CN103691875A - 一种连杆衬套过盈装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连杆衬套过盈装配方法，由于在热锻过程中置入铜基合金的衬套，在锻造之前衬套外圆面不需要精加工，锻造刚结束时铁基合金的连杆小头孔与衬套之间的结合面很好的贴合在一起，然后，利用胀接工具将衬套与连杆小头孔进行一次胀接，既可以去除锻件冷却过程中形成的间隙，又可以实现过盈装配，整个过程不需要对连杆小头孔以及衬套外圆面进行加工，这样提高了衬套装配的一次性成功率，装配质量可靠，减少了加工工序，降低了生产成本，也提高了生产效率。

Description

一种连杆衬套过盈装配方法

技术领域

本发明涉及一种连杆衬套过盈装配方法，尤其是涉及一种汽车粉末冶金热锻连杆与铜基衬套的过盈装配方法。

背景技术

如图1所示，现代发动机中连杆1和活塞销多数是钢件，在活塞销与连杆小头孔11之间采用全浮式连接时，通常在连杆小头孔11内以一定的过盈量压入减磨锡青铜衬套或铁基粉末冶金衬套2，用以减小磨损和提高使用寿命。由于装有衬套2，在维修时，只需更换磨损的衬套2即可，既经济又简便。

目前，国内以传统的铜基合金、高锡铝基合金轴承(AlSn20Cu)广泛应用于高速、重载的发动机轴承中。其中，锡青铜材料因其在高承载时不易产生破裂等优点，而较多的被研究及应用。一些学者通过研究分析测试后得知，锡青铜具有较好的塑性变形能力，而通过旋压这种表面强化工艺方法加工后，强度有了大幅度的提高。通过控制退火温度可获得良好的综合力学性能，并有较高的表面硬度，完全能满足高速柴油机对连杆衬套的要求。

随着汽车发动机向着高转速、高负荷的方向发展，国内外已开始采用双金属铜基卷制衬套，因为具有较高的强度和刚性的钢作为衬背，内层采用具有良好耐磨性的锡青铜做衬层，从而大大提高了连杆衬套的抗冲击能力、承载能力以及耐高温能力、耐磨性和工作寿命。

连杆衬套装配技术

目前较常用的过盈装配方法有常温装配法和变温装配法，具体介绍如：

1.1、常温装配法

常温装配法是在常温下利用外力将衬套装配入连杆小头内，一般分为动压力法和静压力法。

(1)锤击法(动压力法)

利用锤头的冲击压力将衬套打入壳体，且无需专用设备，简单灵活。缺点是工件受力不均匀，工作粗暴，容易造成局部塑性变形甚至破坏，在配合过盈较大时无法保证装配质量。

(2)静压力法

利用液体或螺旋的静压力将衬套缓缓压入连杆小头内孔。例如利用油压机，螺杆压力机压装衬套。其特点是受力均匀，工作平稳，装配质量较好，但为了获得较高的压力，必须制造费用昂贵的设备。

过去一般采用常温装配法，但在实际情况下，零件的表面是不可能绝对光滑的，总有不同大小的微观不平度。如果对衬套进行常温压配时，其表面粗糙度的峰值会被挤压掉，使接触表面发生表面损伤，即有一部分过盈量要被刮削掉，使压配后的过盈量小于未装配时的过盈量，这样，实际过盈量就发生了变化。

同时，当衬套压入连杆内孔后，其外圆柱面和连杆小头孔之间存在着很大的径向压力，衬套由于受压，内孔将产生收缩变形，造成衬套内孔与活塞销的配合间隙发生变化，改变了原来间隙的配合性质，甚至造成装配困难。

所以，一般需要较大过盈量装配时，应避免采用常温装配法，而采用变温装配法。

1.2、变温装配法

变温装配法是将连杆小头孔加热或将衬套冷却法。直径较大或过盈量较大时，如果在常温下装配可能会引起零件损坏，在这种情况下应采用加热连杆小头或冷却衬套的方法进行装配，使过盈量在短时间内减少或形成间隙，方便零件的装配。当零件恢复常温后，产生设计的过盈量，其紧固程度比常温下压入的要高。

(1)加热法

利用金属材料受热膨胀和遇冷收缩且线膨胀系数较大的特点，将连杆小头加热至一定温度后装入衬套，装入时为间隙配合状况，无须加压，待连杆小头冷却收缩后变为过盈配合状态。常用的加热方法有油煮、烘房加热以及电加热等。

(2)冷却法

在连杆小头加热困难而衬套尺寸较小时，可以采用将衬套冷冻收缩后装入的方法。常用的制冷剂有：固态二氧化碳(-75℃)，液氨(-120℃)，液态氮气(-180℃)。

目前连杆衬套装配技术主要应用液氮冷装技术，即在液氮冷却下进行装配。冷装使衬套组织细化，应力重新分布且变的更为均匀，还中和掉了加工时残留的拉伸应力，使其寿命增加。

发明内容

本发明设计了一种连杆衬套过盈装配方法，解决了以下技术问题：(1)传统的连杆衬套在装配之前，必须对连杆小头孔以及衬套外径进行精加工，以保证过盈装配时两者能够紧密的结合。

(2)发动机连杆与衬套现有常温装配法无法满足较大过盈量装配要求。

(3)现有加热装配法会发生加热过程中可能产生的热应力和热变形问题。

(4)现有冷却法存在冷装后衬套内孔收缩等问题。

(5)现有连杆小头孔与衬套热锻后，在随后的冷却过程中，一个0.2mm至2.0mm的间隙会在衬套外径与连杆小头内径之间形成，影响两者的过盈配合。此间隙的形成原因是：1)衬套的热胀冷缩系数远大于连杆小头的热胀冷缩系数；2)在锻后的冷却过程中，衬套经历的温度变化不同于连杆小头所经历的温度变化。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种连杆衬套过盈装配方法，包括以下步骤：

步骤1：金属预混粉末经过压制成形和高温烧结形成连杆(1)预压件；

步骤2：将室温(25℃)下的衬套(2)置入高热(1100℃—1200℃，通常称为热锻温度)状态下的连杆预压件的连杆小头孔(11)内；

步骤3：衬套(2)与连杆(1)预压件进行锻压；

步骤4：衬套(2)与连杆(1)锻压结束冷却至室温；

步骤5：使用胀管工具在衬套(2)内孔进行胀接，使得胀接完成后连杆小头(11)与衬套(2)达到符合产品要求的过盈配合。

进一步，步骤3中衬套(2)与连杆(1)预压件同时进行锻压，实现衬套的置入。

进一步，步骤5中，在胀管工具作用下，衬套(2)的材质具有弹性变形和塑性变形的特性，连杆小头的材质具有弹性变形特性，但没有塑性变形的特性。

进一步，步骤5中，此胀接的成功由两个因素保证的：1)连杆小头材料的屈服强度是衬套材料屈服强度的2.6-3.2倍；2)连杆小头材料的弹性模量是衬套材料的弹性模量的1.8-2.2倍。

进一步，连杆(1)采用粉末冶金铁基材料，衬套(2)采用铸造锡青铜材料。

进一步，连杆(1)采用铁基合金材料，衬套(2)采用铜基合金材料。

进一步，步骤5所得的连杆及衬套表面进行抛丸强化处理。

一种根据上述连杆衬套过盈装配方法制作的发动机连杆和衬套装配件。

该连杆衬套过盈装配方法与现有连杆衬套过盈装配方法相比，具有以下有益效果：

(1)本发明在热锻过程中置入衬套，在锻造之前衬套外圆面不需要精加工，锻造刚刚结束后连杆小头孔与衬套之间的结合面很好的贴合在一起，在随后的冷却过程中形成一个0.20mm至2.0mm的间隙，然后利用胀接工具将衬套与连杆小头孔进行一次胀接即可去除间隙，并完成过盈装配，整个过程不需要对连杆小头孔以及衬套外圆面进行加工，这样提高了衬套装配的一次性成功率，装配质量可靠，减少了加工工序，降低了生产成本，也提高了生产效率。

(2)本发明与传统锤击法比较，胀接技术装配过程受力比较均匀，不会造成衬套局部变形过大甚至破坏，并且对配合过盈量较大时也适用。

(3)本发明与压力机压装衬套相比，胀接所使用的设备价格低，操作方便。

(4)本发明与液氮冷装相比，不存在冷装后衬套内孔收缩等问题，能更好的控制衬套和活塞销之间的配合间隙。

附图说明

图1：现有连杆和衬套的连接示意图；

图2：本发明中衬套与连杆预压件锻压时的温度随时间变化示意图；

图3：本发明中衬套与连杆预压件锻压时连杆小头孔和衬套外径的径向尺寸变化示意图；

图4：本发明中步骤3中使用锻造模具的结构示意图；

图5：本发明中衬套置入预压件小头孔剖面示意图；

图6：本发明中连杆及衬套在胀接过程中应力应变示意图；

图7：本发明中连杆及衬套装在膨胀力作用下轴向剖面图；

图8：本发明中连杆及衬套装在膨胀力作用下径向剖面图；

图9：本发明中使用的胀管器结构示意图。然而，此发明不局限于这种胀管器。

附图标记说明：

1—连杆；11—连杆小头孔；2—衬套；3—膨胀力；31—胀深限位套；32—胀壳；33—胀杆；34—封头螺帽；35—胀珠；36—定位螺钉；41—上冲头；42—下冲头；43—阴模；44—小头芯棒；45—大头芯棒。

具体实施方式

下面结合图2至图9，对本发明做进一步说明：

连杆粉末锻造的基本工艺包括金属预混粉末的制备、预压件压制成形、高温下对连杆预压件进行烧结以及在锻造温度下进行闭模锻造，最后进行抛丸强化处理等。

具体来说，包括以下步骤：

1、将室温(25℃)下的衬套2置入高热(1100℃—1200℃，通常称为热锻温度)状态下的连杆预压件的连杆小头孔11内，然后在热锻温度下(1100℃—1200℃)对连杆预压件和衬套2进行锻造。

该锻造原理如下：在进行热锻之前，连杆11预压件处于高温状态，此时置入时处于室温状态下的衬套2后，连杆小头孔11与衬套2之间会产生热传递——衬套2温度逐渐升高发生膨胀，连杆预压件小头温度降低发生收缩。当连杆预压件小头和衬套2温度达到一致时，两者继续冷却，直至室温。在冷却的过程中，连杆小头内径尺寸和衬套外径尺寸随着温度的降低而发生收缩，由于两者材料特性不同——铜合金衬套较铁基粉末冶金连杆收缩率大，所以衬套2会产生更大的收缩，冷却后连杆小头与衬套2将处于间隙配合。

如图2所示，连杆预压件小头及其衬套在锻造过程中的温度变化，图中A曲线表示连杆小头温度变化，B曲线表示衬套温度变化。

如图3所示，连杆小头孔内径和衬套外径的径向尺寸变化，图中A曲线表示连杆小头内孔尺寸的变化，B曲线表示衬套外径尺寸的变化。

如图4和图5所示，衬套2与连杆1预压件在连杆热锻模具中同时进行锻压。该连杆热锻模具主要包括上冲头41、下冲头42、阴模43、小头芯棒44以及大头芯棒45等，衬套2与连杆1预压件放置在阴模43中被上冲头41冲击。热锻之前，连杆预压件大头、小头以及杆身部分的密度大约为连杆成品密度的80％至90％。热锻时，模具的上下冲头相互接近将连杆预压件进行锻造致密。热锻过后，连杆各部分的密度基本达到理论密度，即7.83g/cm³，连杆的横向、纵向尺寸也发生了较大的变化。

2、使用胀管工具在衬套2内孔进行胀接，使得胀接完成后连杆小头11与衬套2达到符合产品要求的过盈配合。

如图6所示，连杆1采用铁基粉末冶金材料，衬套2采用铸造锡青铜材料，其材料机械性能如下表1：

表1连杆及衬套材料的力学性能

然而，此发明不局限于表1中具体的机械性能。

如图6所示，连杆与衬套的胀接过程基本原理如下：

AB曲线表示连杆材料的应力应变曲线，ab曲线表示衬套材料的应力应变曲线。图中X点位置表示衬套材料的屈服点，Y点位置为连杆材料的屈服点，P点表示介于两者之间的某一点。

在衬套孔内施加一定的胀紧力后，连杆小头及衬套产生径向的变形，如图所示，连杆小头沿其材料σ-ε曲线上A-B方向发生变形，衬套沿其材料σ-ε曲线上a-b方向发生变形。

当胀紧力增加到如图4所示的P点位置后(这个力的大小通过仿真和试验来确定)，去除胀紧力3。此时，铁基连杆1尚处在弹性变形范围内，而锡青铜衬套2已经发生了不可逆转的塑性变形。所以，连杆1小头沿其材料σ-ε曲线上B-A方向恢复形变，衬套则因产生了塑性变形而沿其材料σ-ε曲线上c-d方向恢复部分形变。

由图6可知，衬套2最终产生的应变大于连杆小头孔11的应变，所以连杆1小头孔会对衬套产生一定的挤压力作用，这个力的大小可以使连杆小头和衬套紧密的贴合在一起，从而实现连杆1小头与衬套2之间的过盈装配。

实施过程：首先将衬套2在锻造时置入连杆小头内孔；然后，在锻件冷却到室温之后，使用胀管设备在衬套内圆周施加胀紧力3。

如图7和图8所示。当这个膨胀力3达到试验预定值时，去除胀紧力3，连杆小头孔将基本恢复到初始尺寸，但衬套2因产生了塑性变形而只有弹性部分的尺寸恢复。

如图9所示，一种胀管器，该胀管机轴向依次为封头螺帽34、胀杆33、胀壳32、胀深限位套31以及定位螺钉36，胀珠35套在胀壳32上。然而，此发明不局限于这种胀管器。

电动胀管机在带动塞入其管孔的胀管器顺时针旋转时，由于胀管器的胀珠35与管子之间有着一定的旋转角，使得胀管器在旋转的同时沿着管子的轴线向前，加之胀管器前细后粗，使被胀管子在胀珠的滚动中逐渐被胀开，与管板孔壁紧密相接。在胀管的过程中随着胀管器的不断扩张，胀管机所提供的转矩也随之增大，胀管机的电流也随之增大，经过数字控制仪对电流的采样、放大、模数转换，数字显示实时的工作电流，经比较器与预先设定的胀管值比较，到达设定值时控制仪控制电机自动停转。经延时电路的延时间隔，控制仪又自动驱动胀管机逆时针反转，使胀管器开始松开。待松开时间到达与之预先设定的推出时间时，控制仪断开胀管机电机电源，胀管机停转，从而完成一个胀管过程。

本发明将电动胀管机用于连杆衬套过盈装配。然而，此发明不局限于这种胀管器。

此发明的发明人利用电动胀管机成功地进行了衬套-连杆小头孔胀接试验，胀接完成后小头外径尺寸基本没有变化，衬套内径增大约0.2mm，为初始尺寸的0.8％。连杆小头与衬套之间产生了较大的过盈预紧力而紧密的贴合在一起，成功地满足了连杆衬套过盈装配的要求。

电动机械式胀管机具有操作灵活，设备价格低，应用范围广、胀接效果较好等优点而在换热器、锅炉制造等行业得到广泛的应用。但是，在连杆衬套的过盈装配中，由于对衬套与连杆之间的装配精度要求较高，加之大批量生产时使用这种方法效率较低，本发明只是以此胀管工具为例来说明使用胀接技术可以实现衬套和连杆小头的过盈装配。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种连杆衬套过盈装配方法，包括以下步骤：

步骤1：金属预混粉末经过压制成形和高温烧结形成连杆(1)预压件；

步骤2：将室温(25℃)下的衬套(2)置入高热(1100℃-1200℃，通常称为热锻温度)状态下的连杆预压件的连杆小头孔(11)内；

步骤3：衬套(2)与连杆(1)预压件进行锻压；

步骤4：衬套(2)与连杆(1)锻压结束冷却至室温；

步骤5：使用胀管工具在衬套(2)内孔进行胀接，使得胀接完成后连杆小头(11)与衬套(2)达到符合产品要求的过盈配合。

2.根据权利要求1所述连杆衬套过盈装配方法，其特征在于，步骤3中衬套(2)与连杆(1)预压件同时进行锻压，实现衬套的置入。

3.根据权利要求1所述连杆衬套过盈装配方法，其特征在于：步骤5中，在胀管工具作用下，衬套(2)的材质具有弹性变形和塑性变形的特性，连杆小头的材质具有弹性变形特性，但没有塑性变形的特性。

4.根据权利要求1所述连杆衬套过盈装配方法，其特征在于：步骤5中，此胀接的成功由两个因素保证的：1)连杆小头材料的屈服强度是衬套材料屈服强度的2.6-3.2倍；2)连杆小头材料的弹性模量是衬套材料的弹性模量的1.8-2.2倍。

5.根据权利要求2、3或4所述连杆衬套过盈装配方法，其特征在于：连杆(1)采用粉末冶金铁基材料，衬套(2)采用铸造锡青铜材料。

6.根据权利要求2或3所述连杆衬套过盈装配方法，其特征在于：连杆(1)采用铁基合金材料，衬套(2)采用铜基合金材料。

7.根据权利要求1至6中任何一项所述连杆衬套过盈装配方法，其特征在于：步骤5所得的连杆及衬套表面进行抛丸强化处理。

8.一种权利要求1至7任何一项方法制作的发动机连杆和衬套装配件。

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