新型汽車渦輪增壓耐磨傳動連桿組件的設計與制造

摘要：為優化當前的汽車傳動連桿的制造工藝，本文提出了一種新型的工藝制造方法。通過文獻總結歸納、圖解的方法來論述新型耐磨型連桿組件制造工藝工序。該工藝工序步驟為模鍛退火、探傷、粗銑、調質、涂漆、精銑。最終發現與常用的連桿組件工藝相比，該種連桿制造工藝具有較高的經濟效益。但產品質量有待進一步的更新。

關鍵詞：增壓器;傳動連桿;制造方法

中圖分類號：TK4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0100-04

0 ?引言

連桿組件是渦輪增壓器中最為關鍵的一個部件，并且其需要具備高耐磨、工作溫度高以及一定的耐熱性、防腐性。通常會選擇SUS316Ti材料，通常連桿的最小厚度為6mm，配合安裝工作面的尺寸、形位公差、位置度公差的精度要求高等特點，國外采用6mm厚度的板類材料進行沖壓成型，但是材料花費較為昂貴，模具的使用壽命周期較短，原材料利用率與生產效率低，質量不穩定，不適合國內外現有市場的需求，為此本文設計了一款汽車渦輪增壓耐磨型傳動連桿組件，并介紹了基于該組件的制造方法。

1 ?連桿結構整體設計

本次設計的工件為汽車渦輪增壓耐磨性傳動連桿，其是接連曲柄和活塞之間的工件，將活塞承受壓力轉化為曲柄動力，在運動的過程中，既需要承受拉力，同時還需要承受彎曲應力。

如圖1所示，本設計的耐磨性傳動連桿分為三個部分，分別是小頭、桿身和大頭。

連桿小頭：小頭內置襯套，與活塞相連，活塞內置活塞銷，當渦輪增壓器工作時，為了能夠提升活塞銷的耐磨程度，在小頭頂部設一個集油孔，當渦輪增壓器工作時，其內部的機油由于圓周力被甩到了活塞當中，然后匯集到集油孔，從而減少活塞銷的磨損。

連桿大頭：分為兩個部分，其中一部分與桿身相連，另外一部分是桿蓋。連桿大頭選擇自鎖型螺母固定軸承蓋，擰緊力50～100N，并且軸瓦被置于大頭孔內。

連桿桿身：桿身設計為了能夠承受最大應力，桿身呈“I”型。

2 ?制造連桿組件的相關技術

2.1 技術要求

2.1.1 大、小頭孔軸心線在兩個互相垂直方向的平行度

當大小頭孔的軸線平行度出現誤差時，活塞會向著氣缸傾斜，從而造成氣缸的磨損，所以大小頭孔的軸線平行度的誤差應相對較小，從而減少氣缸的磨損程度，因此，大小頭孔的軸線平行度誤差不得超過0.12mm。

2.1.2 連桿大頭孔兩端面對大頭孔中心線的垂直度

連桿大頭孔端面到中心線的垂直度對軸瓦的磨損有很大的影響，嚴重會造成斷裂，所以連桿大頭孔端面到中心線的垂直度公差不得超過0.11mm。

2.1.3 大、小頭孔兩端面的技術要求

連桿大、小頭孔兩端面的技術要求不同，大頭孔的表面粗糙度不得超過0.64um，小頭的表面粗糙度不得超過5.6um。這是因為連桿大頭孔的端面之間有配合要求，使得大頭孔的技術要求遠遠大于小頭孔的技術要求。

2.1.4 螺栓孔的技術要求

螺栓孔和螺母是連桿體和蓋的連接部件，容易受到動載荷的影響，因此，除了螺栓本身要符合基本要求以外，螺栓孔的端面對稱度不得超過0.34mm。

2.1.5 有關結合面的技術要求

在連桿受到外力的影響時，接合面往往會產生歪斜，歪斜的接合面容易造成連桿的蓋和體發生錯位，影響連桿的質量。而且會造成連桿體和蓋連接不緊密，造成不必要的磨損，所以連桿的接合面平面度公差不得超過0.03mm。

2.1.6 連桿的材料和毛坯

連桿在實際運用中需要承受很強的負荷，所以材料一般采用高強度鋼，來保證連桿的強度。隨著冶煉鍛造工藝的普及，連桿的密度和強度大幅提高。采用冶煉鍛造的方法來制造連桿是一種科學有效的制造方式。

連桿的制造方法有許多種，主要根據材料的種類和組織性能進行確定。根據生產的需要，連桿常常采用模鍛鍛造毛坯。連桿毛坯的鍛造模式分為兩種，一是將連桿的體和蓋分別鍛造，另一種是將連桿的體和蓋鍛為一體。整體鍛造在后續步驟中也需要進行分割，相對與單體鍛造而言，材料的損耗相對較小，鍛造的時間也相對較短，極大的降低了生產成本，提升了連桿毛坯的工作性能，因此，整體鍛造逐漸成為毛坯鍛造的主要模式。

2.2 參數設計

本設計的耐磨型傳動連桿組件的制造參數如下所示：

2.2.1 連桿形狀參數（見圖2、表1）

2.2.2 連桿材料特性

在設計過程進行強度校核計算，確定了設計連桿體帶蓋的各結構參數。使用運用AVL-EXCITE軟件進行CAE強度校核計算，如表2所示。

3 ?汽車渦輪增壓耐磨型傳動連桿工藝分析

3.1 工藝過程的安排

整個渦輪增壓耐磨型傳動連桿工藝如下所示：

3.1.1 加工階段的劃分和加工順序的安排

連桿是一種剛性較差的工件，容易在外力的作用下彎曲;在連桿加工的過程中，孔隙的加工量最大，通常采用切削的方式進行加工，而切削加工會增大本身的應力，使連桿變形。因此，在對連桿進行加工時，需要將各個工序分隔開。使得每個工序中產生的變形能夠在下步工序中得到修正，最后達到零件的基本要求。連桿工藝包括粗加工工藝、半精加工工藝和精加工工藝，在安排加工工序時，需要先定位基準面，才能進行下道工序。

3.1.2 定位基準的選擇

由于連桿屬于不規則的形狀，為了對其進行定位，需要根據實際情況選擇定位基準面，通常連桿的大、小頭端面不在同一平面上，使得定位時容易產生誤差，因此，選擇凸臺作為輔助基準面，可以有效提高定位的穩定性。

3.1.3 確定合理的夾緊方法

連桿的剛性較差，容易受到夾緊力的影響，在進行夾緊的過程中，應注意作用力的大小以及方向，防止夾緊力過高使連桿產生變形，造成連桿加工時的精度降低。

在進行連桿的生產過程中，夾具的端面需要進行粗銑，這樣設計出來的夾具可以保證夾緊力與端面相平行，由于兩頭端面的剛性比較大，即使因為夾緊力的原因連桿受到了一點變形，連桿的兩端也能平行在夾具的端面上，因此，稍微的變形對端面與連桿的平行度影響不大。而且夾緊力是通過輔助元件作用在定位夾具上，可有效防止連桿在加工過程中發生彎曲的情況。

3.1.4 主要表面的加工方法

連桿加工時的基準面是根據連桿的兩個端面決定的，在連桿的生產工序中，需要反復進行精化、檢驗再加工的過程，來保證連桿加工后的定位精度。但是這種生產方式的效率很低，不適合大批量的生產，所以在進行大批量生產的過程中，還是多采用打磨的方式。

在對兩端面進行銑削時，應保持連桿的軸線與端面相對稱，并對桿身進行固定，常見的銑削方法有：①將兩把硬質端銑刀盤安裝在專用銑床上，并對工件進行夾緊，在工作臺的送料機構的帶動下，工件進行粗銑加工，加工完畢后，通過旋轉再對另一個端面進行加工;②利用多軸龍門銑床上不同方向的銑刀對工具進行自動化加工，從而完成兩端面的銑削。

在采用磨削加工的過程中，一般通過平移并旋轉磨輪，使磨輪與端面接觸從而進行磨削，在對連桿的大批量生產時，可以通過磨輪對兩個端面及逆行同時磨削，從而保證端面的平行度，極大的提高了磨削的效率。

3.2 大、小頭孔的加工

在連桿加工過程中，最精細的工序就是對連桿大、小頭孔的加工，其工序非常復雜，要求很高，而且是決定連桿質量的關鍵因素。

一般的加工工序是先對大小頭孔分別進行加工，再將其組合起來，在進行精細處理。

由于小頭孔的尺寸較小，所以在進行鍛造的過程中無法設置預設孔，因此，小頭孔通常采用鉆削的方式進行加工。而大頭孔的尺寸相對較大，可以在進行鍛造的過程中完成預設孔的鍛造，所以大頭孔的鍛造相對與小頭孔而言，更加復雜，且需要經歷粗鏜到精鏜的整個過程。

為了保持大、小頭孔的加工精度，在加工過程中通常采用鏜孔的方式。當加工工序造成大、小頭孔傾斜時，鏜孔能進行修正，來保證孔與面之間的定位精度。由于連桿的孔徑比較小，所以鏜桿的尺寸不會影響大、小頭孔的加工。

在進行大、小頭孔精鏜的過程中，通常采用雙軸的方式進行加工，從而提高大、小頭孔精鏜的加工效率。

為了減少大、小頭孔的表面粗糙度，需要對大、小頭孔進行光整加工，以保證大、小頭孔的加工質量。

3.3 定位基準選擇

根據連桿加工工藝規范，在對工件進行裝夾的過程中，需要對定位基準進行選擇，定位基準影響加工的尺寸精度，是連桿加工工藝的首要步驟。在大多數的情況下，連桿的質量取決于定位基準的正確性。因此，定位基準是連桿加工工藝的重點內容。

定位基準的選擇標準是選擇能夠確定連桿形狀的各個基點。

在進行定位基準的選擇時，要確保工件的加工精度，因此，定位基準要進行多項選擇，并從經濟可靠的角度出發，一般采用以下的選擇方式：

在進行精基準的選擇時，除了要保證加工精度，還要將工件的安裝方便考慮進去，如圖3所示。

①由于連桿在加工過程中需要對各個加工表面進行逐一加工，因此，在組合的過程中需要進行多次反復安裝才能達到標準尺寸，所以為了保證連桿的整體精度，應該制定統一的定位基準，使大多數工序都能在同一基準面上進行。②由于連桿容易受到外來作用力的影響，導致各個加工表面的位置精度出現偏差，所以在選擇基準面的過程中要選擇定位準確的基準面做標準。③在對基準面的選擇時可以根據圖紙上的標準進行選擇。從而保證實際的定位基準與設計標準相一致，從而減少尺寸上的誤差。

根據以上原則，在對連桿大小端面進行加工的過程中，需要先將定位基準面加工出來，并保證定位基準面具有很高的精度。

在對基準面進行定位時，通常將夾具的大小端面作為基準面，若大小端面之間的間距較大，可作為導向基準面，若大小端面之間的間距較小，可作為止推基準面。

這樣的定位方式有效的統一了連桿在基準面上的選擇，其好處有：①使大部分工序都能使用統一的選擇標準，從而減少基準轉換時帶來的誤差，而且在對同一精度要求的加工表面提供了便利，從而使連桿的軸線平行度達到標準要求。②在進行小端孔的設計過程中，通常以端孔的端面作為設計基準，這種方式設計出來的小端孔誤差基本為零。③降低了工藝設計過程中的難度，從而提高了夾具設計的效率，節約了加工時間，降低了夾具的生產成本。

在對小端孔進行加工的過程中，通常采用可伸縮的短銷對小端孔進行定位，在定位完成后，再將短銷取出。

3.4 確定合理的夾緊方法

連桿的剛性較差，在夾緊力的作用下容易產生彈性變形，如果在夾緊狀態下完成了對精度的檢測，松開之后，工件的精度會造成很大的影響，所以在對定位基準的選擇時，應該將夾緊力的作用點考慮進行，從而保證連桿精度的準確性。

在確定夾緊力的作用點時，要保證夾緊力對工件的變形影響最小。

夾緊力著力點的選擇不能偏移工件定位時的定位點，如果著力點的選擇出現問題，就會使工件在定位時出現誤差。

通常工件在切削時會產生振動，振動產生的作用力會對夾緊力造成影響，若夾緊力太小，會使工件在振動力的作用下出現偏移，若夾緊力太大，會造成工件的定位點出現誤差。因此，夾緊力應該靠近加工面，來降低震動對工件誤差產生的影響。

由于連桿是一種剛性較差的工件，很容易產生變形，所以夾緊力的著力點要選擇工件剛性強的部位，要避免選擇軟性的部位，防止連桿變形，保證連桿的加工精度。

3.5 連桿兩端面的加工

連桿端面的加工精度與連桿大小頭孔的同軸度有關，在加工的過程中要選擇合適的著力點，以避免夾緊力使連桿變形，從而對定位基準造成影響。

3.6 連桿大、小頭孔的加工

對連桿大小頭的加工決定定位基準的準確度。在進行連桿孔加工的前序步驟時，通常以凸臺為定位基準。進行鏜削工藝時，需要選擇合適的夾具，通過液壓或者手動的方式進行定位加工。

3.7 連桿螺栓孔的加工

螺栓是連接連桿體和蓋的主要部件，因此，螺栓受到很大的作用力，其質量的要求很高。當螺栓出現問題時，會造成連桿體和蓋的接觸不良，從而引發重大事故，故在加工螺栓時，要仔細鑒別螺栓的好壞，使得螺栓能夠達到相應的要求。

3.8 連桿體和蓋的銑開工序

連桿體和蓋的銑開工序應滿足可靠性的要求，從而防止連桿蓋的變形，要滿足可靠性的要求必須要降低銑削過程中連桿體和蓋的夾緊程度，還要保證壓板與銷對稱，從而提高連桿體和蓋的穩定性。

3.9 加工小頭孔

小頭孔加工時分為三個階段。這樣可以降低切削過程中產生的應力。從而在加工過程中可以切除大量的金屬材料，提高小頭孔的加工精度。

3.10 精鏜大頭孔

大頭孔鏜削需要在銑床上進行，這樣可以提高連桿孔的加工精度，而且自動化操作，還可以降低勞務成本。

3.11 小頭孔壓入襯套

在將襯套壓入小頭孔時，需要用到專業工具來完成，才能提高小頭孔與襯套之間的牢靠性。

3.12 鏜小頭襯套孔

在對鏜小頭的連桿體進行定位時，需要對凸臺和小頭進行定位插銷，從而保證連桿的加工精度。

3.13 珩磨大頭孔

珩磨是一種高效的加工方式，而且珩磨加工的精度很高。在磨削連桿大頭孔時，其同軸度必須要保證在4μm以下，另一方面珩磨加工面需要有較高的支撐率，從而延長大頭孔的使用壽命，再加上珩磨的速率較低，使得工件的發熱量較小，從而降低連桿的變形程度。

由于珩磨時連桿孔需要與珩磨頭相接觸，由于珩磨時磨頭需要做旋轉和往復運動，所以珩磨石往往采用耐磨材料。珩磨頭的精度決定連桿孔的精度。本工序選用臥式珩磨機，見表3。

3.14 新型連桿工藝實踐效果

為深入分析本文新型連桿工藝，將其與車床常用的制造工藝相比，如表4所示。鑄造工藝成本較低、產品性能好，但是生產的產品廢品率高。模鍛工藝生產的產品性能好，但成本較高。粉末鍛造工藝材料利用率高，但生產成本高。基于本文提出的新型連桿工藝來看，在成本方面以及產品性能、精度、材料利用率方面都進行優化，在產品的質量方面有待進一步的優化。

4 ?結論

全文詳細介紹了一種汽車渦輪增壓耐磨傳動連桿組件的制造方法，連桿是一種剛性較差的工件，采用切削的方式進行加工，并通過分隔工序的方式修正制造過程中的缺陷。然后通過粗加工工藝、半精加工工藝和精加工工藝完成產品的制造。產品的整個結構運行平穩可靠，并且還能夠滿足精度和動力性能指標，整個結構設計思路清晰，結構合理，具有耐磨損、耐高溫等特性。并且產品的質量偏差小、成本低、材料利用率高，但是在產品的質量上有待進一步地提升。

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作者簡介：李新安（1982-），男，江蘇銅山人，現供職超捷緊固系統（上海）股份有限公司，中級工程師，上海大學機械工程專業本科畢業，上海財經大學管理學學士，研究方向為車用渦輪增壓器技術。