連桿超聲輔助裂解加工方法及其加工裝置與流程

本發明涉及連桿加工領域，尤其涉及到連桿超聲輔助裂解加工方法及其加工裝置。

背景技術：

傳統的連桿加工方法的主要工序是對鍛件毛坯首先粗銑，磨連桿的兩個側面，并將連桿蓋與桿銑開，分別加工連桿蓋與桿上的螺栓孔，再分別磨削連桿蓋與桿部的結合面，最后對裝配在一起的連桿進行精磨兩側面、精鏜大小頭孔等工序。傳統的加工工藝中的桿與蓋的切斷以及桿與蓋結合面磨削這兩道工序的生產效率較低，并且對加工精度的要求比較高，加工之后的廢品率較高，花費成本較大，目前世界上使用傳統加工方法的工廠已經很少了。

連桿裂解是利用材料斷裂理論，首先在鍛造的連桿毛坯大頭孔上開裂解槽，形成應力集中。然后在裂解加工設備上對連桿大頭孔內側面施加徑向力，使裂紋由內向外不斷擴展直至連桿完全裂解。最后在斷裂面完全嚙合的條件下，穿入螺栓并擰緊至所要求的扭矩。裂解加工方法為整體加工，僅需6道工序，具有加工方法簡單、節省精加工設備、節材節能、生產成本低等優勢。連桿裂解工藝憑借其巨大的優越性已被世界上大部分連桿加工產商所選擇，但是連桿裂解過程中很難控制斷裂面的變形和保證斷裂面的質量，會導致連桿裂解后不能完全嚙合，到目前為止還沒有找到較好的解決辦法，因而裂解連桿的材料受到一定的限制，無法對常規的連桿材料如40cr鋼進行裂解。

自從連桿裂解加工技術產生以來，美國福特公司、mts公司、德國alfling公司以及日本的多家公司先后研究開發了裂解加工設備。例如美國通用公司采用“氣動下拉式”方法對連桿進行裂解加工，并申請了專利，其專利公開號為us4768694，專利公開日期sep.6,1988；美國福特公司采用“水平式”工裝對連桿大頭孔進行裂解加工，其專利公開號為us5105538a，專利公開日期apr.21，1992；美國mts公司采用“裝有液壓活塞的裂解塊”進行裂解加工，其專利公開號為us4754906a，專利公開日期jul.5,1988；德國alfling公司采用“水平力作用”的工裝進行裂解加工，其專利公開號為us5169046，專利公開日期dec.8,1992；日本實用新型者采用“偏心轉軸作用方式”進行裂解加工，其專利公開號為特開平11-245122，專利公開日期平成11年1999月14日……，上述生產技術或專利技術中主要存在的主要問題是在裂解完成后，連桿大頭孔變形較大，桿與蓋接合面變形較大，影響桿與蓋的嚙合質量和裝配精度，并無法對常規的連桿材料如40cr鋼進行裂解。

吉林大學自行研究開發了具有“背壓”裂解功能的連桿定向裂解機床，并申請了專利，其專利公開號為cn2511428y，專利公開日期為2002年9月18日。連桿定向裂解機床采用下拉式楔形裂解機構，通過由液壓缸驅動的楔形拉桿沿軸向直線運動，靠楔形拉桿的作用迫使專門設計的脹斷移動套水平運動，對連桿大頭孔施加水平作用力，在瞬時載荷的作用下完成連桿大頭的快速裂解過程，但同樣也存在以上問題。

專利公開號為cn202701336u，專利公開日期為2013年1月30日，該專利方法是在傳統的連桿材料如40cr鋼上需裂解面處使用脆性金屬，形成復合雙金屬裂解連桿，使如40cr鋼連桿材料可以進行裂解加工。但是雙金屬裂解連桿增加了復合雙金屬制造工藝，很難應用到大規模生產，而且復合雙金屬連桿未能很好解決其他裂解方法的裂解過程中的變形、掉渣、嚙合質量和裝配精度等問題。

有文獻資料對振動載荷下合金的裂紋擴展進行了研究，發現高頻振動下，帶有缺口的物體會在缺口處迅速形成應力集中現象，加快物體在缺口處的斷裂；同時可以削弱裂紋尖端的塑性區和殘余應力對裂紋擴展的影響，但是并未對高頻振動產生裂紋、振動對裂紋的控制以及提高斷裂面的嚙合質量有所描述，也未有把振動用于連桿裂解。

在連桿裂解過程中使用超聲振動進行輔助加工，可以有效地減小連桿裂解時所需的裂解力、減少斷裂面的變形、減少裂解過程中斷裂面的掉渣數，減少了斷裂線偏移、連桿大頭孔失圓、單邊裂解、裂紋分叉等情況的產生，從而可以降低加工成本，提高連桿與蓋的定位精度以及裝配質量，進而提高連桿裂解的生產效率和合格率。

技術實現要素：

根據上述問題，本發明連桿裂解過程中使用超聲振動進行輔助加工，可以有效地減小連桿裂解時所需的裂解力、減少斷裂面的變形、減少裂解過程中斷裂面的掉渣數，減少了斷裂線偏移、連桿大頭孔失圓、單邊裂解、裂紋分叉等情況的產生，從而可以降低加工成本，提高連桿與蓋的定位精度以及裝配質量，進而提高連桿裂解的生產效率和合格率。

在連桿裂解工藝中加入超聲振動，連桿上產生應力波，其頻率為超聲振動的頻率；超聲應力波在連桿上傳播時，連桿處在交變載荷的作用下；將超聲振動加到連桿上，從微觀上看，微小裂紋在交變載荷的作用即應力波的作用下逐漸長大；同時又因為超聲振動波在裂紋面上進行折射和反射，越是離裂紋尖部近的越容易發生相互沖擊或者相互摩擦，裂紋尖部越容易斷裂；超聲振動波就在連桿內部傳遞，但超聲應力波經過裂紋時，裂紋兩邊的金屬材料的振動并不一致，裂紋的兩側頻繁的進行接觸和分離，超聲波通過裂紋尖部時裂紋相互撞擊和滑動轉化為熱，裂紋尖部溫度最高，這些都有助于減小裂紋擴展過程中的阻力；同時從微觀動力學角度看，超聲振動波作用于裂紋實際上是存在一個慣性力對裂紋尖部進行作用，裂紋在交變載荷作用下擴展，由于一直有交變力作用于裂紋區域，力的每一次交變裂紋就會長大一次；由于裂紋的開裂和位錯的反射一直沿著晶格滑移的方向進行，因此在超聲振動裂解的情況下，裂解更容易，裂解力更低；超聲振動頻率和振幅的增大對連桿裂紋擴展有很大的影響；超聲振動頻率和幅值的增大在微觀上會導致材料微粒子的振動頻率和振動幅值的增大；超聲振動的頻率和振幅增大后，連桿材料粒子的動能增大，導致裂紋尖部熱能和疲勞載荷增大，引起裂紋尖部的疲勞斷裂和熱變形；同時引起裂紋尖部的慣性力增大，從而促進裂紋尖部開裂和晶格位錯的發展，裂紋只有在裂紋尖部的動能消耗完畢才會停下來，因此振動幅值和振動頻率的增大加快了裂紋的擴展。

在常規的裂解加工裝置上設置超聲振動，通過控制超聲振動的振幅、頻率和振動模態，使連桿裂解區域材料處于超聲振動之中，并且在連桿裂解槽區域迅速形成應力集中現象，加速連桿的斷裂，削弱裂紋尖端的塑性區和殘余應力對裂紋擴展的影響。通過控制超聲振動的振幅、頻率和振動模態，來控制裂紋的擴展和斷口的形成，并在楔形拉桿力和超聲振動的共同作用下完成裂解分離。

完成連桿的裂解分離后，把裂解分離后形成的裂解面合上，重新調整超聲振動的振幅、頻率和振動模態，在超聲振動的作用下使裂解斷面以低振幅高頻率相互磨合，減少因連桿裂解斷面上倒勾、尖銳棱角以及雜質對嚙合質量的影響，使裂解面達到要求的吻合度，提高桿與蓋接合面的嚙合精度，提高連桿裝配質量。

連桿超聲輔助裂解加工方法，在常規的裂解加工裝置上設置超聲振動，通過控制超聲振動的振幅、頻率和振動模態，使連桿裂解區域材料處于超聲振動之中，對裂紋尖端的塑性區和殘余應力實施控制，改善裂解質量；把裂解分離后形成的裂解面合上，重新調整超聲振動的振幅、頻率和振動模態，在超聲振動的作用下使裂解斷面以低振幅高頻率相互磨合，減少連桿裂解斷面上倒勾、尖銳棱角，使裂解面達到要求的吻合度，提高裂解連桿的裝配質量；包括如下步驟：

步驟s1：將機架安裝在實驗臺上，在待裂解的連桿的大頭孔開設裂解槽，將待裂解的連桿的小頭端安裝在小頭定位塊上，將連桿的大頭端安裝在裂解定套與裂解動套上；

步驟s2：調試絲杠螺母機構從而帶動小頭定位塊使得連桿的小頭端有一定的壓緊力，調整水平壓緊油缸從而帶動壓緊塊使得連桿的大頭端有的壓緊力，同時調試垂直鎖緊油缸從而使得壓緊塊的壓緊穩定，連桿兩側壓緊力約為裂解力的

步驟s3：調整變幅桿、換能器和超聲電源系統中的超聲振動的振幅、頻率和振動模式，啟動超聲電源，從而使得楔形拉桿在一定的振幅、頻率和振動模態上振動；

步驟s4：啟動裂解液壓缸，從而帶動楔形拉桿以一定的速率下移，使得分離的連桿的大頭端形成裂解裂紋面后關閉超聲電源；

步驟s5：重新調整超聲振動的頻率、振幅和振動模態，或使用原超聲振動參數，啟動超聲電源，重新啟動裂解液壓缸，使得楔形拉桿上移，從而使得楔形拉桿再次與裂解定套和裂解動套在超聲振動環境下緊密結合；從而分離的連桿的大頭端重新合上，此時，關閉裂解液壓缸使其停止工作；

步驟s6：根據連桿大頭端上的刻度標記，利用激光測距裝置檢測裂解面吻合度，使嚙合精度達到使用要求，關閉超聲電源；裝配螺栓，完成裂解工作。

進一步的，超聲振動輔助加工可以用其它的振動方式代替。

進一步的，連桿裂解時超聲波發生器頻率的調節范圍15khz-60khz；超聲波振幅范圍為100μm-200μm；超聲波在裂解過程采用的振動模式為軸向振動或徑向振動，振動方向與楔形拉桿的運動方向相同。

進一步的，調節裂解液壓缸對楔形拉桿(12)的拉力q與水平作用在連桿上的裂解力n之間的關系為：其中：α為楔形塊楔角，為楔形塊與定套之間的摩擦角，為楔形塊與動套之間的摩擦角。

進一步的，連桿裂解后嚙合過程，頻率調節范圍為20khz-60khz，超聲波振幅范圍為20μm-150μm，超聲波在裂解過程采用的振動模式為軸向振動或徑向振動；

基于連桿超聲輔助裂解加工方法的加工裝置，包括連桿小頭孔壓緊機構、連桿大頭孔裂解機構、連桿蓋壓緊機構、滑塊機構、激光測距系統以及超聲振動系統組成，其特征在于在常規的裂解加工裝置上設置超聲振動，通過控制超聲振動的振幅、頻率和振動模式，使連桿裂解區域材料處于超聲振動之中，控制材料的微觀裂解形貌，減少裂解時的塑性變形，在楔形拉桿力與超聲振動的合力作用下完成裂解分離，然后重新調整超聲振動的頻率和振幅，或使用原超聲振動參數，使裂解分離后形成的裂解面在此超聲振動條件下進行合裝，在超聲振動的作用下使裂解面達到要求的吻合度；

所述連桿小頭孔壓緊機構包括絲杠螺母機構向右推動調整塊體，使安裝在調整塊體上的小頭定位塊定位、壓緊連桿，檢測系統包括激光測距裝置、裂解定套和裂解動套上的刻度，可以檢測裂解面的吻合度，超聲振動機構包括變幅桿、換能器以及超聲電源，變幅桿與楔形拉桿通過螺柱連接，變幅桿通過固定臺安裝在導軌架上，隨著楔形拉桿的上下移動而在導軌架上移動，在工作過程中產生豎直方向上的振動。

進一步的，絲杠螺母機構向右推動調整塊體，使小頭定位塊壓緊連桿。

進一步的，超聲振動可加載在背壓裝置上。

進一步的，超聲振動裝置的變幅桿與楔形拉桿通過螺柱緊密連接，使楔形拉桿在工作過程中產生豎直方向上的振動，并且超聲振動裝置通過固定臺隨著楔形拉桿上下移動而在導軌架上移動。

進一步的，脹套內的下拉式楔形拉桿與裂解液壓缸間的連接有震動隔離器。

有益效果：

1.該加工方法擴大了裂解連桿使用材料的范圍，減小連桿裂解時所需的裂解力、斷裂面的變形、裂解過程中產生的掉渣、連桿大頭孔端失圓等情況的產生，提高連桿與蓋接合面的嚙合精度，提高連桿裝配質量和裝配精度。

2.在常規的裂解加工裝置上設置超聲振動，通過控制超聲振動的振幅、頻率和振動模態，使連桿裂解區域材料處于超聲振動之中，削弱裂紋尖端的塑性區和殘余應力對裂紋擴展的影響，通過控制超聲振動的振幅、頻率和振動模態，來控制裂紋的擴展和斷口的形成，減小連桿裂解時所需的裂解力、斷裂面的變形、裂解過程中產生的掉渣、連桿大頭孔失圓等情況的產生，并在楔形拉桿力和超聲振動的共同作用下完成裂解分離。

3.完成連桿的裂解分離后，把裂解分離后形成的裂解面合上，重新調整超聲振動的振幅、頻率和振動模態，在超聲振動的作用下裂解面相互磨合，使裂解面達到要求的吻合度，提高連桿與蓋接合面的嚙合精度，提高連桿裝配質量。

4.采用一種連桿超聲輔助裂解加工方法與裝置，擴大裂解連桿使用材料的范圍，對常規的連桿材料如40cr鋼可以進行裂解。

5.減小連桿裂解時所需的裂解力、斷裂面的變形、裂解過程中產生的掉渣、連桿大頭孔失圓等情況的產生，使原來常規的裂解工藝更加完善。

6.在超聲振動的作用下裂解面相互磨合，使裂解面達到要求的吻合度，提高桿與蓋接合面的嚙合精度，提高連桿裝配質量。

7.調整超聲振動的振幅、頻率和振動模態，可以適應不同材料、不同尺寸的連桿的裂解要求；可有效減少加工成本，降低廢品率。

8.楔形拉桿與裂解液壓缸之間設置有震動隔離器，可以起到減緩裂解液壓缸隨著楔形拉桿振動，提高裂解液壓缸工作的穩定性。

附圖說明

圖1為連桿超聲輔助裂解加工裝置的主視圖；

圖2為加工后的連桿大頭裂解示意圖；

圖3為裂解力和超聲振動的合力示意圖。

附圖標記如下：

1.裂解液壓缸；2.矩形連接塊；3.連接支架；4.機架；5.定塊；6.導向套；7.絲杠螺母機構；8.調整塊體；9.小頭定位塊；10.連桿；11.裂解定套；12.楔形拉桿；13.變幅桿；14.換能器；15.超聲電源；16.裂解動套；17.連桿蓋；18.壓緊塊；19.定位銷；20.水平壓緊油缸；21.水平油缸活塞桿；22.滑塊；23.連接塊；24.定位螺桿；25.連接板；26.背壓油缸；27.液壓蓄勢器；28.活塞桿；29.垂直鎖緊油缸；30.滑塊座；31.刻度標記；32.激光測距裝置；33.垂直鎖緊液壓缸；34.背壓活塞；35.固定臺；36.導軌。

具體實施方式

為對本發明做進一步的了解，現結合附圖做進一步的描述：

結合附圖1，連桿超聲輔助裂解加工裝置，包括機架4、定塊5、滑塊22和滑塊座30；機架4固定安裝在實驗臺上，機架4上開設有孔；所述定塊5和滑塊座30均安裝在機架4上；滑塊座30上安裝有滑塊22；滑塊22和滑塊座30對應位置形成豎直階梯孔b，且形成豎直階梯孔b內安裝有垂直鎖緊油缸29；定塊5與滑塊座30和滑塊22相結合處組成豎直階梯孔a，且豎直階梯孔a內安裝有楔形拉桿12；所述楔形拉桿12下端安裝有矩形連接塊2；所述矩形連接塊2與裂解液壓缸1相連接；所述豎直階梯孔a上端安裝有裂解定套11和裂解動套16；所述裂解定套11和裂解動套16組成倒t形孔；所述楔形拉桿12穿過倒t形孔；定塊5上端面一側設置有凹坑，凹坑內設置有調整塊體8；所述調整塊體8一側設置有絲杠螺母機構7；所述絲杠螺母機構7包括絲杠螺母7-1和絲杠螺母座7-2；所述絲杠螺母座7-2固定安裝在定塊5側壁上；所述絲杠螺母7-1一端安裝在絲杠螺母座7-2上，另一端與調整塊體8配合；所述調整塊體8上端面上安裝有小頭定位塊9；所述楔形拉桿12上端設置有變幅桿13；所述變幅桿13上端與換能器14相連接；所述變幅桿通過固定臺35安裝在導軌36上；所述換能器14與超聲電源15相連接；裂解動套16右側設置有壓緊塊18；所述壓緊塊18通過定位銷19與水平油缸活塞桿21一端相連接；所述水平油缸活塞桿21安裝在水平壓緊油缸20內；所述水平油缸活塞桿21另一端與豎直的活塞桿28垂直接觸；所述活塞桿28安裝在垂直鎖緊油缸29內；所述活塞桿28與垂直鎖緊液壓缸33相連接；滑塊22遠離定塊5端的豎直面上設置有連接塊23和定位螺桿24；所述連接塊23和定位螺桿24另一端均設置在連接板25上，所述連接板25置于機架4上，且連接塊23通過背壓活塞34與背壓油缸26相連接，所述背壓油缸26與液壓蓄勢器27相連接。其中，所述楔形拉桿12與裂解定套11配合處為圓柱形，與裂解動套16配合處為錐形。楔形拉桿12上安裝有導向套6；所述導向套6固定在定塊5和滑塊座30下端。機架4下端設置有連接支架3；所述連接支架3上開設有孔，且孔與矩形連接塊2相配合。絲杠螺母座7-2為l形。楔形拉桿12與矩形連接塊2之間采用螺紋連接，為防止裂解液壓缸1中的活塞桿及楔形拉桿12的轉動，在裂解液壓缸1中的活塞桿與矩形連接塊2間采用螺母備緊，并在連接支架3的頂面板上開一個矩形窗口，其左右兩側面與矩形連接塊2保持公差配合關系。而楔形拉桿12向下運動過程中，用導向套6導向。

在連桿裂解加工中采用了“背壓式”的裂解方式，在裂解前絲杠螺母機構7向右推動調整塊體8，使安裝在調整塊體8上的小頭定位塊9定位、壓緊連桿10，同時一個水平壓緊油缸20通過連接在其活塞桿端部的壓緊塊18來壓緊連桿10的大頭端，由一個垂直鎖緊油缸29鎖緊，使得連桿10大頭端中心斷裂面處于預壓緊狀態。

當連桿10小頭端放入小頭定位塊9，連桿10大頭端置于裂解定套11、裂解動套16后，絲杠螺母機構7向右推動調整塊體8，使安裝在調整塊體8上的小頭定位塊9定位、壓緊連桿10，同時一個水平壓緊油缸20通過連接在水平油缸活塞21端部的壓緊塊18來壓緊連桿10大頭端蓋端，在水平油缸20驅動壓緊塊18壓緊連桿10后，垂直鎖緊油缸29立刻動作，使具有斜面的鎖緊活塞桿28上升并壓緊水平活塞桿21。

此時，載有蓋端水平壓緊油缸20與垂直鎖緊油缸29的滑塊22已由背壓油缸26驅動，壓緊在連桿10桿端的定塊5上。調試超聲振動的振幅、頻率、振動模態和方向，開啟超聲振動裝置，裂解液壓缸1動作，驅動楔形拉桿12向下運動，變幅桿13隨著楔形拉桿12向下運動，在運動過程中產生豎直方向上的振動，楔形拉桿12與變幅桿13通過螺柱連接，變幅桿13通過固定臺35安裝在導軌36上，隨著楔形拉桿12的上下移動而在導軌36上移動。楔形拉桿12再將向下作用力變成水平作用力，從而推動裂解動套16。在裂解動套16水平作用力下，裂紋將沿連桿10大頭端中心處預先加工好的裂解槽快速擴展，從而使連桿10大頭端分離。在楔形拉桿12向下運動的過程中，滑塊22也將向右移動，滑塊22向后移動將使背壓油缸26的背壓活塞34壓縮后腔液壓油，而此時背壓油缸26的換向閥并不換向，使少量較高壓力的液壓油流向蓄勢器27。這樣可保證在裂解過程中連桿蓋也處于背壓狀態下，從而可獲得較好的斷裂面。

調試超聲振動的振幅、頻率和振動模態，開啟超聲振動裝置，在楔形拉桿12的向下作用下，連桿裂解部位快速斷裂。由于連桿斷裂時蓋端將與本體分離，蓋端將有一定量的位移，為保持裂解時所需的背壓力，采用背壓油缸26，背壓油缸后腔與液壓蓄勢器27相通。當蓋端產生位移時，背壓油缸26的液壓油排入蓄勢器27中，可保證在裂解過程中連桿蓋端始終有背壓力的作用。在“背壓”斷裂方式下，可獲得嚙合性較好的斷裂面，減少斷裂的撕裂現象，減少掉渣的數量，從而達到提高連桿裂解質量的目的。

結合圖2和3，關閉超聲電源15，重新調整超聲振動的振幅、頻率和振動模態，或使用原振動參數，開啟超聲振動裝置，然后裂解液壓缸1驅動楔形拉桿12開始復位，滑塊22在背壓油缸26驅動下向前運動，使裂解動套16與裂解定套11合攏。使分離后的連桿蓋17與連桿體10嚙合。使用激光檢測系統、裂解動套16和裂解定套11上的刻度檢測裂解面吻合度，使嚙合精度達到使用要求，關閉超聲振動裝置。

連桿超聲輔助裂解加工裝置的加工方法，包括如下步驟：

步驟s1：將機架4安裝在實驗臺上，在待裂解的連桿10的大頭孔開設裂解槽，將待裂解的連桿10的小頭端安裝在小頭定位塊9上，將連桿10的大頭端安裝在裂解定套11與裂解動套16上；

步驟s2：調試絲杠螺母機構7從而帶動小頭定位塊9使得連桿10的小頭端有一定的壓緊力，調整水平壓緊油缸20從而帶動壓緊塊18使得連桿10的大頭端有的壓緊力，同時調試垂直鎖緊油缸20從而使得壓緊塊18的壓緊穩定，連桿兩側壓緊力約為裂解力的

步驟s3：調整變幅桿13、換能器14和超聲電源15系統中的超聲振動的振幅100μm-200μm、頻率15khz-60khz和振動模態軸向振動或徑向振動，啟動超聲電源15，從而使得楔形拉桿12在一定的振幅、頻率和振動模態上振動；

步驟s4：啟動裂解液壓缸1，使楔形拉桿12以一定的速率下移，使得分離的連桿10的大頭端形成裂解裂紋面后關閉超聲電源15，裂解液壓缸對楔形拉桿12的拉力q與水平作用在連桿上的裂解力n之間的關系為：其中：α為楔形塊楔角，為楔形塊與定套之間的摩擦角，為楔形塊與動套之間的摩擦角；

步驟s5：連桿裂解后嚙合，重新調整超聲振動的頻率、振幅，或使用原超聲振動參數，頻率調節范圍為20khz-60khz，超聲波振幅范圍為20μm-150μm，超聲波在裂解過程采用的振動模式為軸向振動或徑向振動；啟動超聲電源15，重新啟動裂解液壓缸1，使得楔形拉桿12上移，從而使得楔形拉桿12再次與裂解定套11和裂解動套16在超聲振動環境下緊密結合；從而分離的連桿10的大頭端重新合上，此時，關閉裂解液壓缸1使其停止工作；

步驟s6：根據連桿10大頭端上的刻度標記31，利用激光測距裝置32檢測裂解面吻合度，使嚙合精度達到使用要求，關閉超聲電源15；裝配螺栓，完成裂解工作。

所述實施例為本發明的優選的實施方式，但本發明并不限于上述實施方式，在不背離本發明的實質內容的情況下，本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬于本發明的保護范圍。