康明斯B系列连杆工艺设计的研究与实践二

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3.8　螺栓装配拧紧
3.8.1　连杆螺栓技术要求
　　连杆螺栓是发动机中至关重要的零件，由于它的高性能要求，国产化时应慎重对待。该零件于1998年11月由上海特强汽车紧固件有限公司实现了国产化。连杆螺栓有关技术要求见表6，装配工序简图如图19所示。
: }2 l& c; M- {% X
图19　装配工序简图
表6　连杆螺栓技术要求
(mm)
, U- B; P1 w; C5 w: Q项目
技术要求
材料
ML 40Cr
  Q' f; @0 I- A. e7 _/ O热处理要求
12.9级，HRC39～42
6 Q  v* I. N: W螺纹直径
热处理后滚螺纹
( ^6 h8 U. G# fMJ11×1.25-4H6H
7 u: @0 Q  N0 _螺纹长度
26±0.50
螺栓杆长度
59±0.25
2 w0 _1 H, _5 E6 l6 z螺栓头部
- o( u) Q2 d( f( h7 d' L7 J  ?对边宽度
9 N! |, E; a; n! \12±0.06
螺栓头部高度
5.5±0.18
定位导颈直径
1 X; @5 E$ Z/ F3 M) _" N 11.075±0.075
属间隙配合为0.168(半径)
3.8.2　装配工艺及特点
; e4 D& k% t. B& Q% t　　连杆螺栓的装配采用扭矩转角法拧紧工艺，该装配法对装配工具要求甚高，为此采用了ATLAS电动组合拧紧机。该机采用ATLAS控制系统，机身由东风汽车公司设备制造厂配套制造。根据产品设计要求，其拧紧工序内容为：拧紧两螺栓扭矩达70±10N．m，然后完全松开，再拧紧两螺栓达40±5N．m后，将两螺栓再拧紧一个角度60°±5°。康明斯公司通过对合格螺栓在正确装配工艺下最终的扭矩进行统计分析，得出合格的最终扭矩范围为85～125N．m。此数据作为复验用带响定扭扳手设定值的依据。当扭矩低于85N*m时，表明螺栓强度低；当高于125N．m时，说明螺纹扭矩系数超出正常范围，可能存在螺纹干涉，或螺纹中有异物，或螺纹表面镀层质量不好，太粗糙等问题。当扭矩值超出规定范围时，拧紧机亮红灯，提示装配失效。此时应更换螺栓，重新装配。
　　用扭矩转角法拧紧螺栓到屈服区，这时螺栓伸长量的均值为0.254mm，这种状况有三大优点：
　　(1)即使在扭矩系数分散的情况下也能得到较稳定的轴向力；
- q: w' X5 q* S　　(2)最大限度地利用螺栓强度，得到大的轴向预紧力，因而能有效地减少螺栓直径，减轻重量；
5 L( n$ P0 f. l, P0 L. t7 Z  B　　(3)拧紧至屈服的螺栓承受的交变载荷幅小，疲劳强度高且防松性好。
' }7 a4 S1 F3 o2 ]( j　　需要特别指出的是：在用扭矩转角控制拧紧后，再用人力定扭扳手对螺栓进行扭矩复验，其目的是为了防止螺栓漏拧。复验扭矩值不能超过最终合格扭矩值的下限，否则会导致螺栓被拉长或断裂。在复验时，若螺栓发生转动，则有可能是漏拧、螺栓强度低或复验扭矩设定值过大。
' ]" ~6 ]3 _  T2 j　　螺栓在使用中，曾出现过批量进口连杆螺栓被拉长问题，由于其结构特性，连杆螺栓在装配工艺上需100%二次拧紧装配，这有利于该零件质量把关控制。扭矩转角法拧紧螺栓到屈服区时，如果零件机械性能不合格，零件势必会被拉长，拧紧机会发出报警，螺栓变形无法啮合。机械性能8.8级以上的螺栓入厂验收时，一般以简便的硬度检测方法替代较为复杂的机械性能破坏性试验。在硬度检测时，一般以能直接读数的洛氏硬度为首选检测手段，读测值不能有超差现象。洛氏硬度检测结果有争议时，应用布氏硬度或维氏硬度进行判定，直至采用机械性能破坏性试验裁定。
　　连杆螺栓作为发动机的关键零件，其自身质量控制至关重要。考虑到康明斯CKD连杆螺栓在使用中约有0.08%的断裂，连杆结合面、螺纹等加工质量存在一定问题，以及在维修市场中有相当数量的发动机装配采用力矩法拧紧的现状，将螺栓强度按规定上限控制和以加大螺栓杆径0.2～0.5mm的方法来适当提高螺栓强度(试验之中)，这对确保连杆螺栓国产化顺利实现和尽可能降低因连杆螺栓断裂而造成的索赔是十分必要的。
3.9　压衬套与称重去重
& L- T+ S  T7 b2 ~" p0 I　　在采用标准压床和专用夹具进行连杆衬套自定心压装时，因局部压装刚性差，造成衬套钢背切边挤伤，增设了导向装置，问题便得到解决。
/ H% [' N' u) R) J6 |/ n　　称重去重工艺采用康明斯CDC工厂的方法，用8工位抬起步伐式自动线。用400端面组合铣刀进行铣削去重，用电子天平称重。其工序内容是：测量去重面至大头孔中心的距离→称大头重量→粗铣去重块顶面及螺栓方向的两侧倒角→称大头重量→精铣去重块顶面及螺栓方向的两侧倒角→精铣去重块顶面及盖端面方向的两侧倒角→称大头重量→按合格、超轻、超重分类。由于连杆盖上去重凸表面已进行了一次拉削加工，尺寸公差控制在±0.10mm，其径向尺寸较为规范；螺栓方向的两侧面为毛坯面，受拔模斜度和锻造圆角等影响，尺寸公差较大，与实际去重量有差值，一次去重难以达到产品重量精度要求，故安排粗去重、精去重两次去重工序，以减少精去重误差。
　　产品要求以大、小头孔中心为支点，称出大头重量1498±7g。实际上与康明斯CDC工厂的检测方法不同。采用的是在大小头孔中心连线上从大头孔中心向外延伸39mm，进行单点定位测取数据，与小头孔上的两个带小圆角的刀口支承定位点一起对零件组成稳定可靠的三点支承称重。通过一个轻推去重面的装置，消除大小头孔与相应的导向定位销间存在的径向间隙，保证称重的重复精度。大头重量的称重值与大头重量的定义值可换算为：
　　大头重量的称重值＝大头重量的定义值×大小头孔中心距÷称重点至小头孔中心的距离＝1498×192÷（192＋39）＝1245（g）。
　　由于称重去重后还需精镗大小头孔，其大头孔精镗去除量为9g，所以工序精度按1254±3g控制，成品按1245±6g控制；每去重1g，其切削进给量为ΔX＝1g÷（7．8g／cm３×3．1cm×3．6cm）＝0．12mm。
4 j9 a3 F8 J. W8 Z" e　　大头重量与总成总重量的匹配，产品上无明确要求，通过对CKD进口件和国产件总成总重量对比，来不断地改进国产毛坯的质量。
　　称重去重返修设备采用标准卧式铣床及专用夹具，用小头孔圆销和大头侧面定位。通过更换小头孔定位销，可作为称重去重自动线能力补充的手段和对成品中重量超差件进行返修。对在标准铣床上称重去重后零件凸台周边的毛刺，用风动砂带机进行手工去除，能满足大批量生产要求。
7 k  s4 _9 K2 O& _' F  ?　　传感器称重并控制去重量的多工位自动线，其控制系统较为复杂且故障率较高，设备制造成本高，刀具、动能消耗也相对较高；标准铣床作为称重去重设备，虽然是低投入，低消耗，但存在劳动强度大、加工质量难以保证等问题。从目前使用状况来看，两种加工方法的设备选型都不理想，通过表7各项指标对比，选用组合专机较为经济合理。
表7　设备选型比较
- V( S+ r) u6 M: l9 y! H8 o设备名称
设备造价
  H% I( Z9 s; s(万元)
刀片使
用数量
刀　片
  n( s* U7 w4 x) |2 f耐用度
班产件数
千辆刀
片消耗
机床功率
(kW)
3 t* l3 V, h) j" E/ U. }5 L( H千辆功
1 q+ `3 f3 \, L: Y) ^2 C率消耗
* U/ {3 ^. N3 m! ^班产百辆人员
配备　(人)
+ ]( ?. `. g  z! K" M标准铣床
15
7 {0 _! F/ x. W% j5
100
/ ~! `' D( W$ a$ c8 Z5 N380
300
7.5
1026
1.5
组合专机
! [" C- ~3 w5 |% b1 O50
50
1000
400
, o9 B+ Y' O& G% L, W; b/ D300
30
4500
2 R% G" e, N' j$ B; t1
自动线
4 O8 @9 E4 A' M340
188
3000
600
6 W/ G9 g" ?( ^" |# |5 G376
/ j) r( Z6 ]1 p* ^70
5600
2
3.10　清洗
　　由于各机床都采用了大流量冷却(兼起冲洗零件的作用)的清洗方式，确保了零件在清洁状况下进行加工，为稳定工艺、保证加工质量提供一个良好的外部条件。为了满足特殊要求，在探伤工序前、装配工序前和终检工序前，均安排了清洗工序。该连杆的清洁度要求较高，成品为20mg/件，所以在装配工序前和终检工序前的清洗设备都采用了三室清洗机，零件逐件悬挂在悬链上进行自动喷射清洗，清洗液采用低温清洗剂或常温清洗剂。
4 Z* x2 ~5 `, Y$ |3.11　检验
3 U' ?% d( f9 N　　整个生产线工序质量的控制采用量仪与专用检具相结合的检测手段。对于拉结合面、半精镗大头孔、精镗小头衬套底孔与精镗大头孔、小头衬套孔等高精度工序，则采用了微机电感式检测量仪。
; _4 q3 G; d( J1 B( A( k　　检测仪由微型机和专用机械装置组成，采用IBM PC/XT-286计算机和英国产SAGNA1920型传感器，具有数字显示、数据处理、判断显示、打印、输出测量结果等功能。在测量软件支持下工作，具有测量精度高、速度快、操作简单等特点。量仪按测点布置要求设置传感器通道，并采用比较法测量，精度为：显示为辨率1μm，分辨率0.2μm，测量精度±2μm，显示精度1μm，零点漂移1.2μm/24h 。由于采用比较法测量，标准样件本身的制造精度至关重要，量仪测量精度须由高精度三坐标测量机对标准样件进行测量，并将测量结果输入计算机内来体现。
% M% h! P9 ?3 r8 k5 u* N　　采用气动量仪对精镗大头孔、小头衬套孔工序后总成零件的大小头孔径、中心距、弯扭曲五项主要指标进行定性100%检测及采用连杆最终测量仪对成品质量进行定量抽检，并指导机床调试及校正机床测量装置和气动量仪。
- e' {# B3 S, |' `　　采用电子天平对大头重量进行100%检测。
　　大小头孔中间测量仪设置在半精镗大头孔、精镗小头衬套底孔工序后，用于工序加工质量控制；中间测量仪和最终测量仪的测量内容为：孔径、孔的圆度、锥度、圆柱度、垂直度、中心距、平行度、扭曲度。共有16个测量点，其布置为每孔两截面，每截面四点测量，较为真实地反映出实物形状精度。
) {& i; X. v) c& |! ^8 S" C8 V5 f6 `　　结合面测量仪设置在拉削结合面工序后，杆盖的检测项目为：长度尺寸精度、平行度、垂直度、角度、轮廓度、倾斜度、配对公差。共有19个测量点，其布置为杆盖结合面上各三点、杆盖内外止口上各一点、螺栓窝座面上各三点。
　　微机电感式检测量仪经过生产厂家——西安航空发动机公司通用机械厂近十年的改进，已趋于完善和成熟，形成了系列化。
; }# O* i! L# K" b4　尺寸链计算(略)
$ x3 X5 _2 Y' J0 w5　工艺平面布置与厂房设计(略)
6　经济性分析(略)
! p4 v7 v- z; r7　连杆的货源鉴定
9 }' d" y! o3 a! W　　所谓的零件货源鉴定就是对重要的新产品设计或工艺重大更改后现生产产品以及重要的新供货源厂进行质量体系调查和对产品的生产样品进行全面的、严格的检验和试验，并对其结果处置的过程。
7 a1 q4 N# [5 N7 C: G7 e- O2 L+ \　　连杆货源鉴定进行了五次(40MnBH)，历时近2年。其间主要解决了连杆盲孔处断裂的质量问题，同时还发现毛坯表面质量是影响零件总成疲劳寿命的另一个主要因素。为此对毛坯表面增加了强力喷丸处理工艺，对加工中出现的零件表面磕碰现象进行了严格控制。
　　连杆零件疲劳试验所用设备为INSTRON 1346型液压伺服式疲劳试验系统，试验频率为13～14Hz。
8　连杆撑断加工新工艺
% Q  Y$ j, H. `- n9 J! |, R　　连杆撑断工艺的基本原理是：在连杆大头孔的剖分面上，加工一个V型凹槽，在该凹槽处施加一个撑开的力，由于在V形凹槽处形成应力集中，而将连杆体和连杆盖撑开，断口沿V形凹槽准确断裂，其断裂面的特性可使连杆体和连杆盖在装配时处于最佳吻合状态。
　　采用撑断工艺将连杆断开以后，结合面不再进行任何加工。断面虽然比较粗糙，但合上以后断口吻合良好，连杆体和盖会得到良好的定位，可以不必象传统连杆那样采用定位螺栓、定位销、齿形等定位方式，大大降低了成本。其优点如下：
& G- ~- N" y5 B: E) ]- J; i5 r9 d4 L　　(1)减少了加工工序数(无结合面的铣削、磨削及拉削)，使连杆的加工变得更简单，可节省机床投资和机床占地面积；
　　(2)由于结合面的特殊开口，使盖的定位准确，可保证连杆在使用过程中的精度，而不需要定位螺栓(只需普通螺栓)，并省去了螺母；
% R! E1 i  H: w8 G+ [5 A　　(3)连杆毛坯大头孔为圆形，不象传统工艺那样为椭圆形，节省了金属材料和模具费用，使连杆大头孔的粗加工变得更为简单；
　　(4)节省了操作人员；
. \# C" Z4 ]- k! v0 J　　(5)降低了生产线运行费用。
　　可以预见，材料的塑性变形及断裂方向的精确控制将是在今后推广应用中着重研究解决的课题。
; w( U* i0 L' b* ~' G8 _9　结束语
  L  H. w5 X+ R, B7 ?/ K- p　　虽然连杆加工本身所包括的工艺内容并不复杂，但由于材质、外形尺寸以及要求的加工精度，经常给加工带来不少困难。锻造毛坯的精度及刚性差、孔加工的精度低、连续带状切屑的断屑、平面加工的毛刺、因夹压和内应力的重新分布而产生的几何变形等，是加工工艺长期以来需要研究和解决的主要技术问题。随着新型刀具材料的不断出现，促进了刀具材料、加工工艺的相互替代及生产流程的变革；随着高效加工工艺的出现，更合理和更经济地安排零件的加工工艺及生产流程便成为可能。同时也应该看到，先进的制造技术仍需通过精细的工作不断地完成善和提高。实践证明，从事生产准备全过程的工程技术人员越能长时间地稳定于生产一线，零件的生产、质量状况就越好，生产加工线各方面就越稳定。其工艺设计通过现场的不断改善，最终达到设计的目标。
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