半體放置連桿大端，直于工作臺之上，下半體鑲嵌與機(jī)座內(nèi)，沿Y方向滑動，圓柱銷滑塊沿Y方向?qū)樱渥蠖嗣媾c機(jī)體向配合時，連桿沿Y方向固定，其示意圖如圖4所示，其配合如圖5示。

2.3 夾具中氣缸的選擇

類型的選擇：在漲斷加工過程中，為減少噪聲，氣缸到達(dá)行程終端時無沖擊現(xiàn)象和噪聲較小，氣缸要求有一定緩沖性。漲斷時楔形塊向下行程較小，氣缸安裝空間窄且行程短，受到橫向載荷作用，加緊時應(yīng)有較高定位精度和緊閉性。綜合多種因素氣缸應(yīng)選擇具有如下特點(diǎn)：緩沖性、質(zhì)量輕、體積小、精度高、緊鎖性好、耐熱抗腐蝕性較高等。

夾緊力計(jì)算：經(jīng)上述計(jì)算，漲斷里力N為650KN，氣缸與連桿夾緊面和漲斷面成45°，所以每個氣缸需承受 650×sin45°=459.688KN的作用力。由公式πr2×p=459.688kN，經(jīng)查SMC氣缸CU系列型號標(biāo)準(zhǔn)，壓力為0.05～0.7mpa取p最大時0.7得出r=14.46mm，即最小缸徑為Φ28.92，故選用缸徑Φ32氣缸。

在漲斷過程中，氣缸緊鎖時作用力較小，導(dǎo)桿行程較短，裂解速度v約為100mm/s，經(jīng)查閱氣缸選用標(biāo)準(zhǔn)手冊，選用：CU B32-100、單桿單作用（內(nèi)置磁環(huán)彈簧壓回式）氣缸橡膠緩沖0.0125～0.25、氣緩沖 0.28～0.70、壓力 0.05～0.7mpa、通口尺寸 1/8、速度“V”范圍是50～500mm/s，實(shí)物圖如下6圖示。

圖6 氣缸

圖7 漲斷原理示意圖

該氣缸采用磁感控制開關(guān)，緩沖性好，性能穩(wěn)定，適用于連桿批量生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定可靠、通用化程度較高、價格便宜。

2.4 緊固螺栓及墊片的選擇

氣缸的裝夾定位通過六角頭螺栓來完成，為確保氣缸長時間緊固不滑動，要求螺栓具有較高的精度，根據(jù)氣缸型號，選用A級六角頭螺栓規(guī)格如下：螺栓 M6×50，8.8級，表面氧化 GB/T5782-2000。根據(jù)螺栓的規(guī)格，選用墊片為：墊片6 GB/T93-1987。

2.5 漲斷原理和過程及裝配圖

四個均勻分布的氣缸在設(shè)定的加緊力下緊固住連桿，下拉沖擊桿在電機(jī)的作用下由一定的下拉速度和沖擊力作用于楔形塊后，楔形塊受到預(yù)設(shè)的被壓力，向下行程S距離，同時楔形塊作用于漲斷套橫向裂解力，漲斷套水平滑動一距離L，連桿漲斷面漲斷裂開，連桿在裂解力作用的同時，氣缸立即泄壓，氣缸收縮，滑塊向外滑動如圖4。速完成裂解過程在漲斷時采用“背壓”漲斷方法，并施加瞬態(tài)階躍裂解主動載荷，用于保證裂解質(zhì)程，獲得性能優(yōu)良的斷裂面。壓力機(jī)從上向下施加壓力在楔形塊上，楔形塊向下運(yùn)動，迫量。通過控制、調(diào)整背壓力與裂解主動力的大小比例關(guān)系，以高精度、高質(zhì)量、快使?jié)q斷套往兩邊運(yùn)動以達(dá)到漲斷的目的，漲斷原理示意圖7。在漲斷瞬間氣缸達(dá)到設(shè)定壓力后，氣缸立即卸壓，氣缸在此其壓力可調(diào)。

3 總結(jié)

全文以連桿的漲斷工藝中夾具的設(shè)計(jì)為研究方向，涉及連桿材料的選擇到加工夾具設(shè)計(jì)的全部過程。首先，材料選擇是一大難點(diǎn)，因?yàn)榭晒┻x擇的材料太多，而國內(nèi)關(guān)于連桿漲斷工藝的研究還不夠成熟，所以在大量閱讀國內(nèi)外關(guān)于連桿材料研究的文獻(xiàn)，考慮其力學(xué)性能、加工難易、價格方面以及普及程度等，從中選出最合適的C70S6。

[1]秦國華，張衛(wèi)紅.機(jī)床夾具的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法[M].北京：航空工業(yè)出版社，2006.

[2]王芳，李在參，羅磊.連桿脹斷加工過程數(shù)值模擬[J].汽車工藝與材料，2008(7)：34-38.

[3]廖伯愈.脹斷連桿材料C70S6的力學(xué)性能試驗(yàn)[J].汽車工藝與材料，2007(11)：23-24.

[4]李昌年.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)與制造[M].北京：工業(yè)出版社，2006.

[5]張志強(qiáng)，金文明，等.連桿裂解加工力參數(shù)數(shù)值分析[J].吉林大學(xué)學(xué)報，2009，39(4):959-960.

[6]劉慕雙，謝穎，孟慶義.連桿分開面裂解的力學(xué)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008(5):156-157.

[7]王紹俊.機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)手冊 [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

[8]寇淑清，王彥菊，等.連桿背壓裂解加工方法[J].吉林大學(xué)學(xué)報，2008，28(2):107-109.

[9]鄭祺峰，楊慎華，等.應(yīng)用ND：YAG激光加工連桿初始裂解槽[J].光學(xué)精密工程，2010，18（1）：142-147.

[10]吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[11]吳衛(wèi)榮.氣動技術(shù)[M].北京:中國輕工業(yè)出版社，2005.

[12]寇淑清，楊慎華，等.發(fā)動機(jī)連桿裂解加工技術(shù)及其應(yīng)用[J].機(jī)械強(qiáng)度，2004，26(5):538-541.

[13]寇淑清，金文明，等.內(nèi)燃機(jī)連桿制造最新技術(shù)與發(fā)展趨勢[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2006，22（1）：80-84.

[14]趙春章.pro/ENGINEER中文版機(jī)械零件設(shè)計(jì)教程[M].北京：海洋出版社，2004.

[15]路甬祥，液壓氣動技術(shù)手冊：第4卷[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.