連桿裂斷機(jī)床的研制*＊1

陳 東 王 力 李樹(shù)軍 黃壓西 張永俊

(①?gòu)V東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006;②廣西玉柴機(jī)器集團(tuán)有限公司，廣西玉林 537005;③廣東四會(huì)實(shí)力連桿有限公司，廣東四會(huì) 526200)

1 裂斷技術(shù)

連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵零件，其質(zhì)量要求不斷提高，使用量持續(xù)增大。傳統(tǒng)工藝已難以滿足其加工要求。裂斷加工技術(shù)是目前國(guó)際上最新的連桿生產(chǎn)技術(shù)，具有加工工序少、節(jié)省精加工設(shè)備、節(jié)材節(jié)能、生產(chǎn)成本低的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

裂斷加工是在連桿大頭孔的內(nèi)圓表面開(kāi)出應(yīng)力槽，然后再對(duì)連桿施加瞬間徑向力，使連桿大頭孔從應(yīng)力槽處斷開(kāi)。裂斷后依靠分離處自然形成的粗糙耦合面嚙合精確定位，無(wú)需再進(jìn)行接合面的加工。與傳統(tǒng)連桿加工技術(shù)相比，采用裂斷技術(shù)可減少機(jī)加工工序60%，節(jié)省設(shè)備投資25%，減少刀具費(fèi)用35%，節(jié)省能源40%，生產(chǎn)成本可降低15% ～20%，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著［1－2］。

在裂斷加工技術(shù)中有3道核心工序:大頭孔預(yù)制裂紋槽工序、裂斷工序、定扭矩上螺栓工序。如圖1所示。

裂斷是在專門(mén)的裂斷設(shè)備上進(jìn)行，是3道工序中最為核心的工序。目前，國(guó)內(nèi)外采用的裂斷設(shè)備主要分為以下幾種形式［3］:

(1)楔形塊式 其原理是在欲裂斷的大頭孔內(nèi)放置兩個(gè)半圓漲套，漲套內(nèi)再放置一個(gè)楔形塊，液壓活塞桿推動(dòng)或拉動(dòng)楔形運(yùn)動(dòng)，利用楔形塊的橫向放大力推動(dòng)連桿大頭孔內(nèi)的漲套沿徑向運(yùn)動(dòng)，裂斷連桿大頭孔。楔形塊式又有“上壓式”、“下拉式”和“側(cè)拉式”等幾種。如日本 YASUNAGA公司專利［4］和德國(guó) ALFING公司專利［5］為“上壓式”結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是楔形塊受壓不易損壞，但妨礙工件從上面放入，如圖2所示。日本本田公司專利［6］、豐田公司專利［7］則采用“下拉式”結(jié)構(gòu)，其優(yōu)缺點(diǎn)與上壓式相反，如圖3所示。“側(cè)拉式”類似于“下拉式”。

(2)活塞液壓直接推動(dòng)式 把液壓油及活塞產(chǎn)生的力施加在動(dòng)套塊上，通過(guò)活塞運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)連桿裂斷。該方式不存在楔形塊與漲套之間的強(qiáng)烈摩擦問(wèn)題，但也沒(méi)有力的放大作用。

(3)偏心軸式 采用一偏心輪放入漲套內(nèi)，偏心輪旋轉(zhuǎn)推動(dòng)漲套將連桿裂斷，但偏心輪軸頸頻繁承受巨大扭矩極易損壞，較少采用。

總體來(lái)說(shuō)，楔形塊式是裂斷機(jī)床的主流，其裂斷力大、可靠性高，裂斷質(zhì)量好。通過(guò)對(duì)連桿裂斷原理和基本規(guī)律的深入研究，提出了一種新的裂斷機(jī)床方案，僅需2個(gè)油缸，即可實(shí)現(xiàn)原來(lái)使用8～10個(gè)油缸的裂斷效果，大大簡(jiǎn)化了機(jī)床結(jié)構(gòu)，而且能適應(yīng)不同規(guī)格連桿的加工要求。

2 總體方案

現(xiàn)有的楔形塊式連桿裂斷設(shè)備共有的特點(diǎn)是，兩個(gè)半圓漲套一個(gè)固定在較小的定滑臺(tái)上，另一個(gè)固定在較大的動(dòng)滑臺(tái)上，兩滑臺(tái)靠近時(shí)，兩個(gè)半圓漲套形成一個(gè)完整的圓銷，用于連桿大頭孔定位。大滑臺(tái)上另設(shè)計(jì)有一個(gè)小圓柱銷或“V”形塊，用于連桿小頭定位。在小滑臺(tái)這端外部水平布置兩個(gè)油缸，連桿定好位后，油缸活塞桿伸出直接頂住連桿兩個(gè)肩位。主油缸位于兩個(gè)半圓漲套的正上方或正下方，油缸活塞桿帶動(dòng)斜楔垂直向下運(yùn)動(dòng)，利用楔形塊的斜面推動(dòng)漲套橫向運(yùn)動(dòng)，裂斷連桿。但其缺點(diǎn)在于:①兩個(gè)水平油缸受外形尺寸限制，其活塞桿最小中心距有一極限值，無(wú)法直接作用于小規(guī)格連桿肩位，需采用過(guò)渡塊，受力情況不佳;②需要單獨(dú)使用一個(gè)油缸施加背壓力或者拉力。為解決這些問(wèn)題，本文提出了新的機(jī)床方案，見(jiàn)圖4。大小滑臺(tái)均可活動(dòng)，水平油缸換做兩個(gè)中心距可調(diào)的頂止銷，同時(shí)設(shè)計(jì)有一輔助油缸直接推拉小滑臺(tái)。其工作過(guò)程為:①輔助油缸推動(dòng)小滑臺(tái)，進(jìn)而推動(dòng)大滑臺(tái)向右移動(dòng);②放置連桿;③輔助油缸拉動(dòng)小滑臺(tái)向左復(fù)位，同時(shí)大滑臺(tái)通過(guò)連桿大頭孔，漲套跟隨同步向左移動(dòng)，連桿肩位抵住頂止銷;④主油缸帶動(dòng)楔形塊高速向下，利用斜面推動(dòng)漲套橫向運(yùn)動(dòng)，桿身連同大滑臺(tái)一起向右運(yùn)動(dòng)，與桿蓋分離，此時(shí)小滑臺(tái)被輔助油缸拉住保持靜止;⑤輔助油缸推動(dòng)小滑臺(tái)向右與大滑臺(tái)合攏，桿蓋肩部脫離頂止銷，取下桿蓋和桿身，準(zhǔn)備安裝下一根連桿，如圖5所示。

從上面過(guò)程可以看出，現(xiàn)有機(jī)床是連桿固定，油缸活塞桿伸出抵住連桿，而本文方案是頂止銷靜止，連桿運(yùn)動(dòng)貼緊頂止銷。由于頂止銷直徑遠(yuǎn)小于油缸直徑，而且中心距靈活可調(diào)，因此可以適應(yīng)各種規(guī)格，包括小規(guī)格連桿的加工?，F(xiàn)有機(jī)床單獨(dú)設(shè)計(jì)有一個(gè)油缸推動(dòng)或者拉動(dòng)大滑臺(tái)，施加所謂的“背壓力”或消除漲套與連桿大頭孔之間的間隙。本文方案的輔助油缸兼具使連桿貼緊頂止銷和消除漲套與連桿大頭孔間隙的功能，這樣省去了兩個(gè)頂住連桿肩位的油缸。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)床的傳動(dòng)裝置，以液壓油為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞，通過(guò)液壓缸這個(gè)執(zhí)行元件來(lái)完成機(jī)床整個(gè)運(yùn)動(dòng)。裂斷機(jī)床在主油缸下拉過(guò)程中要求速度至少達(dá)到100 mm/s，在其他運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有特殊的速度要求。為了節(jié)省能耗，采用蓄能器作輔助能源。當(dāng)執(zhí)行元件不工作或運(yùn)動(dòng)速度很低時(shí)，蓄能器儲(chǔ)存液壓泵的全部或部分能量;當(dāng)執(zhí)行元件，這里為拉動(dòng)楔形塊的主油缸，工作或運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)，蓄能器釋放能量與液壓泵一同向執(zhí)行元件供油，這樣系統(tǒng)可采用一個(gè)功率較小的液壓泵。當(dāng)系統(tǒng)中有蓄能器時(shí)，泵的最大供油量為一個(gè)工作循環(huán)中執(zhí)行元件的平均流量與回路泄漏量之和。在液壓系統(tǒng)中同時(shí)采用電液比例溢流調(diào)速閥，可以方便地調(diào)定溢流閥的壓力和調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的流速。液壓系統(tǒng)如圖6所示。

3.2 PLC 控制

液壓系統(tǒng)中的液壓缸的往復(fù)動(dòng)作靠PLC發(fā)訊。PLC的輸入端接收來(lái)自外部的各類開(kāi)關(guān)信號(hào)。PLC的輸出端外接中間繼電器來(lái)控制液壓系統(tǒng)中的電磁閥，從而控制液壓缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在液壓系統(tǒng)中，壓力和流量都是變化的的模擬量信號(hào)，而PLC的CPU只能處理數(shù)字量。D/A轉(zhuǎn)換器可以將PLC的數(shù)字輸出量轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流，再去控制電液比例溢流調(diào)速閥，操作時(shí)通過(guò)觸摸屏即可實(shí)現(xiàn)壓力和流量調(diào)節(jié)。部分PLC程序如圖7。

4 工藝實(shí)驗(yàn)

通過(guò)工藝實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證裂斷機(jī)床整體性能。實(shí)驗(yàn)采用的連桿尺寸參數(shù)為:材料為C70S6，大頭孔直徑41.4 mm，小頭孔直徑18 mm，中心距149 mm，厚度18 mm。液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力為9 MPa，速度大于100 mm/s。本實(shí)驗(yàn)主要分析連桿大頭孔變形量。連桿大頭孔變形量過(guò)大將導(dǎo)致后續(xù)精加工余量不足，增加連桿的廢品率，因而越小越好。圖8為某型號(hào)連桿示意圖，從科學(xué)性、準(zhǔn)確性考慮，測(cè)試d1，d2，d3三個(gè)位置的變形量。表1是裂斷機(jī)床裂斷前后大頭孔變形量的情況。

表1 mm

工藝上連桿大頭孔變形量在0.3 mm內(nèi)屬于許可范圍，因此新研制出來(lái)的裂斷機(jī)床完全滿足工藝要求。

本項(xiàng)目得到廣東省科技廳高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目支持(2009B010900008)，機(jī)床申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利。

［1］于永仁.連桿裂解工藝［J］.汽車(chē)工藝與材料，1998(9).

［2］寇淑清，楊慎華，鄧春萍，等.裂解工藝—發(fā)動(dòng)機(jī)連桿制造最新技術(shù)［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2001，12(7).

［3］Nakaoka Isao，Kawarabayashi Hajime.Breaking device of connecting rod and manufacturing method of broken connecting rod［P］.JPO，JP2005007561，2005 －01 －13.

［4］Haehnel M，Wisiewshi H.Apparatus for crack splitting an annular part［P］.CIPO，CA2298698，1999 －02 －11.

［5］鄧偉輝，張永俊.連桿漲斷加工技術(shù)現(xiàn)狀與展望［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2008，37(4):13 －17.

［6］百瀨保雄，太田熏雄，山本知彥.用于使連桿斷裂的方法和裝置［P］.中國(guó)專利，200410071275.0，2004 －07 －16.

［7］Futsuki T.Method for manufacturing fracture－divided connecting rod［P］.JPO，JP2004162809，2004 －06 －10.