CN109058280B - 一种小型活塞发动机调质合金钢涨断连杆及制作工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型活塞发动机调质合金钢涨断连杆及制作工艺方法，为调质合金钢材料连杆提供一种可行、可靠的制作工艺，为小型活塞式航空发动机提供结构简单、强度高、重量轻的涨断连杆。该涨断连杆制作工艺方法在连杆大头设置有涨断孔，涨断孔内设置引裂用的涨断槽，涨断时无须对大圆孔施加机械力；使得连杆涨断变得更加容易，优化的结构使连杆涨断后外表面缺损减少，实现调质合金钢连杆的涨断，使连杆工艺性、合格率得到提高，有效地提升了产品可靠性；增加连杆材料的可选范围，降低了制造成本。该涨断连杆制作工艺方法使连杆承载能力、抗剪切能力与装配质量大幅度提高，连杆大、小头的圆孔润滑效果增强，提高了效率。

Description

一种小型活塞发动机调质合金钢涨断连杆及制作工艺方法

技术领域

本发明涉及小型航空发动机技术领域，特别是涉及一种小型活塞发动机调质合金钢涨断连杆及制作工艺方法。

背景技术

连杆是小型活塞式航空发动机的关键运动部件之一，其承担着改变力的传递方向和方式的功能。相对普通活塞发动机，航空活塞发动机连杆的工作条件更为苛刻，在工作过程中承受着连续每秒高达90～120余次的高频率的周期性冲击力、惯性力和弯曲力，连杆的制造质量直接影响到发动机的性能和可靠性。二十纪九十年代，连杆涨断技术作为一项制造新工艺在汽车工业发达国家发展起来，从根本上改变了传统连杆加工方法。但是，该技术常规只能用于非调质钢材料，其原因在于调质合金钢材料的断面收缩率达到10％左右，不利于实现脆性断裂，难以控制涨断时断裂面的结构，同时涨断后的连杆大头孔易产生形状变形和残留应力，影响使用的可靠性和耐久性。

中国发明专利CN 105290743 A公开了“一种涨断调质锻钢连杆的方法”，提出在连杆切边和校正时利用冲裁模具在连杆大头形成凹槽，在余热淬火时，V型槽处由于应力集中会产生裂纹，再进行涨断。该方法存在冲裁两种凹槽均是在热锻压加工时同时形成，而此时形成的凹槽根部很难达到足以产生应力集中裂纹所需的曲率，冲裁模具耐用度也难以保证，而且连杆盖与连杆体的连接螺纹孔在涨断前未加工，后续对接后再加工，明显工艺性差，精度难保证，也没有解决调质合金钢涨断需要解决的主要矛盾，即断面收缩率引起的断裂面的结构难以控制问题。

发明专利CN 101307796A公布了“高强度合金钢连杆深冷脆化胀断工艺”，该工艺方法过程复杂而控制困难，且只能用于特定材料，而这种材料机械特性仅适用于大型大功率普通发动机，不适用于小型航空活塞发动机合金钢连杆结构小、重量轻、功重比高的要求。

同时，上述两项专利所提供的连杆涨断工艺方法都是通过在大头孔及其端面开设涨断槽的形式，并在大头孔中向外施加机械力，使连杆从应力集中且强度最低的涨断槽断裂，这种结构适用于在连杆大头孔中设置轴瓦、衬套的结构形式，其连杆大头孔母线均为非完整连续的圆柱面，不能作为滚针轴承外滚道；而且，这些专利技术所提供的连杆结构在涨断时要通过对大头孔壁施以机械外力，使连杆孔易产生形状变形和机械应力，从而影响使用的可靠性和耐久性。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种小型活塞发动机调质合金钢涨断连杆及制作工艺方法，其目的在于解决高强度调质合金钢连杆涨断技术的应用的受限问题和提高该连杆制造精度的一致性、精确性，为调质合金钢材料连杆提供一种可行、可靠的制造工艺，为小型活塞式航空发动机提供结构紧凑、重量轻的涨断连杆，改善小型活塞式航空发动机性能和适用范围。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:调质合金钢涨断连杆包括连杆盖、连杆、小圆孔、大圆孔、涨断孔、涨断槽、螺栓、油槽、大头油孔、小头油孔，所述连杆一端为连杆大头，另一端为连杆小头，连杆小头设有小圆孔，连杆大头与连杆盖通过螺栓连接组成大圆孔，连杆盖位于连杆大头端部，连杆大头端的两侧对称有凸台，凸台上的涨断面中间对称开有涨断孔，且位于涨断孔的对称位置设有涨断槽，涨断槽在涨断加工时形成初始断裂源；连杆大头的涨断孔均以连杆中心线对称设置，涨断孔半径与涨断面宽度相一致，连杆大头的中心线与连杆大头两侧的涨断孔、涨断槽的中心线及涨断面的中心线重合；所述连杆上靠近小圆孔与大圆孔相对的一侧分别设有小头油孔和大头油孔，小圆孔和大圆孔端分别设有与小头油孔和大头油孔贯通的油槽，用于润滑油对轴承进行润滑和冷却。

一种采用所述制作调质合金钢涨断连杆的工艺方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.制坯滚锻；通过拉拔、滚挤，滚锻出尺寸形状合适模锻所需的毛坯；

步骤2.锻造成型；依次通过初锻、精锻、切边三道工序形成连杆锻件，毛坯经初锻、精锻使锻件获得形状精度尺寸，错模量不大于0.35mm，再切边后，形成连杆所有非切削加工的外型面；

步骤3.探伤、正火、校形；对连杆锻件进行探伤，并进行正火处理，对室温条件下的连杆进行精整校形；

步骤4.粗加工；铣连杆两端面，上下两端面间的对称度为0.5mm；钻、扩大圆孔与小圆孔，铣大头端两侧螺栓凸台；

步骤5.涨断孔、涨断槽加工；以大圆孔与小圆孔定位，钻、铰涨断孔，切割V型涨断槽，四个V形涨断槽关于涨断线对称且根部处于涨断线上；

步骤6.热处理；对连杆进行调质处理；

步骤7.半精加工；粗磨连杆两端面，半精镗大圆孔与小圆孔，镗大圆孔与小圆孔顶端圆弧形油槽，铰两个螺栓底孔并攻丝，铣连杆大头两端面油槽，钻大头油孔、小头油孔；

步骤8.表面热处理；对涨断连杆小圆孔、大圆孔、涨断孔、涨断槽，以及大头两侧凸台涨断线位置进行局部渗碳和淬火处理，或渗氮处理；

步骤9.涨断加工；将二个菱形涨断锥销同步压入涨断孔内，连杆沿涨断面裂解为连杆盖与连杆两部分，使裂解开的连杆盖与连杆重新对正相合复位，通过螺栓连接并控制螺栓预紧力矩、拧紧螺栓，使连杆复位为一个整体；

步骤10.精磨端面；对连杆的上下两端面进行精磨，大、小头端的上端面与下端面分别位于同一平面内，大头端面油槽深度均匀一致；

步骤11.精磨内孔；分别对连杆大圆孔与小圆孔进行精磨至尺寸要求，并保证中心距、平行度、垂直度要求；

步骤12.探伤；对加工后的连杆进行表面探伤检测。

有益效果

本发明提出的一种小型活塞发动机调质合金钢涨断连杆及制作工艺方法，为调质合金钢材料连杆提供一种可行、可靠的制作工艺，为小型活塞式航空发动机提供结构简单、强度高、重量轻的涨断连杆。该涨断式连杆制作工艺方法在连杆大头设置有涨断孔，涨断孔内设置引裂用的涨断槽，涨断时无须对大圆孔施加机械力；使得连杆涨断变得更加容易，优化的结构使连杆涨断后外表面缺损减少，实现调质合金钢连杆的涨断，使连杆工艺性和合格率得到提高，有效的提升了产品可靠性；增加连杆材料的可选范围，降低了制造成本；该涨断式连杆制作工艺方法使连杆承载能力、抗剪切能力与装配质量大幅度提高；连杆大、小头的内孔润滑效果增强，提高了效率。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明提出的一种小型活塞发动机调质合金钢涨断连杆及制作工艺方法作进一步详细说明。

图1为本发明的调质合金钢涨断连杆结构示意图。

图2为本发明的调质合金钢连杆涨断后的连杆与连杆盖结构示意图。

图3为本发明的连杆锻件结构主视图。

图4为本发明的连杆锻件结构剖视图。

图5为本发明的连杆锻件杆体横截面剖视图。

图6为本发明的连杆大头、螺栓孔及涨断孔位置示意图。

图7为本发明的连杆大头、螺栓孔及涨断孔的局部结构示意图。

图中

1.连杆盖 2.连杆大头 3.连杆 4.连杆小头 5.小圆孔 6.大圆孔 7.涨断孔8.涨断槽 9.螺栓 10.油槽 11.涨断面 12.大头油孔 13.小头油孔

具体实施方式

本实施例是一种小型活塞发动机调质合金钢涨断连杆及制作工艺方法。

参阅图1～图7，本实施例调质合金钢涨断连杆由连杆盖1、连杆3、小圆孔5、大圆孔6、涨断孔7、涨断槽8、螺栓9、油槽10、大头油孔12、小头油孔13组成；连杆3一端为连杆大头，连杆3另一端为连杆小头，连杆小头4设有小圆孔5，连杆大头2与连杆盖1通过螺栓9连接组成大圆孔6，连杆盖1位于连杆大头2端部，连杆大头2端的两侧对称有凸台，凸台上的涨断面中间对称开有涨断孔，且位于涨断孔的对称位置设有涨断槽，涨断槽在涨断加工时形成初始断裂源；连杆大头2的涨断孔均以连杆中心线对称设置，涨断孔7半径与涨断面11宽度相一致，连杆大头的中心线与连杆大头两侧的涨断孔、涨断槽的中心线及涨断面的中心线重合；所述连杆上靠近小圆孔与大圆孔相对的一侧分别设有小头油孔13和大头油孔12，大圆孔和小圆孔端分别设有与大头油孔和小头油孔贯通的油槽，用于润滑油对轴承进行润滑和冷却。

用于调质合金钢涨断连杆制造工艺方法是：

1)制坯滚锻：通过拉拔、滚挤，滚锻出尺寸形状合适模锻所需的毛坯。同时，滚锻制坯可以降低材料消耗和提高生产效率，保证材料纤维连续。毛坯所选用材料为合金调质钢，如：18Cr2Ni4W，20CrMoA，20CrMnMo，20CrNiMo，30Cr3Mo，38CrMoAl,42CrMoA等。

2)锻造成型：依次通过初锻、精锻、切边三个工序形成连杆锻件。滚锻毛坯经初锻、精锻使锻件形成良好的形状精度和尺寸一致性，错模量控制在0.35mm之内，每个工件的重量更接近，更利于发动机运行平稳，再切边模冲切飞边之后，形成连杆所有非切削加工面的最终外型面。

3)探伤、正火、校形：对连杆锻件进行超声探伤，剔除有裂纹、褶皱、折叠等缺陷零件；然后进行正火处理，以获取均匀稳定的组织状态和良好的加工性能，以及消除内应力；对室温条件下的连杆采用压力机进行校形，主要是对正火后的连杆本体的直线度进行机械校正到0.2mm以内，以便于后续机械加工。

4)粗加工：铣连杆两端面，上下两端面之间的对称度为0.5mm，达到初定位基准要求；钻、扩大圆孔6与小圆孔5，先钻、扩小圆孔5，然后以小圆孔5定位钻、扩大圆孔6；铣连杆大头2两侧螺栓凸台的两处螺纹孔端面。

5)涨断孔、槽加工：在钻孔模具上，以大圆孔6与小圆孔5为定位基准，装夹连杆并压紧，钻、铰连杆大头2两侧凸台上的涨断孔7，先钻

底孔，再采用1:50铰刀扩铰锥孔，大端孔径尺寸达到

切割V型涨断槽8时，定位基准也是大头孔6与小头孔5，四个V形涨断槽8关于涨断面11对称并且根部处于涨断面11之上，采用

钼丝切割而成，V形张角为45°，涨断槽在涨断孔大端处槽深为0.6mm，以便于在下工序淬火时由应力集中而在槽根部产生初始断裂纹，从而作为涨断时裂解裂纹扩展的断裂源。

6)热处理：对连杆进行调质处理。调质的目的一方面是为了获得连杆本身功能所需要的强度、硬度、刚性和韧性，发挥合金调质钢的性能；另一方面是为了在调质淬火时，借助合金调质钢材料的对缺口应力集中的敏感性，在V形涨断槽8根部尖锐处由应力集中会产生微裂纹的特性，裂纹将沿V形槽根部方向产生，以此作为涨断时裂解裂纹扩展的初始断裂源，从而使得连杆的涨断时初始涨断力减小而减轻连杆变形，并且使得断裂面可控而减轻塑性缩口的产生。

7)半精加工：粗磨连杆两端面，上下两端面之间的对称度为0.3mm；半精镗大圆孔6及其顶端弧形油槽，半精镗小圆孔5及其顶端弧形油槽；铰两个螺栓9孔，并攻丝；铣连杆大头2两端面六个瓦状油槽10；用钻模钻大头油孔12和小头油孔13。除连杆两端面和大圆孔6、小圆孔5留精加工余量外，其余全部为最终加工工序。

8)表面热处理渗碳或渗氮：对涨断连杆小圆孔5、大圆孔6、涨断孔7、涨断槽8，以及连杆两端面、大头两侧凸台涨断面11两边3—5mm范围位置进行局部渗碳和高频淬火处理，或渗氮处理。这里，对连杆小圆孔5、大圆孔6及孔端面的表面化学热处理是连杆功能所需，而对涨断孔7、涨断槽8以及大头两侧凸台涨断面位置进行局部的表面化学热处理是涨断工艺所需，目的在于通过提高该部位的硬度降低其韧性和断裂收缩率，进而实现裂解部位的脆断。实施例中，根据连杆材质选用不同，采用不同的表面热处理方式，即18Cr2Ni4W，20CrMoA，20CrMnMo，20CrNiMo采用局部渗碳和高频淬火处理，即30Cr3Mo，38CrMoAl,42CrMoA采用渗氮处理。

9)涨断加工：将要涨断的连杆装入涨断工装，该工装以大圆孔6和小圆孔5浮动定位，连杆装夹到位后，启动工装进行涨断进程，具体工艺方法是使涨断工装上二个菱形涨断锥销头同时伸进涨断孔7中，涨断锥销同步下行，锥度相同的锥销锥面与涨断孔7锥面紧密接触后，锥销继续下行，对连杆两个涨断孔7施加垂直于涨断面11的涨断力进行引裂和催裂，使得连杆上四个V形涨断槽8根部尖锐处由上工序产生的初始断裂源微裂纹随涨断孔7孔壁受到与裂纹垂直的拉应力而率先开始扩展延伸，由于涨断面11处于最薄弱处，裂纹瞬间沿预设涨断面扩大并全部断裂，使连杆连杆盖1与连杆3在不发生塑性变形的情况下被分离，即连杆沿预定断裂面裂解产生涨断面11，整体连杆裂解成为连杆盖1与连杆3两部分。然后，先用压缩空气清理四个涨断面11，紧接着使裂解开的连杆盖1与连杆3重新在涨断面11处对正啮合而精确复位，螺栓连接孔装入连接螺栓9并控制螺栓预紧力矩拧紧螺栓至所要求的扭矩，使连杆又恢复为一个整体。在涨断上述过程中，必须限制连杆大圆孔6变形和保持四个V形涨断槽8同步裂解，防止单边断裂或撕裂，保证端面啮合性。需要注意的是涨断面11所在凸台外侧面，越接近于完整圆弧形状越有利于涨断面11的完整，即有利于裂纹在同一点汇合，从而提高涨断质量，若涨断面11外侧截面为直方形，裂纹容易分开而产生暴口、掉渣等缺陷；而大圆孔6内壁则依靠孔两端面的合理倒角和合适的渗碳/渗氮层厚度能有效控制裂纹。

10)精磨端面：对连杆的上下两端面进行精磨，大、小头端的上端面与下端面分别位于同一平面内，大头端面各油槽10深度均匀。

11)精磨内孔：分别对连杆大圆孔6与小圆孔5进行精磨至尺寸要求，依然先磨小圆孔5至尺寸要求，再以小圆孔5定位磨大圆孔6，并保证中心距、平行度、垂直度等要求。

12)探伤：对连杆进行最终表面探伤，主要检查涨裂时是否产生轴向裂纹，连杆孔壁是否有缺陷。

完成调质合金钢涨断连杆制作工艺过程工作。

Claims (1)

1.一种小型活塞发动机调质合金钢涨断连杆，其特征在于:包括连杆盖、连杆、小圆孔、大圆孔、涨断孔、涨断槽、螺栓，连杆大头与连杆盖通过螺栓连接组成大圆孔，连杆大头端的两侧设置对称的有涨断孔的凸台，且位于涨断孔的对称位置设有涨断槽，涨断槽在涨断加工时形成初始断裂源；连杆大头的涨断孔均以连杆中心线对称设置，连杆大头的中心线与连杆大头两侧的涨断孔、涨断槽的中心线及涨断面的中心线重合；其制作调质合金钢涨断连杆的工艺方法包括以下步骤:

步骤1.粗加工：铣连杆两端面，上下两端面的对称度0.5mm；钻、扩大圆孔与小圆孔，铣大头端两侧凸台；

步骤2.涨断孔、涨断槽加工：以大圆孔与小圆孔定位，钻、铰涨断孔，切割V型涨断槽，4个V形涨断槽对称于涨断线且根部处于涨断线上；

步骤3.中间热处理后半精加工：粗磨连杆两端面，对称度0.3mm，半精镗大圆孔与小圆孔，镗大圆孔与小圆孔顶端圆弧形油槽，铰两个螺栓底孔并攻丝，铣连杆大头两端面油槽，钻大头油孔、小头油孔；

步骤4.渗碳/氮处理：工作表面渗碳/氮处理的同时对工艺需求的部位即涨断孔壁、涨断槽，以及涨断孔所在凸台涨断线两边3—5mm范围位置进行局部碳/氮化处理；

步骤5.涨断加工；将二个菱形涨断锥销同步压入涨断孔内，连杆沿涨断面裂解为连杆盖与连杆两部分，使裂解开的连杆盖与连杆重新对正啮合复位，通过螺栓连接并控制螺栓预紧力矩、拧紧螺栓，使连杆复位为一个整体；

步骤6.后续进行精加工、光整完成连杆制作工艺过程。

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