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1、YTO连杆分离面胀断工艺的开发王建明a,王林军a,王?敏b,曹淑芬a,倪献峰b(中国一拖集团有限公司 a.技术中心工艺材料研究所;b.一拖(洛阳)柴油机有限公司,河南 洛阳?471004)摘要:将高碳非调质钢 C70S6用于现有柴油机机型的 YTO连杆制造技术中,对连杆大头孔分离面加工胀断工艺进行了研究。试验表明,用该技术制造的连杆可满足产品要求。关键词:连杆;机械性能;分离面;胀断工艺中图分类号:U464.133+.4;TG115.5?文献标识码:B?文章编号:1006-0006(2010)06-0064-05Development on Fracture Splitting Process
2、 ofYTO ConrodWANG Jian?minga,WANG Lin?juna,WANG M inb,CAO Shu?fena,NIX ian?fengb(a.Technology&M aterialResearch Institute;b.YTO(Luoyang)D ieselEngine Co.,Ltd.,YTO Group Corporation,Luoyang,471004,China)Abstrac:tThe high carbon non?hardened te mpered steel C70S6 is developed and used for YTO connecti
3、ng?rodmanufacturing technology.The fracture splitting process is applied to parting face process of connecting rod big end bore.Themechanical perfor mance test sho ws that the connecting rodmade by this technology can meet the product require ment.Key words:Connecting rod;M echanical perfor mance;Pa
4、rting face;Fracture splitting process1?问题提出连杆分离面的胀断工艺是连杆制造工艺的发展方向之一,该项技术集中了力学、材料、机械制造工艺等多学科的知识与技术应用成果。连杆胀断加工与传统加工方法相比,由传统的分体加工变为整体加工,分离面为晶粒间断面的啮合,改善了结合质量;分离面无须加工就可达到准确接合。这样不仅可以省去传统加工工艺中切断或拉断连杆体和盖,以及连杆体和盖接合面拉削或磨削等工艺,而且也省去了螺栓孔铰、镗或定位键槽等精加工,从而降低了连杆体和连杆盖连接定位处的加工成本。所以,能否将此项技术应用到现有中型系列柴油机的连杆制造中,需要研究分离面胀断工艺
5、应用到 YTO连杆的可行性,为今后的生产应用提供技术支持。2?胀断材料和原有连杆材料的性能对比胀断工艺用的连杆材料不仅要有足够的脆性和强度,以此来适应制造方面和产品功能等方面的需要,即制造特性的需要和产品设计性能的需要,而且所用材料的金属切削加工工艺性、锻造工艺性、热处理工艺等也要适合胀断工艺的特性要求。目前适合连杆用的可以在胀断过程中通过控制塑性变形而使其出现脆性断裂的材料有 70#高碳钢,国内已经有钢厂可生产该种钢。现选用 C70S6作为试验用材料。送检试样材 料有 2 种,即胀断 用连杆材 料C70S6和常规用连杆材料 42Cr Mo。对其进行化学成分、硬度、金相组织、材料强度等检测试验
6、,检验报告见表 1 表 3。材料拉伸试件拉断后的照片见图 1。表 1?C70S6试件材料的化学成分检验报告及技术标准Tab.1 Inspection ReportofC70S6 Sample Chem ical co m position and Its Technical Standard%项?目w(C)w(S)w(P)w(Si)w(M n)w(Cr)w(N i)w(M o)w(Cu)w(V)w(A l)实测值0.640.0560.0230.170.540.16 0.1 0.05 0.10.030.01标准要求0.670.730.050.07?0.0450.150.250.40.7?0.20
7、?0.20?0.05?0.200.030.05?0.01?注:C70S6的硫含量比一般碳钢高,目的是提高其切削性能,减少刀具磨损。它属易切钢。收稿日期:2010-06-08?64?第 37卷第 6期?拖拉 机 与 农 用 运 输 车?Vo.l 37 No.62010 年 12 月?T ractor&Far m Transporter?Dec.,2010表 2?连杆材料 C70S6和 42Cr Mo试样的金相组织Tab.2 Metall ographic S tructure ofC70S6 and 42CrMo试样名称金相组织晶粒度脱碳层工字杆身表面深度/mmC70S6连杆珠光体+少量铁素体5
8、级(按铁素体网评定)0.05 0.3542Cr M o连杆回火索氏体+少量铁素体0.2 0.4表 3?连杆试样拉伸试验Tab.3 Tensile TestofConnecting Rod Samples试样名称C70S6连杆42Cr Mo连杆试样编号12屈服强度/MPa634665抗拉强度/MPa976808伸展率/%9.818.9收缩率/%17.841.6图 1?连杆试样拉伸试件拉断后的照片Fig.1 Photo ofConrod Tension Specm i en after Abruption2种连杆各部位的硬度测量值结果见表 4。另外,C70S6胀断连杆在 550?保温 2 h回火处
9、理后,硬度无变化。表 4?连杆各部位的硬度测量值Tab.4 HardnessMeasurementVal ues ofConnecti ng RodHB试样名称小头端面大头端面杆身工字截面心部C70S6连杆292?321292?292255?25542Cr Mo连杆248?260-241?241C70S6材料属于非调质钢,锻打的连杆毛坯靠无级变速风冷工艺使工件的硬度控制在 280 310HBS,并使铁素体析出量?10%。若硬度过高,则冷加工工艺性差;若硬度过低,则铁素体含量过高,材料的塑性会增大,而胀断过程中断口的塑性变形将影响胀断面的质量。42Cr Mo材料需要进行调质处理(淬火+回火)来提
10、高材料的性能,以满足连杆的性能要求,若调质控制不好会引起淬火变形和淬火裂纹。同时由于需要增加调质处理工序,其能源的消耗要比非调质钢要高。2种材料的微观金相组织结构照片见图 2。图 2?C70S6(非调质状态)和 42Cr M o(调质状态)材料的微观金相组织形状照片Fig.2 M etallographic Structure ofC70S6 and 42Cr Mo进行连杆螺栓孔的螺纹强度拉伸试验,得到C70S6(非调质状态)和 42Cr Mo(调质状态)2种材料的 M 12X1.25-5 H 6 H 螺纹孔强度对比试验结果(见表 5),试验过程照片见图 3 图 5所示。2种材料试验的断裂件都
11、是螺栓,而螺纹孔完整,没有破损,且螺孔强度都符合标准要求。42Cr M o(调质状态)材料的螺纹牙型经过微观检查有变形(见图 6),而C70S6材料的螺纹牙型却未发现变形。表 5?连杆螺栓孔的螺纹强度拉伸试验Tab.5 Tensil e Test ofThread Strength ofConnecting Rod BoltHol es试样名称螺纹试样编号材料孔型M12X1.25螺栓 12.9级抗拉强度标准值/kN螺栓断裂时拉力/kN42Cr Mo连杆1242Cr M o通孔?112.4136盲孔?112.4128C70S6连杆34C70S6通孔?112.4127盲孔?112.41343?胀断
12、材料锻制连杆毛坯的要求高碳非调质结构钢是为了适应连杆体和盖的胀断加工技术而开发的材料。中碳结构钢的塑性指标较高,连杆体和盖不易实现脆性断裂,如在室温下进行胀断,连杆大头孔处将产生较大的塑性变形。钢质连杆制造关键工艺表现在热加工和切削加工两个方面。典型的钢质连杆制造热加工工艺技术:锻造-热处理工艺,已经发展为 3种模式,即锻后调质处理、锻造余热淬-回火、锻后控制冷却。用非调质结构钢制造柴油机连杆采用锻前控制锻造加热温度和锻后控制冷却速度的方法,以获得所需显微组织与?65?王建明等:YTO连杆分离面胀断工艺的开发性能。其主要流程为:圆钢下料-棒料加热-辊锻-预锻-控温热模锻-切边-矫形-锻后控制冷
13、却-强化抛丸-机械加工。图 3?从左向右 42Cr Mo和 C70S6材料连杆螺纹强度拉伸试验取样部位及装夹图Fig.3 Sampling Location and Cla m ping for Tensile Test图 4?从左向右连杆螺纹强度拉伸试验联接状态和试验机及拉断情况的照片Fig.4 Testing S tate,TestingM achine and Breaking图 5?从左向右 42Cr Mo和 C70S6材料连杆螺纹强度拉伸试验拉断情况的照片图Fig.5 Abrupti on Photos in Strength Tensile Test图 6?42Cr M o和 C7
14、0S6材料连杆螺纹牙型拉伸试验拉断后的形状照片Fig.6 Thread Shapes ofConnecting Rods after AbruptionC70S6的全名是 C70S6 BY高碳钢(含微量合金的 C70S6 BY是锻造业为了胀断技术而特地开发的一种材料,?BY?是热处理类型代号)。为了改善高碳钢的切削加工性,在材料中加入了万分之六的硫。在锻造中,采用专用的 BY 风冷设备,对于胀断连杆,其风冷工序的风速、风量、时间应严格控制,否则会影响连杆的机械性能和加工性能,且风冷风速、风量、时间要求视具体的产品大小、天气等来进行调整,以得到 90%以上的珠光体和少量铁素体的组织结构。C70S
15、6锻件机械性能检测要求值见表 6。硬度检测(自检小批量试锻):280 310HBS金相检测:珠光体+铁素体,铁素体 F的体积含量?10%表 6?C70S6锻件机械性能检测要求值Tab.6 Required Values ofC70S6 Forging Perfor m ance参?数数?值抗拉强度/MPa900 1 050屈服强度/MPa?550延伸率/%?10断面收缩率/%?20C70S6是非调质钢,在锻造过程中,加热和冷却过程的温度要控制好,硬度应为 280 310HBS。试制过程中发现:如果胀断连杆毛坯硬度小于 280HBS,材料的塑性特性呈现,直接影响胀断质量;如果胀断连杆毛坯硬度大于
16、 310 HBS,对切削加工刀具的耐用度影响较大,从而使刀具寿命降低。4?胀断连杆的加工工艺4.1?制造工艺流程胀断连杆从毛坯制造到加工到成品的制造工艺流程如下:粗磨连杆两端面?粗镗?加工连杆定位面?半精镗大小头孔?加工连杆螺栓座面?加工连杆螺栓孔?激光加工裂纹槽?胀断?清理胀断面?装配连杆螺栓?压连杆衬套?精磨连杆两端面?精镗连杆大小头孔?小头孔滚光?连杆大头孔珩磨?清洗?检验。连杆胀断加工与传统加工方法相比,由传统的分体加工变为整体加工,分离面为晶粒间完全的啮合,改善了结合质量;分离面无须加工,取消了传统加工工艺中拉断连杆体、盖以及连杆体、盖结合面拉削等工艺;同时,连杆体与盖装配在一起时,
17、不再需要额外加工精确定位面,而是利用断裂面的重新啮合进行联接,用两只连杆螺栓拉紧即可。这样就简化了连杆体和连杆盖联接定位处的结构设计和加工工艺,不仅省去了定位键槽和定位销孔等精加工,降低了连杆体和连杆盖连接定位处的加工成本,而且还减少了机加工工序、设备投资和占地面积,同时也节约了能耗和刀具等费用。?66?拖拉机与农用运输车?第 6期 2010年 12月4.2?断裂槽的加工工艺在连杆胀断加工过程中,为了使连杆盖与连杆体可在远低于材料屈服强度的情况下分离,必须要有初始裂纹槽来产生应力集中效应。所以,合理设计初始裂纹槽,不仅可以提高缺口效应与应力集中系数,降低胀断力,而且还能提高断裂效率与质量。裂纹
18、槽应在锻件分离槽区域的中部,并垂直于连杆大头孔内圆柱面的法面。初始裂纹槽几何尺寸主要由 3个参数决定,即槽深 h、张角?和曲率半径 r,如图 7所示。图 7?裂纹槽几何参数示意图Fig.7 Geometry Parameters ofCracking G roove?连杆断裂槽加工有两种工艺:拉削加工和激光加工。1)采用拉削方法加工连杆大头孔的两条预制裂纹槽子,其槽宽较宽,槽深较浅。由于拉刀随着加工时间增加而磨损,使裂纹槽曲率半径 r增大,导致应力集中效应减弱,从而影响连杆大头孔在胀断时的应力效应,导致需要的胀断力增加,并且使断口效应减弱,容易引起连杆大头孔塑性变形。另外,被拉削的两个断裂槽形
19、状不一样,在连杆分离面断裂时会出现一个分离面已断开,而另一个分离面尚未完全断开的现象。2)采用激光加工连杆大头孔的两条预制裂纹槽子,其具有槽宽较窄、槽深较深、切割速度快、无刀具磨损、重复精度高的特点。另外,激光可对裂纹槽根部进行淬火处理,能进一步提高断口根部的缺口敏感性,不仅保证了脆性断裂的有效性,而且也保证了连杆大头孔在胀断后的变形量的可控性。同时,激光加工的柔性好,加工运行的费用也小,故我们倾向采用激光加工连杆断裂槽。激光预置初始裂纹槽表面的金相组织:马氏体,深度 0.025mm;表面硬度为874HV0.1,基体处硬度为 288 HV0.1;预置初始裂纹槽深度为 0.6 mm。激光预置初始
20、裂纹槽的剖面照片如图 8所示。4.3?定向胀断工艺定向胀断是连杆胀断新技术的核心工序,它不仅要以一定的加速度施加载荷,对初始裂纹槽进行充分地引裂和催裂,使裂纹沿着裂纹槽定向快速扩图 8?激光预置初始裂纹槽的剖面照片Fig.8 Section of Initi al Cracking Groove Preset by Laser展直到连杆体与连杆盖分离,而且胀断分离后的连杆盖必须能够精确复位,与连杆体在断裂的晶格面处完全啮合,以便拧紧连杆螺栓后连杆大头孔能恢复到断裂前的几何状态。另外,在定向胀断过程中,一方面必须限制大头孔变形,防止出现单边断裂或撕裂现象,这就要求施加的力要对称均匀释放;另一方面
21、连杆体和连杆盖只能发生反向直线运动,任何相对转动都会引起不必要的塑性变形而导致连杆体与连杆盖无法进行正常地合装。同时还要求液压系统及其执行机构的设计应充分满足产生断口效应的胀断速度,当胀断张开速度大于 100 mm/s时,其断口面的断面质量比较稳定 1 83。为了快速达到这一速度值,需要迅速从 0值加速到 100 mm/s,在瞬间生成足够的爆发力。形成这种爆发力的机构依靠?背压?平衡效应积聚能量 1 83,然后突然在一端瞬间释放,从而达到需要的加速度值,并释放出强大的冲击力。连杆定向胀断机床一般采用下拉式楔形胀断机构。该机构一方面通过液压油缸驱动楔形拉杆沿轴向直线运动,另一方面通过楔形面的水平
22、分力迫使专门设计的胀断移动套在水平方向呈张开趋势,从而对连杆大头孔施加强大的水平作用力,并在瞬时阶跃载荷的作用下完成连杆大头孔沿预制的应力胀断槽快速裂开。为了保证产生需要的瞬时胀断力,胀断前向连杆盖螺栓孔座面施加背压力 p,通过控制调整背压力与胀断主动载荷 F 的大小比例关系,形成良好的爆破效应,从而获得性能优良的断裂面。其原理示意见图 9所示。机床厂推荐的背压力与胀断力的大小比例关系为 1?3 1?4。由于胀断工艺的特殊性,连杆材料的选用和分离面处的结构设计应有利于连杆结合面的胀断分离;胀断连杆产品图也要结合传统连杆的产品图进行局部结构改变。当连杆分离面断开之后,在分离面上会有少量金属粉粒末
23、脱落,需要先吹净分离面后再装配连杆体与连杆盖,装配完毕再松开并第二次吹净其分离面,以确保断面表面稳定和清洁。然后再装配连杆体与连杆盖。由上述分析可知,连杆分离面采用胀断工艺后,连杆体与连杆盖为分离面?67?王建明等:YTO连杆分离面胀断工艺的开发图 9?背压胀断加工原理示意图Fig.9 Principl e of Backpressure Fracture Splitti ng Process晶粒间断面啮合,改善了连杆盖与连杆体分离面的结合质量,所以它们的分离面不需要进行切削加工,省掉了分离面的拉削加工和磨削加工,省去毛坯为切断面处加工预留的材料;同时连杆大头孔粗加工的机床也得到简化,不需要连
24、杆大头孔上下半圆和中圆分别镗削的加工工序。5?胀断连杆的可靠性试验C70S6胀断连杆在液压伺服疲劳试验机上做了疲劳试验检测。液压伺服疲劳试验机及 C70S6连杆疲劳试验断后的连杆照片见图 10。疲劳试验表明:检验结果满足产品的性能要求;试验得到此批连杆的安全系数为 1.97,符合标准规定的要求。图 10?胀断连杆在液压伺服疲劳试验机上做疲劳试验及断后照片Fi g.10 Fatigue Test ofFractured Connecti ng Rod将胀断连杆安装到 6缸增压中冷柴油机上,在台架试验台上进行 1 000 h可靠性运转,检验胀断连杆在工作中是否安全可靠。试验机型为 6缸直列水冷四冲
25、程直喷涡轮增压中冷柴油机,排量为 6.49 L,标定功率为 117 k W,标定转速为 2 200 r/m in,最大转矩为 635N?m,最大转矩转速为 1 600 r/m in。胀断连杆装配成连杆活塞总成时的照片见图 11,胀断连杆装配到柴油机上的照片见图 12。1 000 h耐久性试验后,经过拆解检验,连杆正常。试验完成后拆解下的连杆见图 13所示。图 11?胀断连杆装配成连杆活塞总成的照片Fig.11 Conrod and Piston Assembl y Using Fractured Conrod图 12?胀断连杆装配到柴油机上的照片Fi g.12 Fractured Connec
26、ting Rod Assembled in Engine图 13?经过 1 000 h耐久性试验拆检下来的胀断连杆图片Fig.13 Fractured Conrod after 1000 h Durability Test可靠性试验后拆检情况:1)连杆瓦?状态良好,无剥落、点蚀等现象;2)连杆?工作可靠,无弯曲、扭曲等现象,连杆螺栓扭矩在要求范围内,连杆瓦与连杆结合正常,胀断面结合正常,小头颜色正常,衬套孔光亮,无拉痕;3)耐磨性?小头孔径(带衬套)磨损范围为0.004 0.017 mm,大头孔径(带轴瓦)磨损范围为0.005 0.021 mm,都在产品设计允许的范围内。试验中胀断连杆工作可靠
27、,试验后拆检连杆,其胀断面正常,表明连杆胀断工艺成熟。6?结论通过对 YTO系列连杆胀断工艺的开发,可得到如下结论:1)将此项技术应用到现有的东方红中型系列柴油机的连杆上是可行的:C70S6材料按胀断工艺技术设计制作的连杆,其疲劳安全系数为 1.97,达到连杆设计要求的疲劳安全系数;将其装在柴油机上进行1 000 h可靠性试验后,不仅柴油机工作正常,而且拆下的连杆经检验也符合产品技术要求。(下转第 71页)?68?拖拉机与农用运输车?第 6期 2010年 12月这是因为随着节点发送 CAN数据帧的数据长度增加,单位时间内网络上的比特流量也增加,占用系统表 2?仿真节点发送 CAN数据帧数据长度
28、变化时记录数据表Tab.2 Change ofData Fra m e Length by Smi ulation NodeCAN数据帧数据位数012345678网络负载/%3.0 3.8 4.4 5.0 5.8 6.3 7.4 8.0 9.1图 5?节点发送 CAN数据帧数据长度与网络负载的关系图Fig.5 Re l ati on ofData Fra m e Length and Busl oad的带宽逐渐变大,系统的后备能力逐渐减弱。2.2.3?节点发送 CAN数据帧的波特率对网络负载的影响利用 CAN接口卡仿真车身舒适系统控制单元节点循环发送标准数据帧,帧 ID为 600 h,数据长度
29、为 5,数据内容为 01 02 03 04 05,设定每帧平均发送时间间隔为 20 ms,发送波特率从 5 1 000kbps,仿真开始并记录数据如表 3所示。把上面的测试数据结果拟合成节点发送 CAN数据帧波特率与网络负载的关系图,如图 6所示。从图6可以看出:网络负载随网络波特率的增大而迅速减小,当网络波特率?100 kbps以后,网络负载随网络波特率的增大而减小趋于平缓,逐渐接近于 0,即采用较大的网络波特率,可以大大提高网络的性能。表 3?仿真节点发送 CAN数据帧波特率变化时记录数据表Tab.3 Change ofData Fram e Baud Rate by Smi ulatio
30、n CAN Node发送波特率/kbps510205062.51001252505008001 000网络负载/%96.547.123.78.97.44.23.21.30.820.530.32图 6?节点发送 CAN数据帧波特率与网络负载的关系图Fig.6 Relation ofData Frame Baud Rate and Busload3?结束语基于以上仿真测试结论可得:在车载网络系统设计过程中,必须根据实际情况需要,在满足系统测控实时性要求的前提下,设置合适的节点发送 CAN数据帧时间间隔(延时),使系统具备足够的后备能力;在满足系统测控数据定义的前提下,尽量使每一个传输的 CAN数据
31、帧的数据长度为最小,避免占用过多的网络资源,以提高系统的后备能力;应尽量采用较高的网络波特率。但随着网络波特率的提高,对相应的硬件性能要求也高,考虑到汽车对价格的敏感性,必须根据实际情况需要选择合理的网络波特率,既要保证系统性能,充分利用信道,又要节约成本,避免浪费。参考文献:1?屈敏.车载 CAN总线计算机监控系统的设计与应用 J.工业控制计算机,2008(11):52-55.2?李国洪,宗群,李玉宝.CAN 总线协议分析及实验仿真系统设计 J.自动化与仪表,2009(2):16-18.3?屈敏.汽车车身舒适系统的 CAN 总线及其监控技术的研究 D.南京:南京林业大学,2007.4?彭何欢
32、,刘建军,彭樟林,等.基于 CAN-LI N总线汽车车身电控系统仿真分析 J.交通信息与安全,2009(2):152-155.(编辑?姜洪君)作者简介:屈敏(1971-),男,四川梁平人,讲师,硕士,主要研究方向为汽车电子控制技术。(上接第 68页)?2)YTO连杆分离面采用胀断工艺后,连杆体与连杆盖的分离面是晶粒间的断面啮合,其严密性比用切削加工面之间相配合接合的状态要好,可有效地防止连杆体与连杆盖的错装,只要拧紧两枚螺栓即可使分离面准确定位接合。连杆胀断技术还可使连杆承载能力、抗剪能力,连杆体与连杆盖的定位精度、装配质量大幅度提高,对柴油机生产技术水平和整机性能的提高具有重要作用。连杆体与连杆盖的加工,省去了连杆接合面的定位面与定位键槽的拉削加工,以及侧销孔的加工,简化了连杆体与连杆盖连接定位处的结构设计和加工工艺,可减少机加工工序、设备投资和占地面积,节约能耗和刀具等费用。3)掌握了相关的制造技术参数,为今后的实际应用提供技术支持。4)该工艺方法适合大批量生产应用。参考文献:1?杨慎华,张志强,寇树清.发动机连杆裂解加工关键技术的研究 J.内燃机工程,2006,10(5):80-84.(编辑?刘红云)?71?屈?敏:车载 CAN 总线网络系统测试与仿真分析