涨断连杆精镗大小头孔工序工装优化设计研究

高志华，潘春生，刘 旸

(1.河南工业职业技术学院机械工程学院，河南 南阳 473000) (2.卧龙电气南阳防爆集团股份有限公司，河南 南阳 473000)

连杆是汽车发动机的重要传动部件，主要负责对曲轴、活塞进行连接，需要承担弯曲、压缩以及拉伸等交变载荷，其对发动机正常运转极为关键[1]。涨断连杆加工技术属于国际最新连杆加工技术。与传统加工方式相比，涨断加工方式具有加工工序少，设备及人工成本低，体、盖断裂面结合质量高，综合生产成本低的优点，且连杆抗剪能力以及承载能力提升显著，该技术为发动机高质量生产提供了保障[2-3]，已逐渐代替传统的平切连杆加工技术成为市场主流。

目前多数连杆加工企业正在进行着生产转型，逐渐以柔性自动化生产线代替传统的专机生产线，以适应涨断连杆的加工，因此需要对传统加工工艺进行整合优化，以达到减少加工工序、提高加工效率的目的。本文以连杆加工中的重要工序——精镗大小头孔工序为例，提出一种稳定性好、适应性强且更为经济合理的加工方案。

1 连杆精镗大小头孔工序的主要加工技术要求

连杆作为汽车的5大关键件之一，其加工质量对发动机的安全稳定运行起着至关重要的作用。连杆的部分关键尺寸公差、几何公差等级需要达到IT6级，图1所示为某发动机的涨断连杆简图。

图1 某发动机涨断连杆简图

由图可知，该连杆的关键控制尺寸如下：连杆中心距尺寸公差为0.025 mm；连杆大头孔径尺寸公差为0.015 mm；小头孔径尺寸公差为0.008 mm；大、小头孔圆柱度公差为0.005 mm；大头孔中心轴线对大头端面的垂直度公差为0.03/100 mm，大头孔内存在两个长15 mm、宽2.0 mm、深1.9 mm的瓦片槽；大头孔倒角深度(0.75±0.1) mm，小头孔倒角深度(0.3±0.1) mm。

2 连杆大小头孔传统工装设计方法

连杆工件在涨断装配后，其大小头孔的传统加工工艺流程为：半精镗大小头孔—铣瓦片槽—精镗大小头孔—大头孔倒角—小头孔倒角—铣小头斜面—珩磨大头孔—珩磨小头孔—成品检验。

由此可见,传统工艺流程中连杆在装配后工序较多，带来了设备成本和人工成本的增加，而且工件多次装夹易出现重复定位误差，增大了工件报废风险，所以整体加工效率偏低，废品率高。

在连杆加工工艺流程中，精镗大小头孔工序是连杆加工的关键工序，该工序的加工质量直接影响产品的成品质量，该工序的质量监控点为：两孔中心距尺寸，大小头孔的水平方向和垂直方向的平行度要求，大小头孔的直径尺寸。

传统加工工艺中，精镗大小头孔工序一般在单面金刚镗床上完成，该工序的工装如图2所示。连杆在装夹时，大小头孔端面贴着夹具垫板2放至需夹紧位置，小头孔穿入小头定位芯棒11，大头端一侧通过大头支撑销9定位，另一侧通过大头压紧机构3辅助压紧，然后通过拉杆5和拉杆螺母8使夹具压板4压紧工件，工件压紧后抽出小头定位芯棒，工件完成夹紧。

但该夹具在加工时只能进行单件生产，生产过程需要频繁装夹，易造成夹具垫板2及夹具压板4定位点磨损，从而造成产品大头孔端面垂直度和两孔平行度超差，且夹具修磨、调整比较繁琐，需将夹具垫板、压板修磨后，反复调整夹具体1、夹具垫板2和支撑柱14，才能满足产品工艺要求，同时由于该工序加工过程中不使用切削液，因此在加工后夹具支撑点及垫板定位点处所粘得的铁屑及灰尘不易清理干净，以上因素造成该工序产品稳定性差，产品不合格率偏高。

1—夹具体;2—夹具垫板;3—大头压紧机构;4—夹具压板;5—拉杆;6—导向柱;7—垫板固定螺母;8—拉杆螺母;9—大头支撑销;10—支撑定位块;11—小头定位芯棒;12,13—锁紧螺母;14—支撑柱图2 传统工装夹具图

该工序是整个连杆生产的瓶颈工序和重点监控工序，因此需要对该工序传统工装进行优化改进，以达到既能提高产品质量，又能最大限度减少加工工序的目的，从而降低生产成本，提高产品的加工效率。

3 连杆大小头孔传统工装优化设计

3.1 工装方案设计

通过对涨断连杆装配后5个工序的优化组合，制定了一种更为合理的加工方案，拟采用立式加工中心一次装夹完成装配后的5个工序的加工，优化后加工流程可简化为：半精镗大头孔—铣瓦片槽—精镗大小头孔及大小头孔倒角—铣小头斜面—珩磨大头孔—珩磨小头孔—综合检验。

由上述加工流程可见，优化后将半精镗大头孔、铣瓦片槽、精镗大小头孔及大小头孔倒角合并在一个工序内完成。同时为更好地保证大头孔圆柱度公差要求，该工序内将铣瓦片槽安排在半精镗大头孔后、精镗前进行加工；考虑到小头孔为定位孔，且小头孔内镶有铜套，质地偏软，将小头孔加工安排在精镗大头孔前。因此该工序内6个工步的加工顺序为：半精镗大头孔—铣瓦片槽—精镗小头孔—精镗大头孔—大头孔双面倒角—小头孔双面倒角。

3.2 工装定位、夹紧结构方案确定

根据连杆结构和加工特性，工件在装配后，大头孔需在已粗加工的基础上再经过半精、精加工，加工余量为1.2 mm，并且需要经过铣槽加工，小头孔内镶有铜套，加工余量为0.5 mm。根据加工要求分析，工件定位需要限制工件的6个自由度，同时综合考虑工件定位的稳定性和方便工件装夹，工装定位采用一面两销的定位结构[4]，即使用已精磨后的端面做主要定位基准，小头孔使用弹性圆柱销、大头孔使用菱形销完成工件定位，主压紧采用90°旋转液压装置[5]。

考虑到工件夹紧后需要进行镗孔加工和孔内倒角加工，定位销完成定位后需退回一定距离，以保证镗孔及双面倒角的加工空间，因此该夹具将大、小头定位销通过连接柱同气缸相连，以完成定位销的伸出定位和退回。夹具平面定位支撑方式采用三点支撑，其中在大头端面布置2个支撑点，小头端面布置1个支撑点，支撑点位置同主压紧位置相同；在夹具安装、调试完成后，通过设备自身对3个支撑点进行铣平面加工，以保证加工工件的水平平行度、垂直平行度及端面垂直度要求。定位夹紧机构如图3所示。

由图可知工件在装夹时，打开定位气缸开关，小头定位销8及大头菱形销13伸出，将工件大小头孔牢固地套在定位销上，打开液压夹紧开关，工件通过旋转液压缸5，将工件压紧，关闭定位气缸，定位销退出，工件装夹完成。

工装局部布局如图4所示。由于实际生产需要，工装要求有更大的兼容性，以适应不同型号的产品，因此将工装定位板设计成分体结构，即工件大头孔和小头孔定位装置布置在两块独立的垫板上，其中将大头垫板做成可调节的活动板，即图4中的大头调节板，大头调节板同夹具支撑板21(见图3)之间使用导向滑键定位导向，这样在切换产品时只需要更换调整块11、小头定位销8和大头菱形销13(见图3)便可以完成，大大缩短了产品切换、调整时间。

1—小头定位气缸；2—小头固定板；3—小头导向套；4—小头连接 轴柱；5—旋转液压缸；6—工件；7—小头压板；8—小头定位销；9— 小头支撑块；10—小头固定座；11—调整块；12—大头固定座；13— 大头菱形销；14—大头压板；15—大头支撑块；16—大头紧定螺栓；17—大头连接柱；18—大头导向套；19—大头调节板；20—大头定 位气缸；21—夹具支撑板；22—夹具固定底板图3 连杆定位夹紧机构设计

图4 工装局部布局图

4 工装加工制造过程中的关键要素

工装的小头固定板2和大头调节板的加工质量是保证该工装精度的重点，因为该工装上不仅存在众多的安装孔系和液压油路，而且要保证在产品切换时各定位孔的相对位置不变，因此需要将两块板经时效处理后对两块板进行半精加工，并以板的一侧面为基准面进行精加工，然后将其固定在夹具支撑板21上，并反复测量、调整两板和支撑板的装配精度直至满足要求。在工装本体装配完成后，再使用加工中心对小头固定板2和大头调节板的安装基准面进行第二次精加工，然后对所有安装孔系一次加工完成，利用设备自身精度来保证各安装孔的相对位置及精度要求，避免上、下垫板单独加工时出现基准不统一带来的组装困难和产品切换时的调整困难。

5 结束语

本文通过对精镗大小头孔工序工装的优化改进，在一个工序内完成了多个传统工序的加工，解决了原工装稳定性差、调整不便的问题，提高了产品质量，降低了综合成本，缩短了产品调整时间，提高了生产效率。

工装实际应用统计表明，1年来产品的废品率由原来的0.04%降为0.02%，产品综合成本降低了3%，产品切换周期缩短了40%，优势明显，说明本文提出的加工方案是一种值得推广的方案。