CN107398692A - 一种连杆共振辅助裂解的加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种连杆共振辅助裂解的加工装置，包括激振器振动机构、工作平台、连杆小头孔压紧机构、连杆大头孔裂解机构和连杆背压机构；所述激振器安装连接杆顶部；所述连杆大头孔裂解机构包括楔形拉杆、裂解定套、裂解动套和裂解液压缸；所述连杆小头孔压紧机构包括调整块体和丝杠螺母机构；所述连杆背压机构固定在滑块上，所述连杆背压机构产生背压力作用在所述铸件连杆的大端上；所述连杆背压机构上固定有振动传感器，用于测量施加背压力后的连杆的振动频率。本发明可以减小铸件连杆裂解时所需的裂解力和断裂面的变形和裂解过程中断裂面的掉渣数，从而可以降低加工成本。

Description

一种连杆共振辅助裂解的加工装置及方法

技术领域

本发明涉及连杆加工领域和机械振动领域，特别涉及一种连杆共振辅助裂解的加工装置及方法。

背景技术

连杆裂解技术是目前世界上最为先进的连杆精密加工技术，其原理是根据材料的断裂特征，预先在连杆毛坯(铸坯或锻坯)的大头孔两侧加工出特定的裂解槽，使其由于应力集中形成初始断裂源，然后施加裂解载荷使裂痕沿裂解槽定向扩展，最终实现脆性断裂。此技术无需再额外加工连杆体与连杆盖的结合面，而是利用连杆断裂面在裂解过程中自然形成的可完全重复啮合的犬牙交错结构实现两者的精确合装，然而目前连杆裂解技术依旧存在着不少的缺陷。

自从连杆裂解加工技术产生以来，美国福特公司、MTS公司、德国ALFLING公司以及日本的多家公司先后研究开发了裂解加工设备。例如专利公开号为US4768694的美国通用公司采用“气动下拉式”方法对连杆进行裂解加工；专利公开号为US5105538A，美国福特公司采用“水平式”工装对连杆大头孔进行裂解加工；美国MTS公司采用“装有液压活塞的裂解块”进行裂解加工，其专利公开号为US4754906A；德国ALFLING公司采用“水平力作用”的工装进行裂解加工，其专利公开号为US5169046；吉林大学自行研究开发了具有“背压”裂解功能的连杆定向裂解机床，其专利公告号为CN2511428Y。上述生产技术或专利技术中主要存在的主要问题是在裂解完成后，连杆大头孔变形较大，杆与盖接合面变形较大，影响杆与盖的啮合质量和装配精度，并无法对常规的连杆材料如40Cr钢进行裂解。

专利公告号为CN202701336U，该专利方法是在传统的连杆材料如40Cr钢上需裂解面处使用脆性金属，形成复合双金属裂解连杆，使如40Cr钢连杆材料可以进行裂解加工。但是双金属裂解连杆增加了复合双金属制造工艺，很难应用到大规模生产，而且复合双金属连杆未能很好解决其他裂解方法的裂解过程中的变形、掉渣、啮合质量和装配精度等问题。

专利公开号为CN105252241A，该专利通过电机减速动力机构驱动端面凸轮按一定转速旋转，一次工作循环包括推程、近休止、推程、远休止、回程共个4阶段，反复加载，完成连杆大端和连杆体的低应力疲劳分离。虽然该专利采用低频率裂解连杆，但是其对连杆采用的多次冲击而不是一次性裂解，故工作效率较低，同时也无法解决裂解过程中出现的掉渣等问题。

专利公告号为CN103091184B，该专利公开了一种亚超声高频疲劳试验机，其是采用高频来代替传统疲劳试验机所采用的低频，这样能够有效的缩短试验周期，高效节能；但是这个专利仅能使用在小试件上，比如小的拉伸试样；同时疲劳试验所需的时间长，主要依靠高频的振动来将试样疲劳断裂，其载荷小。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种连杆共振辅助裂解的加工装置及方法，在铸件连杆裂解过程中使用激振器振动进行辅助加工，使铸件连杆在裂解过程中达到共振状态。铸件连杆在裂解时辅助以激振器所发出的频率带动铸件连杆产生共振，在裂解力和共振频率两者共同的作用下可以有效地减小铸件连杆裂解时所需的裂解力、减少断裂面的变形、减少裂解过程中断裂面的掉渣数，减少了断裂线偏移、铸件连杆大头孔失圆、单边裂解、裂纹分叉等情况的产生，从而可以降低加工成本；铸件连杆在啮合时在背压力和激振器传递到铸件连杆的高频频率共同的作用下，可以使铸件连杆裂解面在啮合时互相微小的摩擦，去除裂解面的毛刺，改善裂解面的质量，提高铸件连杆与盖的定位精度以及装配质量，进而提高铸件连杆裂解的生产效率和合格率。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种连杆共振辅助裂解的加工装置，包括激振器振动机构、工作平台、连杆小头孔压紧机构、连杆大头孔裂解机构和连杆背压机构；所述激振器振动机构包括激振器和连接杆，所述激振器安装在连接杆顶部；所述工作平台包含固定座和滑块；所述滑块能够通过平移机构在固定座上平移；所述连杆大头孔裂解机构包括楔形拉杆、裂解定套、裂解动套和裂解液压缸；所述裂解液压缸固定在固定座上，所述裂解液压缸拉杆的顶部设有楔形部分，所述楔形部分与连接杆底部固定连接；所述裂解定套和裂解动套为两个半圆形环，所述裂解定套固定在固定座上，所述裂解动套固定在滑块上，所述裂解动套内孔设有与所述楔形部分配合的楔形面；所述裂解液压缸拉杆穿过所述裂解定套和裂解动套的内孔，通过滑块的移动夹紧所述裂解液压缸拉杆；所述连杆小头孔压紧机构包括调整块体和丝杠螺母机构；所述丝杠螺母机构固定在固定座上，所述丝杠螺母机构的丝杠与调整块体连接，使调整块体在固定座上滑动；所述调整块体上设有小头定位块，所述小头定位块内安装铸件连杆的小头端，所述铸件连杆的大头端与所述裂解定套和裂解动套的外圆配合；所述连杆背压机构固定在滑块上，所述连杆背压机构产生背压力作用在所述铸件连杆的大端上；所述连杆背压机构上固定有振动传感器，用于测量施加背压力后的铸件连杆的振动频率。

进一步，还包括导向套，所述导向套固定在固定座上，所述裂解液压缸拉杆穿过导向套。

一种连杆共振辅助裂解的加工方法，包括如下步骤：

S01：对铸件连杆的大头端的大端内孔开V形裂解槽；

S02：安装定位；将铸件连杆的小头端安装在小头定位块上，将铸件连杆的大头端安装在所述裂解定套和裂解动套上；

S03：夹紧；调试丝杠螺母机构使其带动小头定位块对铸件连杆的小头端施加压紧力；调节平移机构，使滑块上安装的裂解动套的楔形面与楔形部分紧密贴合，从而对铸件连杆的大头端施加压紧力；连杆背压机构产生背压力作用在所述铸件连杆的大端上；

S04：开启并调节激振器使其振动频率θ与铸件连杆的固有频率ω满足如下关系：0.75≤θ/ω≤1.25，则铸件连杆产生共振，通过振动传感器检测铸件连杆的振动频率是否达到固有频率；

S05：当铸件连杆产生共振时，启动裂解液压缸，使裂解液压缸的拉杆产生作用力在楔形面上，直到铸件连杆裂解完成；裂解力F₀和解液压缸的拉杆作用力Q的关系式为：

其中，k为激振器对裂解力的影响系数，0.6＜k＜1，α为楔形部分的斜角，为楔形部分与裂解定套之间的摩擦角，为楔形部分与裂解动套之间的摩擦角；裂解力F₀和振动合力F的关系为：F＝F₀+A₀sinωt，其中，A₀为铸件连杆共振时的振幅，ω为铸件连杆固有频率；

S06：裂解后，重新调整夹紧力使得铸件连杆裂解分离后裂解面贴合；调节激振器的振动频率和振动模式，使铸件连杆裂解分离后形成的裂解面在低振幅高频率相互磨合，最后完成啮合；啮合过程中连杆背压机构产生背压力F₁和啮合过程中振动合力Y的关系为：Y＝F₁+B₀sin2πft，其中，B₀为铸件连杆振幅，f为啮合时激振器的频率。

进一步，所述S04中的铸件连杆的固有频率ω根据铸件连杆建立三维模型，然后用Abaqus软件求出铸件连杆三维模型的1阶～6阶固有频率。

进一步，铸件连杆在裂解时和磨合时的激振器的振动模式为轴向振动或径向振动或呼吸式振动，通过选择振动模式控制裂纹走向。

进一步，所述S06中激振器的频率振动范围为10KHz～15KHz，振幅范围为100μm-200μm。

进一步，所述S05中，裂解时的连杆背压机构产生背压力为裂解力F₀的0.15-0.5倍。

进一步，所述S06中，啮合过程中的连杆背压机构产生背压力为裂解力F₀的0.2-0.5倍。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的连杆共振辅助裂解的加工装置及方法，扩大了裂解连杆使用材料的范围，减小连杆裂解时所需的裂解力、断裂面的变形、裂解过程中产生的掉渣、连杆大头端内孔失圆等情况的产生，提高连杆与盖接合面的啮合精度，提高连杆装配质量和装配精度。

2.本发明所述的连杆共振辅助裂解的加工装置及方法，通过控制激振器，使连杆裂解区域材料处于共振状态，削弱裂纹尖端的塑性区和残余应力对裂纹扩展的影响，通过选择控制激振器的频率和振动模式，来控制裂纹的扩展和断口的形成，减小连杆裂解时所需的裂解力、断裂面的变形、裂解过程中产生的掉渣、连杆大头端内孔失圆等情况的产生，并在拉杆力和振动的共同作用下完成裂解分离。

3.本发明所述的连杆共振辅助裂解的加工装置及方法，减小连杆裂解时所需的裂解力、断裂面的变形、裂解过程中产生的掉渣、连杆大头孔失圆等情况的产生，使原来常规的裂解工艺更加完善，此外，其裂解时间短，载荷大，与高频疲劳试验机还是有着本质的不同。

4.本发明所述的连杆共振辅助裂解的加工装置及方法，调整振动的频率和振动模式，可以适应不同材料、不同尺寸的连杆的裂解要求；可有效减少加工成本，降低废品率。

附图说明

图1为本发明所述的连杆共振辅助裂解的加工装置的示意图。

图2为本发明所述的铸件连杆主视图。

图3为本发明所述的铸件连杆裂解过程时裂解力F₀和振动合力F的关系曲线图。

图4为本发明所述的铸件连杆啮合过程时背压力F₁和振动合力Y的关系曲线图。

图中：

1-激振器；2-电源；3-连接杆；4-楔形部分；5-1-裂解定套；5-2-裂解动套；6-铸件连杆；7-小头定位块；8-调整块体；8-1-丝杠螺母机构；9-振动传感器；10-连杆背压机构；11-滑块；12-导向套；13-工作平台；14-裂解液压缸；15-V形裂解槽；16-固定座。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，一种连杆共振辅助裂解的加工装置，包括激振器振动机构、工作平台13、连杆小头孔压紧机构、连杆大头孔裂解机构和连杆背压机构10；所述激振器振动机构包括激振器1和连接杆3，所述激振器1安装在连接杆3顶部；所述工作平台包含固定座16和滑块11；所述滑块11能够通过平移机构在固定座16上平移；

所述连杆大头孔裂解机构包括楔形拉杆4、裂解定套5-1、裂解动套5-2和裂解液压缸14；所述裂解液压缸14固定在固定座16上，所述裂解液压缸14拉杆的顶部设有楔形部分4，所述楔形部分4与连接杆3底部固定连接；所述裂解定套5-1和裂解动套5-2为两个半圆形环，所述裂解定套5-1固定在固定座16上，所述裂解动套5-2固定在滑块11上，所述裂解动套5-2内孔设有与所述楔形部分4配合的楔形面；所述裂解液压缸14拉杆穿过所述裂解定套5-1和裂解动套5-2的内孔，通过滑块11的移动夹紧所述裂解液压缸14拉杆；

所述连杆小头孔压紧机构包括调整块体8和丝杠螺母机构8-1；所述丝杠螺母机构8-1固定在固定座16上，所述丝杠螺母机构8-1的丝杠与调整块体8连接，使调整块体8在固定座16上滑动；所述调整块体8上设有小头定位块7，所述小头定位块7内安装铸件连杆6的小头端，所述铸件连杆6的大头端与所述裂解定套5-1和裂解动套5-2的外圆配合；

所述连杆背压机构10固定在滑块11上，所述连杆背压机构10产生背压力作用在所述铸件连杆6的大端上；所述连杆背压机构10上固定有振动传感器9，用于测量施加背压力后的铸件连杆6的振动频率。本实施例中的所述连杆背压机构10由2个垂直安装的双杆油缸组成，第一双杆油缸安装在滑块11上，第一双杆油缸的拉伸杆的一端顶紧铸件连杆6的大端，所述第一双杆油缸的拉伸杆的另一端与垂直安装的第二双杆油缸的拉伸杆的一端接触，所述第二双杆油缸提供一定的压力。现有的结构还可以为带阻尼器与液压缸的结合。

一种连杆共振辅助裂解的加工方法，包括如下步骤：

S01：对铸件连杆6的大头端的大端内孔开V形裂解槽15，如图2所示；

S02：安装定位；将铸件连杆6的小头端安装在小头定位块7上，将铸件连杆6的大头端安装在所述裂解定套5-1和裂解动套5-2上；

S03：夹紧；调试丝杠螺母机构8-1使其带动小头定位块7对铸件连杆6的小头端施加压紧力；调节平移机构，使滑块11上安装的裂解动套5-2的楔形面与楔形部分4紧密贴合，从而对铸件连杆6的大头端施加压紧力；连杆背压机构10产生背压力作用在所述铸件连杆6的大端上；

S04：启动电源2开启并调节激振器1使其振动频率θ与铸件连杆6的固有频率ω满足如下关系：0.75≤θ/ω≤1.25，则铸件连杆6产生共振，通过振动传感器9检测铸件连杆6的振动频率是否达到固有频率；

铸件连杆6的固有频率ω根据实体建立铸件连杆6的三维模型，然后用Abaqus软件求出铸件连杆6的1阶～6阶固有频率。由于本实例中的连杆在1到3阶固有频率较低，为达到理想的裂解状态，采用该连杆的4阶～6阶固有频率；激振器1振动模式优先为轴向振动。

S05：当铸件连杆6产生共振时，启动裂解液压缸14，使裂解液压缸14的拉杆产生作用力在楔形面上，直到铸件连杆6裂解完成；

裂解力F₀和解液压缸14的拉杆作用力Q的关系式为：

其中，k为激振器对裂解力的影响系数，0.6＜k＜1，α为楔形部分4的斜角，为楔形部分4与裂解定套之间的摩擦角，为楔形部分4与裂解动套之间的摩擦角；

如图3所示，裂解力F₀和振动合力F的关系为：F＝F₀+A₀sinωt，其中，A₀为铸件连杆6共振时的振幅，ω为铸件连杆6固有频率；本发明需要对连杆进行裂解的时间短，载荷大，与高频疲劳试验机还是有着本质的不同。

裂解时的连杆背压机构10产生背压力为裂解力F₀的0.15-0.5倍。

S06：裂解后，重新调整夹紧力使得铸件连杆6裂解分离后裂解面贴合；调节激振器1的振动频率和振动模式，使铸件连杆6裂解分离后形成的裂解面在低振幅高频率相互磨合，最后完成啮合；激振器1的频率振动范围为10KHz～15KHz，振幅范围为100μm-200μm。

如图4所示，啮合过程中连杆背压机构10产生背压力F₁和啮合过程中振动合力Y的关系为：Y＝F₁+B₀sin2πft，其中，B₀为铸件连杆6振幅，f为啮合时激振器1的频率；啮合过程中的连杆背压机构10产生背压力为裂解力F₀的0.2-0.5倍。

S06可以实现裂解后，通过调节激振器1的振动频率和振动模式，使裂解分离后形成的裂解面在低振幅高频率相互磨合，减少连杆裂解断面上倒勾、尖锐棱角，使裂解面达到要求的吻合度，提高裂解连杆的装配质量。

此外，铸件连杆6在裂解时和磨合时的激振器1的振动模式为轴向振动或径向振动或呼吸式振动，通过选择振动模式控制裂纹走向。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种连杆共振辅助裂解的加工装置，其特征在于，包括激振器振动机构、工作平台(13)、连杆小头孔压紧机构、连杆大头孔裂解机构和连杆背压机构(10)；

所述激振器振动机构包括激振器(1)和连接杆(3)，所述激振器(1)安装在连接杆(3)顶部；

所述工作平台(13)包含固定座(16)和滑块(11)；所述滑块(11)能够通过平移机构在固定座(16)上平移；

所述连杆大头孔裂解机构包括楔形拉杆(4)、裂解定套(5-1)、裂解动套(5-2)和裂解液压缸(14)；所述裂解液压缸(14)固定在固定座(16)上，所述裂解液压缸(14)拉杆的顶部设有楔形部分(4)，所述楔形部分(4)与连接杆(3)底部固定连接；所述裂解定套(5-1)和裂解动套(5-2)为两个半圆形环，所述裂解定套(5-1)固定在固定座(16)上，所述裂解动套(5-2)固定在滑块(11)上，所述裂解动套(5-2)内孔设有与所述楔形部分(4)配合的楔形面；所述裂解液压缸(14)拉杆穿过所述裂解定套(5-1)和裂解动套(5-2)的内孔，通过滑块(11)的移动夹紧所述裂解液压缸(14)拉杆；

所述连杆小头孔压紧机构包括调整块体(8)和丝杠螺母机构(8-1)；所述丝杠螺母机构(8-1)固定在固定座(16)上，所述丝杠螺母机构(8-1)的丝杠与调整块体(8)连接，使调整块体(8)在固定座(16)上滑动；所述调整块体(8)上设有小头定位块(7)，所述小头定位块(7)内安装铸件连杆(6)的小头端，所述铸件连杆(6)的大头端与所述裂解定套(5-1)和裂解动套(5-2)的外圆配合；

所述连杆背压机构(10)固定在滑块(11)上，所述连杆背压机构(10)产生背压力作用在所述铸件连杆(6)的大端上；所述连杆背压机构(10)上固定有振动传感器(9)，用于测量施加背压力后的铸件连杆(6)的振动频率。

2.根据权利要求1所述的连杆共振辅助裂解的加工装置，其特征在于，还包括导向套(12)，所述导向套(12)固定在固定座(16)上，所述裂解液压缸(14)拉杆穿过导向套(12)。

3.一种连杆共振辅助裂解的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01：对铸件连杆(6)的大头端的大端内孔开V形裂解槽(15)；

S02：安装定位；将铸件连杆(6)的小头端安装在小头定位块(7)上，将铸件连杆(6)的大头端安装在所述裂解定套(5-1)和裂解动套(5-2)上；

S03：夹紧；调试丝杠螺母机构(8-1)使其带动小头定位块(7)对铸件连杆(6)的小头端施加压紧力；调节平移机构，使滑块(11)上安装的裂解动套(5-2)的楔形面与楔形部分(4)紧密贴合，从而对铸件连杆(6)的大头端施加压紧力；连杆背压机构(10)产生背压力作用在所述铸件连杆(6)的大端上；

S04：开启并调节激振器(1)使其振动频率θ与铸件连杆(6)的固有频率ω满足如下关系：0.75≤θ/ω≤1.25，则铸件连杆(6)产生共振，通过振动传感器(9)检测铸件连杆(6)的振动频率是否达到固有频率；

S05：当铸件连杆(6)产生共振时，启动裂解液压缸(14)，使裂解液压缸(14)的拉杆产生作用力在楔形面上，直到铸件连杆(6)裂解完成；

裂解力F₀和解液压缸(14)的拉杆作用力Q的关系式为：

其中，k为激振器对裂解力的影响系数，0.6＜k＜1，α为楔形部分(4)的斜角，为楔形部分(4)与裂解定套之间的摩擦角，为楔形部分(4)与裂解动套之间的摩擦角；

裂解力F₀和振动合力F的关系为：F＝F₀+A₀sinωt，其中，A₀为铸件连杆(6)共振时的振幅，ω为铸件连杆(6)固有频率；

S06：裂解后，重新调整夹紧力使得铸件连杆(6)裂解分离后裂解面贴合；调节激振器(1)的振动频率和振动模式，使铸件连杆(6)裂解分离后形成的裂解面在低振幅高频率相互磨合，最后完成啮合；啮合过程中连杆背压机构(10)产生背压力F₁和啮合过程中振动合力Y的关系为：Y＝F₁+B₀sin2πft，其中，B₀为铸件连杆(6)振幅，f为啮合时激振器(1)的频率。

4.根据权利要求3所述的连杆共振辅助裂解的加工方法，其特征在于，所述S04中的铸件连杆(6)的固有频率ω根据铸件连杆(6)建立三维模型，然后用Abaqus软件求出铸件连杆(6)三维模型的1阶～6阶固有频率。

5.根据权利要求3所述的连杆共振辅助裂解的加工方法，其特征在于，铸件连杆(6)在裂解时和磨合时的激振器(1)的振动模式为轴向振动或径向振动或呼吸式振动，通过选择振动模式控制裂纹走向。

6.根据权利要求3所述的连杆共振辅助裂解的加工方法，其特征在于，所述S06中激振器(1)的频率振动范围为10KHz～15KHz，振幅范围为100μm-200μm。

7.根据权利要求3所述的连杆共振辅助裂解的加工方法，其特征在于，所述S05中，裂解时的连杆背压机构(10)产生背压力为裂解力F₀的0.15-0.5倍。

8.根据权利要求3所述的连杆共振辅助裂解的加工方法，其特征在于，所述S06中，啮合过程中的连杆背压机构(10)产生背压力为裂解力F₀的0.2-0.5倍。