吳 鑫， 李曉霞， 李二紅， 李 崢， 田 甜， 劉 磊

（山西柴油機工業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 大同 037036）

0 引言

連桿是發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)的關(guān)鍵件，它的主要功能是連接活塞和曲軸，并將活塞所受的爆發(fā)壓力傳給曲軸，將活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動。某系列高速大功率柴油機的連桿部件由連桿體、連桿蓋、連桿螺栓、連桿小頭襯套以及上、下軸瓦組成，見圖1。

圖1 連桿部件三維圖

對于高速大功率柴油機，在將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能的過程中，連桿的大端孔需要承受巨大的往復(fù)力（相比一般柴油機工況更加惡略），因此，為了提高連桿的使用效能，在此種結(jié)構(gòu)的連桿大端孔的尺寸形狀上有一個橢圓度的要求，為沿活塞運動方向的直徑要小于或等于與之垂直方向的直徑，見圖2（兩個方向的要求）、圖3（三個方向的要求）。

圖2 兩個方向的要求

圖3 三個方向的要求

在實際生產(chǎn)過程中，常常出現(xiàn)機械加工后的零部件，檢驗大端孔的橢圓度符合要求，但是在整機裝配前按要求進(jìn)行復(fù)檢時，卻發(fā)生相當(dāng)數(shù)量的連桿的橢圓度測量超差，從而造成零件需要返修的狀況出現(xiàn)，不僅耽誤了整機的裝配周期，同時零件返修后也出現(xiàn)了一定數(shù)量報廢的情況。本文對該類連桿大端孔橢圓度的這種情況展開進(jìn)行分析，并通過相關(guān)試驗驗證結(jié)果分析，找出了問題發(fā)生的原因。

1 問題的出現(xiàn)過程

首先對問題出現(xiàn)的過程進(jìn)行梳理，主要從機械加工的過程，檢驗的要求，以及裝配前的復(fù)檢進(jìn)行逐一梳理。

1.1 加工和檢驗

以測量三個方向a、b、c 的連桿為例（見圖3），機械加工階段的情況如下：

1.1.1 工序安排

前期連桿相關(guān)加工工序—粗鏜大端孔- 精鏜大端孔—拆開/組合連桿體和蓋（檢驗大端孔橢圓度）—鉆鉸瓦片定位銷孔—安裝瓦片定位銷—組合連桿體和蓋—瓦孔倒角—其他后續(xù)工序。

1.1.2 大端孔最終尺寸形成的時機、狀態(tài)和要求

1）時機：在連桿大端孔的精加工工序中“粗鏜大端孔- 精鏜大端孔”；

2）狀態(tài)：連桿體和連桿蓋用連桿螺栓按要求緊固組合進(jìn)行；

3）要求：加工后在“拆開/組合連桿體和蓋”前測量孔的圓度為0.004 mm。

1.1.3 大端孔橢圓度檢驗的時機、狀態(tài)和要求

1）時機：精加工后連桿體和連桿蓋拆開一次后，在“拆開/組合連桿體和蓋（檢驗大端孔橢圓度）”工序，進(jìn)行檢測；

2）狀態(tài)：光孔，不裝瓦片，連桿體和連桿蓋用連桿螺栓按要求緊固組合進(jìn)行；

3）要求：連桿大端孔的孔徑要求不變，圓度要求放寬為0.015 mm，橢圓度a≤（b+c）/2，且最小尺寸為a。

1.2 裝配前的復(fù)驗（問題出現(xiàn)）

1）時機：裝配前；

2）狀態(tài)：庫房取出的機加后橢圓度檢測合格的連桿，檢驗時，需要將已經(jīng)緊固好的連桿部件拆開，安裝瓦片，按設(shè)計要求進(jìn)行緊固后進(jìn)行；

3）要求：a≤（b+c）/2（安裝瓦片進(jìn)行測量）；

4）問題：出現(xiàn)一些橢圓度檢驗不合格的情況。

2 現(xiàn)象和數(shù)據(jù)分析

2.1 現(xiàn)象分析

通過對比機加環(huán)節(jié)和裝配環(huán)節(jié)的橢圓度的檢驗條件狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)：

1）機加環(huán)節(jié)的橢圓度檢測是在大端孔精鏜后，對連桿體和蓋拆開，并按照規(guī)定力矩組合緊固后進(jìn)行，此時，圓度值要求由拆開前的0.004 mm 允許放寬到0.015 mm，由此分析，在設(shè)計層面已考慮了連桿的體和蓋的拆開和組合過程，對大端孔的狀態(tài)有一定的影響；

2）裝配環(huán)節(jié)復(fù)驗時，需要將連桿部件裝上瓦片進(jìn)行，因此需要將入庫后組合的連桿體和蓋再次拆開并按規(guī)定力矩組合，此時的連桿部件的狀態(tài)是在大端孔精加工后，最少又經(jīng)過了兩次及以上的大扭矩“拆開和組合連桿體和蓋”的過程，而復(fù)檢出現(xiàn)橢圓度不合格的情況，進(jìn)一步說明了連桿體和蓋的拆開和組合過程，對大端孔的狀態(tài)有影響。

由以上分析可初步認(rèn)為，連桿體和蓋的“拆開和組合”過程應(yīng)該是影響連桿大端孔的橢圓度的主要因素，同時發(fā)現(xiàn)，在尺寸方面，前后的狀態(tài)只允許圓度值發(fā)生變化，該因素也值得進(jìn)行分析。

2.2 數(shù)據(jù)測量及分析

2.2.1 半成品檢測分析

通過對機械加工過程中的半成品在完成大端孔精加工，重新組裝后的a、b、c 值測量，發(fā)現(xiàn)在a 和b、c兩個方向上的尺寸狀態(tài)不穩(wěn)定，零件狀態(tài)會隨著擱置時間的長短而發(fā)生變化，說明了機械加工過程使零件內(nèi)部產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力，而在擱置過程中，這些應(yīng)力的釋放使連桿的狀態(tài)發(fā)生了變化。

2.2.2 成品檢測分析

從存放的已檢驗合格的成品連桿部件，隨機抽取5 件，對其進(jìn)行了三次拆裝檢測，拆開前狀態(tài)及重新組裝后狀態(tài)的a、b、c 的變化數(shù)據(jù)見表1。

表1 《某型連桿大端孔測量數(shù)據(jù)》（以下數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值偏差）單位：mm

分析以上數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)：

1）在完成第三次重新組裝后，總體上連桿部件（未安裝瓦片的狀態(tài)）仍滿足a≤（b+c）/2且最小尺寸為a 的要求，但是發(fā)現(xiàn)a、b、c 數(shù)值，及（b+c）/2值總體存在變大的趨勢。

2）相比于拆開前與第一次拆裝的變化值，第二次和第三次拆裝的變化趨勢在逐步變小，并趨于穩(wěn)定。說明了隨著拆裝次數(shù)的增加會使a 和（b+c）/2的數(shù)值趨于穩(wěn)定，極有可能是由于機械加工中存在的不良內(nèi)應(yīng)力隨著反復(fù)拆裝的過程逐步釋放完畢，而為了保證存放后的連桿復(fù)檢時仍滿足設(shè)計要求，應(yīng)在加工的過程中盡量將應(yīng)力釋放完畢。

3 試驗驗證

由上分析，該問題的產(chǎn)生應(yīng)該就是由于連桿加工過程中產(chǎn)生的不良應(yīng)力在成品存放階段釋放后，使大端孔的尺寸發(fā)生了微變形，最終導(dǎo)致了復(fù)檢橢圓度的不合格。為了驗證以上分析結(jié)論，制定了以下方案：

3.1 第一次驗證

3.1.1 加工余量分析

從加工余量上看，連桿粗鏜孔的加工余量為2.3～3.0 mm，精鏜孔余量為0.7～1.0 mm；加工過程的余量均偏大，加工切深參數(shù)值設(shè)置不合理，會造成內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。

3.1.2 連桿大端孔加工工藝流程分析

前期相關(guān)機械加工—組合連桿體和蓋（第一次組合）—粗鏜大端孔—中間其他機械加工—精鏜大端孔（精加工結(jié)束）—拆開/組合連桿體和蓋（檢驗大端孔橢圓度）（第二次組合）—拆開連桿體和蓋，鉆鉸瓦片定位銷孔—安裝瓦片定位銷—組合連桿體和蓋（第三次組合）—瓦孔倒角—其他后續(xù)工序。

從加工流程分析，第一次組合連桿體和蓋以后，直到精加工結(jié)束，桿和蓋一直沒有拆過。

從受力方面分析，連桿體和蓋在組合狀態(tài)下，緊固力矩約為400 N·m，使得其兩端受力較大且集中，其位置可見圖4 的深色部分，而在較大切削量加工過程中，始終沒有對“連桿的體和蓋”進(jìn)行拆組，也是產(chǎn)生不良應(yīng)力的主要原因。

圖4 連桿體和蓋在組合時的應(yīng)力分布位置

同時，“瓦孔倒角”工序，對大端孔形成后在孔端面位置加工倒角時也會施加一定的力，有可能也會影響大端橢圓度。

3.1.3 制定工藝措施

根據(jù)分析，主要制定兩點工藝改進(jìn)：

1）減少精鏜孔的加工余量，以減少應(yīng)力產(chǎn)生，主要為：粗鏜大頭孔后，對于精鏜孔的加工余量定為0.7mm，同時精鏜孔到最終尺寸改為分兩道工步進(jìn)行，第二工步的余量控制為0.25 mm。

2）在精鏜孔前拆裝連桿桿身和蓋，以釋放加工應(yīng)力，主要為在精鏜孔前增加一道拆組連桿的工序。

3.1.4 試驗結(jié)果及分析

抽取14 件連桿進(jìn)行工藝試驗，按制定的工藝措施加工，分析連桿大端孔的變形情況。此次試驗主要為驗證，在采取了減少加工應(yīng)力的產(chǎn)生和增加了加工應(yīng)力釋放的措施后，加工質(zhì)量是否有所改善，按圖2在兩個方向上測量“精鏜大端孔”后的孔徑，以及“拆開/組合連桿體和蓋”后進(jìn)行一次拆裝。為了了解“瓦孔倒角”后是否會對大端孔產(chǎn)生影響，在該工序后進(jìn)行第二次拆裝，并測量數(shù)值，見表2。

表2 測量數(shù)據(jù)（以下數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值偏差） 單位：mm

試驗結(jié)果分析：

1）14 件樣件中，12 件精鏜后的圓度值在0～0.001 5 mm 之間，2 件超差。絕大多數(shù)連桿孔圓度均穩(wěn)定在0.004 mm 以內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

2）14 件樣件中，經(jīng)過第一次拆裝后，11 件的圓度值在0.003 5 mm 以內(nèi)（滿足了設(shè)計要求的拆裝前的0.004 mm 要求）精度大幅度提高，其余3 件為0.006 mm、0.009 mm、0.004 5 mm，均滿足了設(shè)計要求的拆裝后的0.015 mm 要求。就整體而言，精度都有了大幅度提高，所有14 件樣件的精度較拆裝前變化不大，由此說明，采用此工藝方案，不良應(yīng)力已大量釋放，拆裝連桿對于大端孔的影響已變得很小。

3）14 件樣件中，抽取了11 件進(jìn)行了“瓦孔倒角”后的第二次拆裝，測量圓度值發(fā)現(xiàn)，1 件的近似圓度值0.015 5 mm（超差），其余雖均滿足了設(shè)計要求的拆裝后的0.015 mm 要求，但部分?jǐn)?shù)值變化較大。說明，精鏜孔后的“瓦孔倒角”工序，會對大端孔的圓度變化產(chǎn)生影響。

此外，在試驗過程中還發(fā)現(xiàn)了在重新組裝緊固連桿體和蓋時，桿和蓋端面發(fā)生錯位會對圓度產(chǎn)生影響。

3.2 第二次驗證

為了驗證第一次試驗中的新發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行了第二次驗證。

3.2.1 加工方案

根據(jù)第一次的試驗結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化了工藝措施：在前期方案的基礎(chǔ)上，將連桿在精鏜孔前的拆裝次數(shù)由1 次增加為3 次，以進(jìn)一步釋放應(yīng)力；工藝流程上將“瓦孔倒角”提前到“精鏜孔”前進(jìn)行，以減小其對于大端孔成型后的影響；同時在連桿的桿和蓋組裝時嚴(yán)格控制齒槽端面，使之對齊。

3.2.2 試驗結(jié)果及分析

抽取了20 件樣本作為一個批次，對連桿連續(xù)加工，加工過程嚴(yán)格執(zhí)行新制定的工藝方案，對加工過程中的精鏜孔后、重新組裝后、裝連桿瓦后整個過程中孔的尺寸進(jìn)行測量，試驗結(jié)果測量主要分兩步進(jìn)行：

3.2.2.1 機加過程后測量（不裝瓦片）

進(jìn)行精鏜孔后及重新組裝后的連桿進(jìn)行測量，測量部位如圖2 所示，檢測數(shù)據(jù)見表3。

表3 測量數(shù)據(jù)（以下數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值偏差） 單位：mm

測量結(jié)果表明：20 件樣本中，19 件精鏜后的圓度在0～0.001 mm 之間，1 件為0.002 mm，精度滿足同時遠(yuǎn)高于設(shè)計要求的0.004 mm；第一次拆裝后，18 件在0.003 5 mm 以下，其余兩件為0.005 mm 和0.007 5 mm，同樣遠(yuǎn)高于設(shè)計要求的0.015 mm 要求，進(jìn)一步驗證了精加工孔前的拆裝對釋放應(yīng)力效果顯著。

3.2.2.2 按照裝配前要求檢驗（裝瓦片）

將這20 個連桿放置7 d 以上，然后作為一個批次進(jìn)行瓦片裝配，并進(jìn)行測量。測量部位按圖2 進(jìn)行，檢測數(shù)據(jù)見表4。

表4 測量數(shù)據(jù)（以下數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值偏差） 單位：mm

測量結(jié)果表明：20 件樣本中全部都滿足了A≤B的設(shè)計要求。

從以上試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析,精鏜孔后、第一次拆裝后，以及裝上瓦片以后，測量值均滿足了設(shè)計要求，說明所制定的工藝措施是有效的。

4 結(jié)論

通過對同類型連桿多批次的試驗測量結(jié)果表明，連桿部件裝配前橢圓度檢驗不合格的問題，是由于在加工過程的工序安排不合理，導(dǎo)致產(chǎn)生的不良應(yīng)力沒有有效釋放，雖然在機加結(jié)束后，檢測零件可滿足設(shè)計要求，但是隨著存放過程中應(yīng)力的逐步釋放，導(dǎo)致連桿部件的大端孔發(fā)生了變化，從而在裝配前橢圓度復(fù)檢時不合格，因此，在零部件的加工過程中要特別注意應(yīng)力的產(chǎn)生和釋放，原則是合理設(shè)計工序，盡量減少應(yīng)力的產(chǎn)生，同時增加應(yīng)力釋放的機會，最大程度的降低應(yīng)力對零件加工結(jié)果的影響。對于該類連桿的加工及該問題的解決給出以下建議：

1）合理安排加工工序及參數(shù)，減少最終工序（精鏜孔）的加工余量，從而減少加工過程的應(yīng)力產(chǎn)生；

2）合理安排拆組連桿的時機，在最終工序（精鏜孔）進(jìn)行前，增加應(yīng)力釋放的機會，使應(yīng)力提前釋放，避免在后期釋放影響零件的合格率；

3）對于“精鏜孔”后對大端孔形狀有影響的加工工序，在可行的情況下盡量前移，以進(jìn)一步排除后期加工對孔徑的影響。