不同工序下柴油機連桿加工變形預測方法

徐小燕

（南京測繪儀器廠，南京 210003）

作為柴油機中的傳動部件，連桿主要是將柴油機內部的活塞與曲軸相連接，使柴油機可以正常運行[1]。連桿內存在金屬軸瓦，可以減少磨損，通過驅動使柴油的能量轉化為電能。在柴油機運行時，柴油機內的混合氣體會持續燃燒，氣體通過膨脹運動，推行活塞，完成一次柴油機運作[2]。連桿會受到膨脹氣體與交變壓力的作用，造成連桿磨損或變形，影響連桿的強度與剛度。現階段，連桿主要利用粉末冶金的密度提高連桿強度與剛度[3-5]，但此種方法極易造成連桿在加工時的變形，影響加工質量。基于此，本文設計了在不同工序下的柴油機連桿加工變形預測方法，旨在提高變形預測精準度，為柴油機的運行提供保障。

1 不同工序下柴油機連桿加工變形預測方法設計

1.1 構建柴油機連桿的有限元預測模型

為了整體把控連桿加工變形的狀態，構建出柴油機連桿的有限元預測模型，對柴油機連桿的有限元模型進行網格劃分，利用連桿倒角的特性，將柴油機的應力簡化，并對應力集中部位進行優化，保證桿頭、小頭孔等危險部位的加密效果[6]。連桿有限元預測模型如圖1 所示。

以加工危險程度為核心，將危險部位的有限元網格進行密集劃分，將安全區域進行稀疏劃分，保證模型的整體溫度場在標準范圍內。此時的連桿溫度場變化參數見表1。

表1 溫度場的變化參數

如表1 所示，本文針對溫度場的泊松比、比熱容、對流換熱系數進行分析，溫度每升高20 ℃，對流換熱系數將會隨之增加，保證溫度場的高度一致性。

1.2 基于不同工序施加預測模型的邊界條件

連桿的應力大小與模型相關，需要對不同工序下的連桿應力進行約束，從而減少加工時變形的情況[7]。根據連桿的結構特點，將連桿設計成一個具有對稱結構的部件。由于連桿形狀不規則，無法直接對模型的邊界條件作出判斷，因此需要對連桿內部的局部應力情況進行計算：

式（1）中：Cstress為連桿加工變形時的應力；Tcapacity為連桿膨脹系數；Cexpansion為連桿的總承受力；Sresidual為連桿加工時的內部殘余應力。

不同工序下會產生應力的不定量影響，從而加劇連桿變形的情況。因此，將模型的邊界條件設置為桿身的自由度變化，將桿身的自由度作為加工變形的約束條件，細化模型中的微小誤差，保證模型的預 測精度。

1.3 進行連桿加工熱處理

為了實現柴油機連桿加工變形的精準預測，在模型邊界條件的基礎上，對連桿進行加工熱處理。假設柴油機連桿的初始加工溫度為T0，對此時的連桿進行離散化處理，并在熱力學分析的基礎上劃分出連桿單元節點，處理連桿加工變形預測問題[8]。由于連桿加工熱屬于瞬時過程，溫度將會隨著時間而改變，因此熱處理過程可表示為：

式（2）中：Kc為處理后的連桿熱應力，N·m-2；Tmax為最高加工溫度，℃；t 為時間，min；Qr為熱強度，W·m-2。根據此處理過程，可以消除連桿加工變形的熱應力誤差，保證連桿加工變形的預測精度。

2 仿真實驗

2.1 實驗準備

為了保證實驗的真實效果，本文選取F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10、F11、F12共12 個出現變形的連桿進行測試，分別選用45°、60°、75°作為螺旋角度，此時連桿小頭孔的變形平面圖如圖2 所示。

由圖2 可以看出，在連桿加工過程中，A、B、C、D 這4 個點極易出現變形，圖2 顯示的是D 點出現變形，此時不同工序角度最大型變量見表2。

由表2 可知，在不同的前角與螺旋角度中，連桿的最大變形量也相應不同。60°時，最大變化量相差較多，直接影響加工效果。在此基礎上，對連桿加工材料屬性參數進行分析，結果見表3。

表3 連桿加工材料屬性參數

由表3 可看出：連桿的抗拉強度標準指標不小于1 080 MPa 即可；屈服強度指標不小于930 MPa；伸長指標與斷面收縮指標分別需要超過0.12 與0.45，保證連桿的加工效果；沖擊能量不小于63 J，韌性強度不小于78，布氏硬度不大于217 HB 即可。因此，本文選取的連桿加工材料參數均可以保證標準。

2.2 實驗結果

在上述實驗環境下，本文選取柴油機連桿變形的銑面、鉆定位孔、銑小頭孔、鉸定位孔、鏜小頭孔、小頭孔倒角、鉆小頭油孔、連桿蓋、鉆螺栓孔以及鏜大頭孔等10 個不同的工序，將傳統預測方法與本文設計的預測方法進行對比，驗證兩種方法的預測效果，結果見表4。

由表4 可知，不同的工序目標誤差不相同，傳統預測方法的預測誤差較大，影響柴油機連桿的實際加工效果，無法對其進行精準的預測，實際應用效果不佳。本文設計的預測方法與目標誤差相差較少，可以對柴油機連桿的實際加工變形狀態進行精準的預測。由此得出實驗結果如圖3 所示。

表4 不同工序下柴油機連桿加工變形預測誤差

本文以標準誤差10-5為例，傳統預測方法的誤差較大，本文設計的預測方法誤差結果較小，可以應用于實際柴油機連桿加工過程，符合本文研究目的。

3 結語

近年來，柴油機可靠性與實用性較強，廣泛應用于大型機械。在各種材料改進后，柴油機的加工工藝開始變革。連桿作為柴油機的關鍵部件，在柴油機的傳動過程中具有重要作用。但是現如今，隨著連桿大量加工生產，變形的情況越來越普遍。因此，本文對連桿的抗拉強度、屈服強度、伸長、斷面收縮指標、沖擊能量、韌性強度以及布氏硬度等指標進行分析，設計了不同工序下柴油機連桿加工變形預測方法，旨在減少加工變形誤差，提高連桿的加工精度，進一步保證柴油機的穩定運行，為大型機械裝置的正常使用提供保障。