不同工序下柴油机连杆加工变形预测方法

徐小燕

（南京测绘仪器厂，南京 210003）

作为柴油机中的传动部件，连杆主要是将柴油机内部的活塞与曲轴相连接，使柴油机可以正常运行[1]。连杆内存在金属轴瓦，可以减少磨损，通过驱动使柴油的能量转化为电能。在柴油机运行时，柴油机内的混合气体会持续燃烧，气体通过膨胀运动，推行活塞，完成一次柴油机运作[2]。连杆会受到膨胀气体与交变压力的作用，造成连杆磨损或变形，影响连杆的强度与刚度。现阶段，连杆主要利用粉末冶金的密度提高连杆强度与刚度[3-5]，但此种方法极易造成连杆在加工时的变形，影响加工质量。基于此，本文设计了在不同工序下的柴油机连杆加工变形预测方法，旨在提高变形预测精准度，为柴油机的运行提供保障。

1 不同工序下柴油机连杆加工变形预测方法设计

1.1 构建柴油机连杆的有限元预测模型

为了整体把控连杆加工变形的状态，构建出柴油机连杆的有限元预测模型，对柴油机连杆的有限元模型进行网格划分，利用连杆倒角的特性，将柴油机的应力简化，并对应力集中部位进行优化，保证杆头、小头孔等危险部位的加密效果[6]。连杆有限元预测模型如图1 所示。

以加工危险程度为核心，将危险部位的有限元网格进行密集划分，将安全区域进行稀疏划分，保证模型的整体温度场在标准范围内。此时的连杆温度场变化参数见表1。

表1 温度场的变化参数

如表1 所示，本文针对温度场的泊松比、比热容、对流换热系数进行分析，温度每升高20 ℃，对流换热系数将会随之增加，保证温度场的高度一致性。

1.2 基于不同工序施加预测模型的边界条件

连杆的应力大小与模型相关，需要对不同工序下的连杆应力进行约束，从而减少加工时变形的情况[7]。根据连杆的结构特点，将连杆设计成一个具有对称结构的部件。由于连杆形状不规则，无法直接对模型的边界条件作出判断，因此需要对连杆内部的局部应力情况进行计算：

式（1）中：Cstress为连杆加工变形时的应力；Tcapacity为连杆膨胀系数；Cexpansion为连杆的总承受力；Sresidual为连杆加工时的内部残余应力。

不同工序下会产生应力的不定量影响，从而加剧连杆变形的情况。因此，将模型的边界条件设置为杆身的自由度变化，将杆身的自由度作为加工变形的约束条件，细化模型中的微小误差，保证模型的预 测精度。

1.3 进行连杆加工热处理

为了实现柴油机连杆加工变形的精准预测，在模型边界条件的基础上，对连杆进行加工热处理。假设柴油机连杆的初始加工温度为T0，对此时的连杆进行离散化处理，并在热力学分析的基础上划分出连杆单元节点，处理连杆加工变形预测问题[8]。由于连杆加工热属于瞬时过程，温度将会随着时间而改变，因此热处理过程可表示为：

式（2）中：Kc为处理后的连杆热应力，N·m-2；Tmax为最高加工温度，℃；t 为时间，min；Qr为热强度，W·m-2。根据此处理过程，可以消除连杆加工变形的热应力误差，保证连杆加工变形的预测精度。

2 仿真实验

2.1 实验准备

为了保证实验的真实效果，本文选取F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10、F11、F12共12 个出现变形的连杆进行测试，分别选用45°、60°、75°作为螺旋角度，此时连杆小头孔的变形平面图如图2 所示。

由图2 可以看出，在连杆加工过程中，A、B、C、D 这4 个点极易出现变形，图2 显示的是D 点出现变形，此时不同工序角度最大型变量见表2。

由表2 可知，在不同的前角与螺旋角度中，连杆的最大变形量也相应不同。60°时，最大变化量相差较多，直接影响加工效果。在此基础上，对连杆加工材料属性参数进行分析，结果见表3。

表3 连杆加工材料属性参数

由表3 可看出：连杆的抗拉强度标准指标不小于1 080 MPa 即可；屈服强度指标不小于930 MPa；伸长指标与断面收缩指标分别需要超过0.12 与0.45，保证连杆的加工效果；冲击能量不小于63 J，韧性强度不小于78，布氏硬度不大于217 HB 即可。因此，本文选取的连杆加工材料参数均可以保证标准。

2.2 实验结果

在上述实验环境下，本文选取柴油机连杆变形的铣面、钻定位孔、铣小头孔、铰定位孔、镗小头孔、小头孔倒角、钻小头油孔、连杆盖、钻螺栓孔以及镗大头孔等10 个不同的工序，将传统预测方法与本文设计的预测方法进行对比，验证两种方法的预测效果，结果见表4。

由表4 可知，不同的工序目标误差不相同，传统预测方法的预测误差较大，影响柴油机连杆的实际加工效果，无法对其进行精准的预测，实际应用效果不佳。本文设计的预测方法与目标误差相差较少，可以对柴油机连杆的实际加工变形状态进行精准的预测。由此得出实验结果如图3 所示。

表4 不同工序下柴油机连杆加工变形预测误差

本文以标准误差10-5为例，传统预测方法的误差较大，本文设计的预测方法误差结果较小，可以应用于实际柴油机连杆加工过程，符合本文研究目的。

3 结语

近年来，柴油机可靠性与实用性较强，广泛应用于大型机械。在各种材料改进后，柴油机的加工工艺开始变革。连杆作为柴油机的关键部件，在柴油机的传动过程中具有重要作用。但是现如今，随着连杆大量加工生产，变形的情况越来越普遍。因此，本文对连杆的抗拉强度、屈服强度、伸长、断面收缩指标、冲击能量、韧性强度以及布氏硬度等指标进行分析，设计了不同工序下柴油机连杆加工变形预测方法，旨在减少加工变形误差，提高连杆的加工精度，进一步保证柴油机的稳定运行，为大型机械装置的正常使用提供保障。