CN103921097A - 一种硬基软结构内燃机连杆的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种硬基软结构内燃机连杆的制造方法，包括以下步骤：毛坯锻造、粗磨端面、镗孔、粗镗大头孔和小头孔、大头孔倒角、加工螺栓孔、胀断大头端并合装、精磨端面、半精镗大头孔和小头孔、铣瓦槽和镗油槽、精镗大头孔和小头孔、平磨大头端、磷化处理小头孔和拆盖清洗合装；连杆包括大头端、杆身和小头端，大头端和小头端分别设于杆身两端，连杆为一体式结构，连杆的大头端上设有连杆盖。本硬基软结构内燃机连杆的制造方法原理简单，通过对传统内燃机连杆的制造工艺进行改进，为硬基软结构内燃机连杆提供一种可行、可靠的制造工艺，特别是保障了连杆小头端软结构的精度和性能，同时具有工艺简单、制造成本低廉的特点，便于批量化生产。

Description

一种硬基软结构内燃机连杆的制造方法

技术领域

本发明涉及内燃机连杆的制造技术领域，特别涉及一种硬基软结构内燃机连杆的制造方法。

背景技术

传统的连杆一般由连杆本体和小头衬套组成，连杆小头衬套是传统内燃机连杆的重要组成部分，其工作可靠性受内燃机爆发压力、轴承合金材料许用比压、摩擦面油槽位置、压装工艺、摩擦表面微观形貌与活塞销受力弯曲变形等因素影响，使用中常发生衬套旋转使小头端的油孔堵塞，导致衬套合金摩擦面因缺油而烧蚀，甚至咬合。因此，连杆小头衬套失效是往复式内燃机运动件常见的失效形式之一。

为解决上述问题，目前在理论研究中，也有“硬基软结构内燃机连杆”的出现（如公开号为CN102758836A的发明申请），该结构的连杆主要是对小头端的结构进行优化设计，取消滑动衬套的使用，转而采用硬基软结构，即连杆小头端采用抗拉强度σ_b≥700N/mm²的钢材或合金材料作为硬基材料，将连杆小头孔受力面下端由刚性结构改为局部柔性结构；使用时，气缸压力通过活塞销作用到连杆上，连杆小头孔沿轴向发生的弹性变形同与连杆小头孔配合的活塞销沿轴线产生的弯曲变形相适应，从而避免了工作中摩擦面微观局部“硬接触点”的产生和摩擦面“咬合”现象的发生。

然而，该结构设计目前仅停留于理论研究阶段，并未有相应的生产工艺可对其进行制造。传统的内燃机连杆一般通过以下工艺实现：对毛坯进行粗磨杆身两端面、选大头作为定位基准镗大小头孔、加工螺栓孔、分离连杆杆身和连杆盖、合装、半精镗大小头孔、压装滑动衬套、精磨杆身两端面、精镗大小头孔。其中，压装滑动衬套可能出现的问题包括：衬套与连杆小头孔内壁的贴合度超差、衬套表面刮伤，从而影响衬套的疲劳寿命；衬套沿连杆轴线压装不对称和超出小头厚度，影响承压面的强度。而对于硬基软结构内燃机连杆，由于取消了滑动衬套，所以在制造中可避免上述问题的出现，但由于柔性支撑的特殊构造、连杆大小头厚度不等以及对关键部位和尺寸的特殊要求，出现了新的工艺难点臻待解决，包括：锻造和加工如何保证瓦状支撑结构的对称度（即上下模不错位和瓦状支撑结构外端面距对称面距离相等）；孔加工时，在满足中心距的前提下如何保证瓦状支撑结构的厚度符合要求；加工过程如何保证大小头宽不等时的定位可靠性。

由此可见，硬基软结构内燃机连杆与传统内燃机连杆相比具有显著不同的特点，传统的连杆制造工艺无法满足该结构连杆的加工要求，需要对制造工艺进行改进。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种硬基软结构内燃机连杆的制造方法，通过该方法制得的连杆性能稳定、精度也较高。

本发明的技术方案为：一种硬基软结构内燃机连杆的制造方法，包括以下步骤：

（1）毛坯锻造：采用型号为70MnVS的合金结构钢进行连杆的毛坯锻造；

（2）粗磨端面：对连杆的上下两端面进行粗磨，粗磨完成后，大头端的上端面和小头端的上端面位于同一水平面内，大头端的下端面和小头端的下端面位于同一水平面内；该过程可采用立式磨床或双端面磨床完成；

（3）镗孔：先在小头端镗小头孔，形成的小头孔带有瓦状支撑段；然后以小头孔为定位基准，在大头端镗大头孔，初步确定大头孔和小头孔的位置及孔状；

（4）粗镗大头孔和小头孔：分别对连杆小头孔和大头孔进行粗镗加工，初步确定大头孔和小头孔的孔径和中心距；

（5）加工大头孔倒角：加工大头孔两端的倒角；

（6）加工螺栓孔：先在大头端两侧分别铣出两个螺栓孔肩位，然后钻出两个螺栓孔，接着对两个螺栓孔进行倒角，最后攻丝；

（7）胀断大头端并合装：使用线切割在大头孔内切出2个裂解槽；接着对连杆进行清洗；再使用胀断机胀断大头端，使用拧紧机将杆身和连杆盖合装起来并采用扭矩转角法控制螺栓预紧力；

（8）精磨端面：对连杆的上下两端面进行精磨，直至小头孔的瓦状支撑段上下两端面之间的厚度达到预设的厚度值；精磨完成后，大头端的上端面和小头端的上端面仍位于同一水平面内，大头端的下端面和小头端的下端面仍位于同一水平面内；该过程可采用立式磨床或双端面磨床完成；

（9）半精镗大头孔和小头孔：分别对连杆小头孔和大头孔进行半精镗加工；

（10）铣瓦槽和镗油槽：在小头孔的瓦状支撑段两端分别镗出两个圆弧形的油槽，在大头孔杆身与连杆盖的相接处铣出瓦槽；

（11）精镗大头孔和小头孔：分别对连杆小头孔和大头孔进行精镗加工；

（12）平磨大头端：平磨大头端的上下两端面，直至大头端上下两端面之间的厚度达到预设的厚度值；

（13）磷化处理小头孔：对小头孔内进行锰盐磷化处理，直至磷化层厚度达到预设的厚度值；

（14）拆盖清洗合装：将螺栓拧下使连杆盖和连杆分离，清洗之后，将连杆和连杆盖合装起来，并控制拧紧力矩；

其中，连杆包括大头端、杆身和小头端，大头端和小头端分别设于杆身两端，连杆为一体式结构，连杆的大头端上设有连杆盖。

所述步骤（1）中，选用屈服强度σ_s>550N/mm²，抗拉强度σ_b为900～1050N/mm²的70MnVS合金结构钢作为硬基材料锻造出毛坯；锻造时，错模量为0.5mm。

所述步骤（2）中，粗磨端面时，上下两端面之间的对称度为0.5mm。

所述步骤（3）中，镗孔时，先依据小头孔的位置尺寸，即瓦状支撑段外侧面靠近杆身方向的圆弧最低点与小头孔靠近杆身方向的圆弧内表面最低点间的距离来加工小头孔，然后根据大头孔和小头孔之间的中心距确定大头孔的位置并加工。

所述步骤（13）中，对小头孔进行磷化处理之前，先对连杆进行打配对字码和厂标，然后进行清洗、综合检测和称重分组；对小头孔进行磷化处理时，小头孔内及小头孔各表面同时进行磷化处理。

所述步骤（3）中，瓦状支撑段的壁厚为5.9mm；

步骤（7）中，裂解槽的槽深为0.5mm；

步骤（8）中，瓦状支撑段上下两端面之间的厚度为44mm；

步骤（12）中，大头端上下两端面之间的厚度为40.8mm。

所述步骤（13）中，磷化层的厚度为6～10μm。

所述步骤（7）中，根据实际需要，加工裂解槽之前，可先在大头端一侧的螺栓孔端部铣出杆外定位面。

上述方法中，两个瓦状支撑段作为柔性结构的关键部分，应具有较高的对称度，包括上下模不错位和两个瓦状支撑段外端面距对称面距离相等，以更好地适应工作时活塞销沿轴向产生的弯曲变形，锻造过程主要通过校模严格控制错模量以保证上下模不错位。对于瓦状支撑段外圆弧面母线与小头孔轴线间的夹角、小头孔本体的宽度、杆身上的加强筋与瓦状支撑段之间的圆弧连接过渡半径、杆身与瓦状支撑段之间的圆弧过渡连接半径、瓦状支撑段与小头孔本体之间的连接弧半径、瓦状支撑结构厚度等影响柔性结构刚性的关键参数，作为非加工尺寸，可在模具设计阶段予以保证。

通过上述方法制得的硬基软结构内燃机连杆，带柔性结构的小头端分为小头孔本体和柔性支撑两部分，其中，小头孔本体上设有一个完整等直径圆孔的小头孔，小头孔的上下两端面相互平行，在小头孔朝向杆身方向的圆弧内表面沿轴向设有两条贯穿小头孔的圆弧形油槽；位于小头孔上下两端各有一段沿轴向分别向外延伸的呈敞开状的小于半圆孔形式的瓦状支撑段，该结构为柔性支撑结构，两个瓦状支撑段对称分布于小头孔的上下两端面上，瓦状支撑段的敞开端朝向连杆的小头端方向，且瓦状支撑段的内圆弧面是小头孔内圆弧面的延伸。作为一种优选方案，瓦状支撑段的厚度沿轴向向两端逐渐变薄，且瓦状支撑段与小头孔本体之间为平滑过渡的连接弧连接。另外，将小头孔本体和柔性支撑的主要结构尺寸限定在一个范围内，如瓦状支撑段的厚度、瓦状支撑段与小头孔本体之间的连接弧半径、瓦状支撑段外端面之间的宽度与小头孔本体宽度的比值等，可达到柔性结构的设计目的。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本硬基软结构内燃机连杆的制造方法原理简单，通过对传统内燃机连杆的制造工艺进行改进，为硬基软结构内燃机连杆提供一种可行、可靠的制造工艺，特别是保障了连杆小头端软结构的精度和性能，同时具有工艺简单、制造成本低廉的特点，便于批量化生产。

另外，本硬基软结构内燃机连杆的制造方法中，省去了压装滑动衬套环节，避免了该工序可能出现的以下问题：衬套与小头孔内壁贴合度较差、衬套表面刮伤，影响衬套的疲劳寿命；衬套沿连杆轴线压装不对称或超出小头端厚度，影响承压面的强度。将精磨杆身两端面的工序提前，使半精镗、铣瓦槽、镗油槽和精镗工序相接，可减少工件装夹和机床调整及工件周转、搬运和存放时间，提高了工作效率。

附图说明

图1为本方法制得的硬基软结构内燃机连杆的结构示意图。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为图1的I局部视图。

图4为本硬基软结构内燃机连杆的毛坯结构示意图。

图5为本硬基软结构内燃机连杆的毛坯小头端结构示意图。

图6为本硬基软结构内燃机连杆的大头端中螺栓孔及裂解槽的位置分布图。

图7为图6的Ⅱ局部视图。

图8为本硬基软结构内燃机连杆的大头端胀断示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例一种硬基软结构内燃机连杆的制造方法，包括以下步骤：

（1）毛坯锻造：采用型号为70MnVS的合金结构钢进行连杆的毛坯锻造，得到的毛坯结构如图4所示；

该过程中，选用屈服强度σ_s>550N/mm²，抗拉强度σ_b为900～1050N/mm²的70MnVS合金结构钢作为硬基材料锻造出毛坯；锻造时，错模量为0.5mm；如图5所示，小头端的各尺寸分别为：L2=23mm、α1=7°、R1=8mm、R2=15mm、R3=20mm，以上各尺寸在模具设计及锻造阶段予以保证；

（2）粗磨端面：对连杆的上下两端面进行粗磨，粗磨完成后，大头端的上端面和小头端的上端面位于同一水平面内，大头端的下端面和小头端的下端面位于同一水平面内；该过程可采用立式磨床或双端面磨床完成；

粗磨端面时，上下两端面之间的对称度为0.5mm；

（3）镗孔：先在小头端3镗小头孔3-1，形成的小头孔带有瓦状支撑段3-2（其余部分为小头孔本体3-3）；然后以小头孔为定位基准，在大头端1镗大头孔1-1，初步确定大头孔和小头孔的位置及孔状；

镗孔时，先依据小头孔的位置尺寸，即瓦状支撑段外侧面靠近杆身方向的圆弧最低点与小头孔靠近杆身方向的圆弧内表面最低点间的距离来加工小头孔，然后根据大头孔和小头孔之间的中心距确定大头孔的位置并加工；

如图2所示，瓦状支撑段的壁厚H1=5.9mm，中心距L4=200mm；

（4）粗镗大头孔和小头孔：分别对连杆小头孔和大头孔进行粗镗加工，初步确定大头孔和小头孔的孔径和中心距；

（5）加工大头孔倒角：加工大头孔两端的倒角；

（6）加工螺栓孔：如图6所示，先在大头端两侧分别铣出两个螺栓孔肩位5，然后钻出两个螺栓孔6，接着对两个螺栓孔进行倒角，最后攻丝；

（7）胀断大头端并合装：如图6所示，先在大头端一侧的螺栓孔端部铣出杆外定位面7；如图6或图7所示，然后使用线切割切出大头孔内的2个裂解槽1-2；接着对连杆进行清洗；如图8所示，再使用胀断机胀断大头端，使用拧紧机将杆身2和连杆盖4合装起来并采用扭矩转角法控制螺栓预紧力；

其中，裂解槽的槽深为0.5mm；

（8）精磨端面：对连杆的上下两端面进行精磨，直至小头孔的瓦状支撑段上下两端面之间的厚度达到预设的厚度值；精磨完成后，大头端的上端面和小头端的上端面仍位于同一水平面内，大头端的下端面和小头端的下端面仍位于同一水平面内；该过程可采用立式磨床或双端面磨床完成；

如图2所示，其中，瓦状支撑段上下两端面之间的厚度为L1=44mm；

（9）半精镗大头孔和小头孔：分别对连杆小头孔和大头孔进行半精镗加工；

（10）铣瓦槽和镗油槽：如图1所示，在小头孔的瓦状支撑段两端分别镗出两个圆弧形的油槽3-4，在大头孔与连杆盖的相接处铣出瓦槽1-3；

（11）精镗大头孔和小头孔：分别对连杆小头孔和大头孔进行精镗加工；

步骤（10）和（11）中，利用夹具将连杆固定于加工中心的工作台上，如图3所示，通过油槽中心与小头孔中心连线同小头孔垂直中心线之间的夹角α2、α3，油槽的深度H2、H3和油槽的圆弧直径D3、D4确定镗刀的尺寸和位置，如图1及图2所示，通过瓦槽的宽度H6、深度H4、圆弧直径D5及长度方向中心线与大头端的端面距离H5确定铣刀的尺寸及位置，然后利用加工中心自动换刀一次操作顺序完成铣瓦槽、镗油槽和精镗大小头孔，以提高工作效率；本实施例中，D1=44mm、D2=79mm、D3=25mm、D4=16mm、D5=16mm、H2=0.15mm、H3=0.25mm、H4=1.8mm、H5=11.21mm、H6=4.76mm、α2=α3=50°；

（12）平磨大头端：平磨大头端的上下两端面，直至大头端上下两端面之间的厚度达到预设的厚度值；

其中，大头端上下两端面之间的厚度为L3=40.8mm；

（13）磷化处理小头孔：对小头孔内进行锰盐磷化处理，直至磷化层厚度达到预设的厚度值；

其中，磷化层的厚度为6～10μm。

（14）拆盖清洗合装：将螺栓拧下使连杆盖和杆身分离，清洗之后，将杆身和连杆盖合装起来，并控制拧紧力矩；

上述结构中，如图1或图4所示，连杆包括大头端1、杆身2和小头端3，大头端和小头端分别设于杆身两端，连杆为一体式结构，连杆的大头端上设有连杆盖4。

步骤（13）中，根据实际需要，可以增加以下工序：对小头孔进行磷化处理之前，先对连杆进行打配对字码和厂标，然后进行清洗、综合检测和称重分组；对小头孔进行磷化处理时，小头孔内及小头孔各表面同时进行磷化处理。

上述方法中，两个瓦状支撑段作为柔性结构的关键部分，应具有较高的对称度，包括上下模不错位和两个瓦状支撑段外端面距对称面距离相等，以更好地适应工作时活塞销沿轴向产生的弯曲变形，锻造过程主要通过校模严格控制错模量以保证上下模不错位。对于瓦状支撑段外圆弧面母线与小头孔轴线间的夹角、小头孔本体的宽度、杆身上的加强筋与瓦状支撑段之间的圆弧连接过渡半径、杆身与瓦状支撑段之间的圆弧过渡连接半径、瓦状支撑段与小头孔本体之间的连接弧半径、瓦状支撑结构厚度等影响柔性结构刚性的关键参数，作为非加工尺寸，可在模具设计阶段予以保证。

通过上述方法制得的硬基软结构内燃机连杆，带柔性结构的小头端分为小头孔本体和柔性支撑两部分，其中，小头孔本体上设有一个完整等直径圆孔的小头孔，小头孔的上下两端面相互平行，在小头孔朝向杆身方向的圆弧内表面沿轴向设有两条贯穿小头孔的圆弧形油槽；位于小头孔上下两端各有一段沿轴向分别向外延伸的呈敞开状的小于半圆孔形式的瓦状支撑段，该结构为柔性支撑结构，两个瓦状支撑段对称分布于小头孔的上下两端面上，瓦状支撑段的敞开端朝向连杆的小头端方向，且瓦状支撑段的内圆弧面是小头孔内圆弧面的延伸。作为一种优选方案，瓦状支撑段的厚度沿轴向向两端逐渐变薄，且瓦状支撑段与小头孔本体之间为平滑过渡的连接弧连接。另外，将小头孔本体和柔性支撑的主要结构尺寸限定在一个范围内，如瓦状支撑段的厚度、瓦状支撑段与小头孔本体之间的连接弧半径、瓦状支撑段外端面之间的宽度与小头孔本体宽度的比值等，可达到柔性结构的设计目的。

对该连杆进行1000h的发动机可靠性试验，小头孔内未发生异常磨损，试验结束测量小头孔径向最大磨损量为0.005mm，小头孔沿轴向未发生任何塑性变形，证明了该工艺生产的硬基软结构连杆能够顺应活塞销变形，避免“咬合”现象的发生，具有可靠性较好。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (8)

1.一种硬基软结构内燃机连杆的制造方法，其特征在于，包括以下步骤： 

(1)毛坯锻造：采用型号为70MnVS的合金结构钢进行连杆的毛坯锻造； 

(2)粗磨端面：对连杆的上下两端面进行粗磨，粗磨完成后，大头端的上端面和小头端的上端面位于同一水平面内，大头端的下端面和小头端的下端面位于同一水平面内； 

(3)镗孔：先在小头端镗小头孔，形成的小头孔带有瓦状支撑段；然后以小头孔为定位基准，在大头端镗大头孔，初步确定大头孔和小头孔的位置及孔状； 

(4)粗镗大头孔和小头孔：分别对连杆小头孔和大头孔进行粗镗加工，初步确定大头孔和小头孔的孔径和中心距； 

(5)加工大头孔倒角：加工大头孔两端的倒角； 

(6)加工螺栓孔：先在大头端两侧分别铣出两个螺栓孔肩位，然后钻出两个螺栓孔，接着对两个螺栓孔进行倒角，最后攻丝； 

(7)胀断大头端并合装：使用线切割在大头孔内切出2个裂解槽；接着对连杆进行清洗；再使用胀断机胀断大头端，使用拧紧机将杆身和连杆盖合装起来并采用扭矩转角法控制螺栓预紧力； 

(8)精磨端面：对连杆的上下两端面进行精磨，直至小头孔的瓦状支撑段上下两端面之间的厚度达到预设的厚度值；精磨完成后，大头端的上端面和小头端的上端面仍位于同一水平面内，大头端的下端面和小头端的下端面仍位于同一水平面内； 

(9)半精镗大头孔和小头孔：分别对连杆小头孔和大头孔进行半精镗加工； 

(10)铣瓦槽和镗油槽：在小头孔的瓦状支撑段两端分别镗出两个圆弧形的油槽，在大头孔杆身与连杆盖的相接处铣出瓦槽； 

(11)精镗大头孔和小头孔：分别对连杆小头孔和大头孔进行精镗加工； 

(12)平磨大头端：平磨大头端的上下两端面，直至大头端上下两端面之 间的厚度达到预设的厚度值； 

(13)磷化处理小头孔：对小头孔内进行锰盐磷化处理，直至磷化层厚度达到预设的厚度值； 

(14)拆盖清洗合装：将螺栓拧下使连杆盖和杆身分离，清洗之后，将杆身和连杆盖合装起来，并控制拧紧力矩； 

其中，连杆包括大头端、杆身和小头端，大头端和小头端分别设于杆身两端，连杆为一体式结构，连杆的大头端上设有连杆盖。 

2.根据权利要求1所述一种硬基软结构内燃机连杆的制造方法，其特征在于，所述步骤（1）中，选用屈服强度σ_s>550N/mm²，抗拉强度σ_b为900～1050N/mm²的70MnVS合金结构钢作为硬基材料锻造出毛坯；锻造时，错模量为0.5mm。 

3.根据权利要求1所述一种硬基软结构内燃机连杆的制造方法，其特征在于，所述步骤（2）中，粗磨端面时，上下两端面之间的对称度为0.5mm。 

4.根据权利要求1所述一种硬基软结构内燃机连杆的制造方法，其特征在于，所述步骤（3）中，镗孔时，先依据小头孔的位置尺寸，即瓦状支撑段外侧面靠近杆身方向的圆弧最低点与小头孔靠近杆身方向的圆弧内表面最低点间的距离来加工小头孔，然后根据大头孔和小头孔之间的中心距确定大头孔的位置并加工。 

5.根据权利要求1所述一种硬基软结构内燃机连杆的制造方法，其特征在于，所述步骤（13）中，对小头孔进行磷化处理之前，先对连杆进行打配对字码和厂标，然后进行清洗、综合检测和称重分组；对小头孔进行磷化处理时，小头孔内及小头孔各表面同时进行磷化处理。 

6.根据权利要求1所述一种硬基软结构内燃机连杆的制造方法，其特征在于，所述步骤（3）中，瓦状支撑段的壁厚为5.9mm； 

步骤（7）中，裂解槽的槽深为0.5mm； 

步骤（8）中，瓦状支撑段上下两端面之间的厚度为44mm； 

步骤（12）中，大头端上下两端面之间的厚度为40.8mm。 

7.根据权利要求1所述一种硬基软结构内燃机连杆的制造方法，其特征在于，所述步骤（13）中，磷化层的厚度为6～10μm。 

8.根据权利要求1所述一种硬基软结构内燃机连杆的制造方法，其特征在于，所述步骤（7）中，加工裂解槽之前，先在大头端一侧的螺栓孔端部铣出杆外定位面。