一種連桿襯套過盈裝配方法
【專利摘要】本發明涉及一種連桿襯套過盈裝配方法，由于在熱鍛過程中置入銅基合金的襯套，在鍛造之前襯套外圓面不需要精加工，鍛造剛結束時鐵基合金的連桿小頭孔與襯套之間的結合面很好的貼合在一起，然后，利用脹接工具將襯套與連桿小頭孔進行一次脹接，既可以去除鍛件冷卻過程中形成的間隙，又可以實現過盈裝配，整個過程不需要對連桿小頭孔以及襯套外圓面進行加工，這樣提高了襯套裝配的一次性成功率，裝配質量可靠，減少了加工工序，降低了生產成本，也提高了生產效率。
【專利說明】一種連桿襯套過盈裝配方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種連桿襯套過盈裝配方法，尤其是涉及一種汽車粉末冶金熱鍛連桿與銅基襯套的過盈裝配方法。
【背景技術】
[0002]如圖1所示，現代發動機中連桿I和活塞銷多數是鋼件，在活塞銷與連桿小頭孔11之間采用全浮式連接時，通常在連桿小頭孔11內以一定的過盈量壓入減磨錫青銅襯套或鐵基粉末冶金襯套2，用以減小磨損和提高使用壽命。由于裝有襯套2，在維修時，只需更換磨損的襯套2即可，既經濟又簡便。
[0003]目前，國內以傳統的銅基合金、高錫鋁基合金軸承(AlSn20Cu)廣泛應用于高速、重載的發動機軸承中。其中，錫青銅材料因其在高承載時不易產生破裂等優點，而較多的被研究及應用。一些學者通過研究分析測試后得知，錫青銅具有較好的塑性變形能力，而通過旋壓這種表面強化工藝方法加工后，強度有了大幅度的提高。通過控制退火溫度可獲得良好的綜合力學性能，并有較高的表面硬度，完全能滿足高速柴油機對連桿襯套的要求。
[0004]隨著汽車發動機向著高轉速、高負荷的方向發展，國內外已開始采用雙金屬銅基卷制襯套，因為具有較高的強度和剛性的鋼作為襯背，內層采用具有良好耐磨性的錫青銅做襯層，從而大大提高了連桿襯套的抗沖擊能力、承載能力以及耐高溫能力、耐磨性和工作壽命。
[0005]連桿襯套裝配技術
[0006]目前較常用的過盈裝配方法有常溫裝配法和變溫裝配法，具體介紹如:
[0007]1.1、常溫裝配法
[0008]常溫裝配法是在常溫下利用外力將襯套裝配入連桿小頭內，一般分為動壓力法和靜壓力法。
[0009](I)錘擊法(動壓力法)
[0010]利用錘頭的沖擊壓力將襯套打入殼體，且無需專用設備，簡單靈活。缺點是工件受力不均勻，工作粗暴，容易造成局部塑性變形甚至破壞，在配合過盈較大時無法保證裝配質量。
[0011](2)靜壓力法
[0012]利用液體或螺旋的靜壓力將襯套緩緩壓入連桿小頭內孔。例如利用油壓機，螺桿壓力機壓裝襯套。其特點是受力均勻，工作平穩，裝配質量較好，但為了獲得較高的壓力，必須制造費用昂貴的設備。
[0013]過去一般采用常溫裝配法，但在實際情況下，零件的表面是不可能絕對光滑的，總有不同大小的微觀不平度。如果對襯套進行常溫壓配時，其表面粗糙度的峰值會被擠壓掉，使接觸表面發生表面損傷，即有一部分過盈量要被刮削掉，使壓配后的過盈量小于未裝配時的過盈量，這樣，實際過盈量就發生了變化。
[0014]同時，當襯套壓入連桿內孔后，其外圓柱面和連桿小頭孔之間存在著很大的徑向壓力，襯套由于受壓，內孔將產生收縮變形，造成襯套內孔與活塞銷的配合間隙發生變化，改變了原來間隙的配合性質，甚至造成裝配困難。
[0015]所以，一般需要較大過盈量裝配時，應避免采用常溫裝配法，而采用變溫裝配法。
[0016]1.2、變溫裝配法
[0017]變溫裝配法是將連桿小頭孔加熱或將襯套冷卻法。直徑較大或過盈量較大時，如果在常溫下裝配可能會引起零件損壞，在這種情況下應采用加熱連桿小頭或冷卻襯套的方法進行裝配，使過盈量在短時間內減少或形成間隙，方便零件的裝配。當零件恢復常溫后，產生設計的過盈量，其緊固程度比常溫下壓入的要高。
[0018]⑴加熱法
[0019]利用金屬材料受熱膨脹和遇冷收縮且線膨脹系數較大的特點，將連桿小頭加熱至一定溫度后裝入襯套，裝入時為間隙配合狀況，無須加壓，待連桿小頭冷卻收縮后變為過盈配合狀態。常用的加熱方法有油煮、烘房加熱以及電加熱等。
[0020](2)冷卻法
[0021]在連桿小頭加熱困難而襯套尺寸較小時，可以采用將襯套冷凍收縮后裝入的方法。常用的制冷劑有:固態二氧化碳(_75°C )，液氨(_120°C )，液態氮氣(_180°C )。
[0022]目前連桿襯套裝配技術主要應用液氮冷裝技術，即在液氮冷卻下進行裝配。冷裝使襯套組織細化，應力重新分布且變的更為均勻，還中和掉了加工時殘留的拉伸應力，使其壽命增加。

【發明內容】

[0023]本發明設計了一種連桿襯套過盈裝配方法，解決了以下技術問題:(1)傳統的連桿襯套在裝配之前，必須對連桿小頭孔以及襯套外徑進行精加工，以保證過盈裝配時兩者能夠緊密的結合。
[0024](2)發動機連桿與襯套現有常溫裝配法無法滿足較大過盈量裝配要求。
[0025](3)現有加熱裝配法會發生加熱過程中可能產生的熱應力和熱變形問題。
[0026](4)現有冷卻法存在冷裝后襯套內孔收縮等問題。
[0027](5)現有連桿小頭孔與襯套熱鍛后，在隨后的冷卻過程中，一個0.2_至2.0mm的間隙會在襯套外徑與連桿小頭內徑之間形成，影響兩者的過盈配合。此間隙的形成原因是:I)襯套的熱脹冷縮系數遠大于連桿小頭的熱脹冷縮系數；2)在鍛后的冷卻過程中，襯套經歷的溫度變化不同于連桿小頭所經歷的溫度變化。
[0028]為了解決上述存在的技術問題，本發明采用了以下方案:
[0029]一種連桿襯套過盈裝配方法，包括以下步驟:
[0030]步驟1:金屬預混粉末經過壓制成形和高溫燒結形成連桿(I)預壓件；
[0031]步驟2:將室溫(25°C )下的襯套⑵置入高熱(1100°C—1200°C，通常稱為熱鍛溫度)狀態下的連桿預壓件的連桿小頭孔(11)內；
[0032]步驟3:襯套⑵與連桿⑴預壓件進行鍛壓；
[0033]步驟4:襯套⑵與連桿(I)鍛壓結束冷卻至室溫；
[0034]步驟5:使用脹管工具在襯套(2)內孔進行脹接，使得脹接完成后連桿小頭(11)與襯套(2)達到符合產品要求的過盈配合。[0035]進一步，步驟3中襯套(2)與連桿(I)預壓件同時進行鍛壓，實現襯套的置入。
[0036]進一步，步驟5中，在脹管工具作用下，襯套(2)的材質具有彈性變形和塑性變形的特性，連桿小頭的材質具有彈性變形特性，但沒有塑性變形的特性。
[0037]進一步，步驟5中，此脹接的成功由兩個因素保證的:1)連桿小頭材料的屈服強度是襯套材料屈服強度的2.6-3.2倍；2)連桿小頭材料的彈性模量是襯套材料的彈性模量的
1.8-2.2 倍。
[0038]進一步，連桿(I)采用粉末冶金鐵基材料，襯套(2)采用鑄造錫青銅材料。
[0039]進一步，連桿(I)采用鐵基合金材料，襯套(2)采用銅基合金材料。
[0040]進一步，步驟5所得的連桿及襯套表面進行拋丸強化處理。
[0041]一種根據上述連桿襯套過盈裝配方法制作的發動機連桿和襯套裝配件。
[0042]該連桿襯套過盈裝配方法與現有連桿襯套過盈裝配方法相比，具有以下有益效果:
[0043](I)本發明在熱鍛過程中置入襯套，在鍛造之前襯套外圓面不需要精加工，鍛造剛剛結束后連桿小頭孔與襯套之間的結合面很好的貼合在一起，在隨后的冷卻過程中形成一個0.20_至2.0mm的間隙，然后利用脹接工具將襯套與連桿小頭孔進行一次脹接即可去除間隙，并完成過盈裝配，整個過程不需要對連桿小頭孔以及襯套外圓面進行加工，這樣提高了襯套裝配的一次性成功率，裝配質量可靠，減少了加工工序，降低了生產成本，也提高了生產效率。
[0044](2)本發明與傳統錘擊法比較，脹接技術裝配過程受力比較均勻，不會造成襯套局部變形過大甚至破壞，并且對配合過盈量較大時也適用。
[0045](3)本發明與壓力機壓裝襯套相比，脹接所使用的設備價格低，操作方便。
[0046](4)本發明與液氮冷裝相比，不存在冷裝后襯套內孔收縮等問題，能更好的控制襯套和活塞銷之間的配合間隙。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0047]圖1:現有連桿和襯套的連接示意圖；
[0048]圖2:本發明中襯套與連桿預壓件鍛壓時的溫度隨時間變化示意圖；
[0049]圖3:本發明中襯套與連桿預壓件鍛壓時連桿小頭孔和襯套外徑的徑向尺寸變化示意圖；
[0050]圖4:本發明中步驟3中使用鍛造模具的結構示意圖；
[0051]圖5:本發明中襯套置入預壓件小頭孔剖面示意圖；
[0052]圖6:本發明中連桿及襯套在脹接過程中應力應變示意圖；
[0053]圖7:本發明中連桿及襯套裝在膨脹力作用下軸向剖面圖；
[0054]圖8:本發明中連桿及襯套裝在膨脹力作用下徑向剖面圖；
[0055]圖9:本發明中使用的脹管器結構示意圖。然而，此發明不局限于這種脹管器。
[0056]附圖標記說明:
[0057]I—連桿；11—連桿小頭孔；2—襯套；3—膨脹力；31—脹深限位套；32—脹殼；33—脹桿；34—封頭螺帽；35—脹珠；36—定位螺釘；41—上沖頭；42—下沖頭；43—陰模；44一小頭芯棒；45—大頭芯棒。【具體實施方式】
[0058]下面結合圖2至圖9，對本發明做進一步說明:
[0059]連桿粉末鍛造的基本工藝包括金屬預混粉末的制備、預壓件壓制成形、高溫下對連桿預壓件進行燒結以及在鍛造溫度下進行閉模鍛造，最后進行拋丸強化處理等。
[0060]具體來說，包括以下步驟:
[0061]1、將室溫(25°C )下的襯套2置入高熱(1100°C—1200°C，通常稱為熱鍛溫度)狀態下的連桿預壓件的連桿小頭孔11內，然后在熱鍛溫度下(1100°C—1200°C )對連桿預壓件和襯套2進行鍛造。
[0062]該鍛造原理如下:在進行熱鍛之前，連桿11預壓件處于高溫狀態，此時置入時處于室溫狀態下的襯套2后，連桿小頭孔11與襯套2之間會產生熱傳遞一襯套2溫度逐漸升高發生膨脹，連桿預壓件小頭溫度降低發生收縮。當連桿預壓件小頭和襯套2溫度達到一致時，兩者繼續冷卻，直至室溫。在冷卻的過程中，連桿小頭內徑尺寸和襯套外徑尺寸隨著溫度的降低而發生收縮，由于兩者材料特性不同一銅合金襯套較鐵基粉末冶金連桿收縮率大，所以襯套2會產生更大的收縮，冷卻后連桿小頭與襯套2將處于間隙配合。
[0063]如圖2所示，連桿預壓件小頭及其襯套在鍛造過程中的溫度變化，圖中A曲線表示連桿小頭溫度變化，B曲線表示襯套溫度變化。
[0064]如圖3所示，連桿小頭孔內徑和襯套外徑的徑向尺寸變化，圖中A曲線表示連桿小頭內孔尺寸的變化，B曲線表示襯套外徑尺寸的變化。
[0065]如圖4和圖5所示，襯套2與連桿I預壓件在連桿熱鍛模具中同時進行鍛壓。該連桿熱鍛模具主要包括上沖頭41、下沖頭42、陰模43、小頭芯棒44以及大頭芯棒45等，襯套2與連桿I預壓件放置在陰模43中被上沖頭41沖擊。熱鍛之前，連桿預壓件大頭、小頭以及桿身部分的密度大約為連桿成品密度的80%至90%。熱鍛時，模具的上下沖頭相互接近將連桿預壓件進行鍛造致密。熱鍛過后，連桿各部分的密度基本達到理論密度，即7.83g/cm3，連桿的橫向、縱向尺寸也發生了較大的變化。
[0066]2、使用脹管工具在襯套2內孔進行脹接，使得脹接完成后連桿小頭11與襯套2達到符合產品要求的過盈配合。
[0067]如圖6所示，連桿I采用鐵基粉末冶金材料，襯套2采用鑄造錫青銅材料，其材料機械性能如下表1:
【權利要求】
1.一種連桿襯套過盈裝配方法，包括以下步驟: 步驟1:金屬預混粉末經過壓制成形和高溫燒結形成連桿(I)預壓件； 步驟2:將室溫(25°C )下的襯套(2)置入高熱(1100°C -1200°C，通常稱為熱鍛溫度)狀態下的連桿預壓件的連桿小頭孔(11)內； 步驟3:襯套(2)與連桿(I)預壓件進行鍛壓； 步驟4:襯套(2)與連桿(I)鍛壓結束冷卻至室溫； 步驟5:使用脹管工具在襯套(2)內孔進行脹接，使得脹接完成后連桿小頭(11)與襯套(2)達到符合產品要求的過盈配合。
2.根據權利要求1所述連桿襯套過盈裝配方法，其特征在于，步驟3中襯套(2)與連桿(I)預壓件同時進行鍛壓，實現襯套的置入。
3.根據權利要求1所述連桿襯套過盈裝配方法，其特征在于:步驟5中，在脹管工具作用下，襯套(2)的材質具有彈性變形和塑性變形的特性，連桿小頭的材質具有彈性變形特性，但沒有塑性變形的特性。
4.根據權利要求1所述連桿襯套過盈裝配方法，其特征在于:步驟5中，此脹接的成功由兩個因素保證的:1)連桿小頭材料的屈服強度是襯套材料屈服強度的2.6-3.2倍；2)連桿小頭材料的彈性模量是襯套材料的彈性模量的1.8-2.2倍。
5.根據權利要求2、3或4所述連桿襯套過盈裝配方法，其特征在于:連桿(I)采用粉末冶金鐵基材料，襯套(2)采用鑄造錫青銅材料。
6.根據權利要求2或3所述連桿襯套過盈裝配方法，其特征在于:連桿(I)采用鐵基合金材料，襯套(2)采用銅基合金材料。
7.根據權利要求1至6中任何一項所述連桿襯套過盈裝配方法，其特征在于:步驟5所得的連桿及襯套表面進行拋丸強化處理。
8.—種權利要求1至7任何一項方法制作的發動機連桿和襯套裝配件。
【文檔編號】B21K3/00GK103691875SQ201210365601
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2012年9月28日 優先權日:2012年9月28日
【發明者】劉福平 申請人:劉福平