汽車發動機用連杆裂解工藝及（jí）設備的合理性探討
2018-3-14 來源：西安交通大學機械工（gōng）程學院 作（zuò）者： 董淵哲，趙升噸，張超，孟德安
摘要：連杆是發動機上的重要零件，其加工工藝及設備是發動機製造業發展水平的重要標誌。對比傳統發動機連（lián）杆製造工藝，闡述了剖分式連杆裂解的機製及過程，根（gēn）據核心（xīn）加工技術的（de）不同對近年來國（guó）內外（wài）主要（yào）裂解工藝及設備（bèi）進行了研究（jiū）和分類，分析了包括芯軸脹式裂解、液壓活（huó）塞式、水平（píng）滑塊式等機械式裂（liè）解（jiě）加工設備的原理及特點，並對複合鑄造裂解、熱處理(或冷凍)輔助裂解和疲勞拉伸裂（liè）解等新型裂解加工方法進行了合理性探討。
關鍵詞：發動（dòng）機連杆（gǎn）；裂解工（gōng）藝；加工（gōng）設備
0 前（qián）言
連杆是汽車（chē）發動機及其他動力機械中的重要零部件，起著連接活塞和（hé）曲軸的關鍵作用。近年來，我國汽（qì）車生產、尤其是轎車生產的大規模化，連杆的行業（yè）需求量也急劇（jù）增加，傳統的連杆加工技術因工序複雜、加工成本高、廢品率（lǜ）高，已難以滿足日益提（tí）高的發動機產品（pǐn）性（xìng）能要求、難以適應全球化的激烈競爭，因此，研究節材、降耗、高生產率、低成本、優（yōu）質價廉的連杆加工新技術變得越（yuè）來越迫切。
連杆裂解技術¨。21是20世紀90年代在汽車工業發達國家發展起（qǐ）來的（de）連杆加工新工藝，通過（guò）裂解加工設備使連杆在大端（duān）處（chù）裂解為連杆體和端蓋，並穿人螺栓擰緊至要求扭矩，使斷（duàn）裂麵完全齧合，從根本上改變了連杆的傳統加工方法，對連杆加工工藝產生了（le）重大變革。
1 、傳統連杆製造（zào）工藝過程
目前，傳統的連杆製造工藝主要有整體式和分體式兩（liǎng）種‘引（yǐn）。整體式連杆加工如圖I所示，主要包括以下工藝過（guò）程：(1)連杆體和連杆蓋整體鍛造或鑄造；(2)鋸切或銑切分離連杆體和連杆蓋；(3)對分離麵（miàn）進行機加工；(4)分別加（jiā）工連杆體和連杆蓋的定位螺栓孔；(5)裝配。
圖1 傳統分體式連杆加工過程（chéng）
分體式連（lián）杆加工（gōng）主要涉及以下工藝過程： (I)分別鍛造或鑄造連杆體和連杆蓋；(2)機加工連（lián）杆體和連杆蓋的結合麵，常用銑削、拉削、磨削等方法（fǎ）；(3)加工大小頭孔及螺栓（shuān）孔、銷孔等，包括粗加工及半（bàn）精加工連杆體、大頭孔、小頭孔（kǒng），精加工（gōng）連杆（gǎn）蓋的定位銷孔及連杆體的螺栓孔；(4)裝配連杆體與連（lián）杆蓋，精加工大頭孔和（hé）小頭孔。
在（zài）兩種工藝中，都（dōu）需對連杆（gǎn）體和連杆蓋的結合麵進行銑（xǐ）、拉（lā）、磨等多道（dào）機加工工序（xù），同時連杆蓋的定位銷孔要求較高（gāo）的加工精度，導致（zhì）連杆（gǎn）生產效率低、成本高，質量難以保（bǎo）證。
2、剖分式連杆裂解機製及過（guò）程
由脆性固體斷裂力學H’可知，脆（cuì）性合金材料在裂紋存（cún）在情況下應（yīng）力集中嚴重，在承載遠低於（yú）材料（liào）的屈服強度即可發生解（jiě）理型低應力脆斷，塑性變形小（xiǎo）、斷口（kǒu）方向與正應力（lì）垂直。剖（pōu）分式連杆裂（liè）解加工即利用此（cǐ）原理，如圖2所示，主要涉及以下過程”1：(I)在整體鍛造的連杆毛坯大頭孔內側對稱加工兩條裂（liè）紋槽，形成初始斷裂源；(2)施加垂直於預定斷裂麵的正應力使連（lián）杆在斷裂源處脆性斷裂分離成連杆（gǎn）體和連杆（gǎn）蔫：r3、將連杆體和連杆蔫精確複位。
圖2 部分式連杆裂解加工過程
2．1 裂解連杆材料
裂解工藝要求連杆材料（liào）具有較好的脆性，使斷裂麵呈現犬牙交錯的解理特征（zhēng）哺]，同時滿足高強度及良好的機加工性能，目前，可用於連杆裂（liè）解的材（cái）料主要有微合金非調製碳鋼、粉末冶金（jīn）、球墨鑄鐵及可鍛鑄鐵o¨。以（yǐ）C70S6材料哺（bǔ）1為（wéi）代表（biǎo）的微（wēi）合（hé）金非調製碳鋼是目前應用（yòng）最為廣泛的連（lián）杆裂解材料，它具有良好的組織與力學性能，在汽車（chē）發（fā）動（dòng）機連杆（gǎn）中得到了應用。
2．2 初始裂紋槽的預製
裂解槽的加（jiā）工位置伴隨著裂解加工技術的發展而不斷衍化，目前常（cháng）采用在連杆毛坯大頭孔內側對稱加工兩條裂紋槽歸1，該（gāi）方法具有加工（gōng）工序少、連杆承載能力大的優點（diǎn）。裂紋槽幾何尺（chǐ）寸主要（yào）由3個參數決定，即槽深^、張角a和曲率半徑r，研究表明，尖角深槽可（kě）保證較大的（de）應力集中係數¨0|。常用的裂解（jiě）槽加工方法（fǎ）有機械拉削、線切割、水刀和激光加工等，其中，激光切割具有切槽（cáo）窄、速度快、易裂解等優點，在一汽大（dà）眾¨¨等現代車企中得到了廣泛（fàn）應用。
2．3 裂紋的受載擴展過程
如圖3，在斷（duàn）裂力學中，裂紋尖端的基本受載（zǎi）形式有3種基本形式¨“，即I型(張開型)、Ⅱ型(滑開型)和Ⅲ型(撕開型)。其中，I型（xíng）(張開型)承受與裂紋麵垂直的正應力（lì），裂紋沿y方向的（de）解理麵張開，與高脆性材料中（zhōng）的（de）裂紋擴展方式最為接近，當材料的斷裂韌性墨Ⅲ1達到l|缶界斷裂韌度K。。時，裂紋尖端失穩擴展、直至形（xíng）成整個斷裂麵。在幾（jǐ）乎不發生塑性變形的情況（kuàng）下，在缺口處呈現犬（quǎn）牙交錯的自然斷裂，實現連杆體與連（lián）杆蓋的無屑斷（duàn）裂剖分。
圖3 裂紋（wén）尖端受載形式
3、剖分式連杆（gǎn）裂解加工工藝
目前剖分式連杆裂解（jiě）主要采用楔形芯軸和脹套組合的機械式方法，在常溫下施加準靜態載荷（hé）完成（chéng）裂解加工。同時，國內外學者也發展和研究了其他機械裂解加工設備，以（yǐ）及熱處理(或冷凍（dòng）)輔助裂解、複合鑄造裂解和疲勞裂解等新型裂解加工（gōng）方法（fǎ）。
3．1 機械（xiè）式裂解加工設（shè）備及工藝
3．1．1 芯軸脹套式（shì）
該類型裂解設備中，在連杆大頭孑L內（nèi）均安置有由脹套及楔（xiē）形芯軸（zhóu）組成的增（zēng）力機構，通（tōng）過液（yè）壓活塞杆推動楔形芯軸進而推動脹套運動，使連杆大頭孔內壁承受徑向載荷而脹斷。根據芯軸的插入方式不同，又可細分（fèn）為（wéi）“上楔人式”、“水平楔人（rén）式（shì）”、“下拉式”、“上拉式”等幾類。
德國ALFING公司的“上楔入（rù）式（shì）”裂（liè）解設備¨4。如圖4所示（shì），當預（yù）製有裂解槽的連杆工件放人工作台平（píng）麵後（hòu），由裂解油缸驅（qū）動（dòng）楔形（xíng）芯軸向下運動，通過楔（xiē）形麵推動裂解動套向外運動實現連杆（gǎn）的裂（liè）解。該設備采用準靜態瞬時加載，裂解效率高，但采用“上楔入式”時，連杆在工位間的傳送隻能在機構下（xià）方進行，增加了工件傳送的難度。該公司同時提出了一（yī）種“水平楔入式”裂解設備¨“，如圖5所示，其脹塊及芯軸均水平布置進行裂解，同（tóng）時連杆大端底端油通過液壓缸水平驅動楔塊擠壓支撐柱，使連（lián）杆大端在裂解過程中始終保持背壓力，使大端孔圓度更高。美國（guó）福特公司采用的是“下拉式”連杆裂解加工設備¨引，如圖6所示（shì），與“上楔人式”不同的是楔形塊由布置在連杆（gǎn）下方的油缸驅動下行。“上拉式”裂解機構結構與“下拉式（shì）”相似，裂解機構的（de）布置方向不同，其裂解油缸布置在連杆上方，通過裂解油缸向上運動完成（chéng）裂解過程。
研究（jiū）表明，連杆脹斷（duàn）後的爆口現象是該（gāi）類型（xíng）工藝的（de）主要問題。裂解槽的形狀精度（dù）較低、槽深較淺、加載速度慢及芯軸、脹（zhàng）套的磨損（sǔn）等因素均易導致連杆爆口的產生。在裂解槽加工上（shàng），需要配備高精度的激光切槽機。在加載速度上，液壓係統的工作壓力、蓄勢器參數、回（huí）路、管徑、閥通徑、泵流量、液（yè）壓缸參數等均會影響裂解油缸的（de）加載速度，因此對液壓係統設備要求較高，有待實現加載速度的最（zuì）優化（huà）控製。同時，現有的裂解方法隻適合微合金非調製碳鋼等（děng）脆性材（cái）料的連杆裂（liè）解，應用麵有限。
圖4 “上楔入式”裂解設（shè）備
圖5 “水平（píng）楔入式”裂解設備
圖6 “下拉式”裂解設備
3．1．2液壓活（huó）塞式
該類型（xíng）裂解設備取消了楔形塊結構，直（zhí）接將液壓（yā）活塞（sāi）及油路安置在了液壓缸活塞設置在連杆大頭孔的（de）定（dìng）套和動套之（zhī）間，通過液壓油缸推動活塞運動（dòng）實現（xiàn）連杆的裂解。圖7為美國MTS公司采用的“液壓活塞式脹套”裂解加工設備（bèi）Ⅲ。，這種裂解方式所需的裂（liè）解力小（xiǎo），分離麵質量好，但對設備（bèi）的加載速度特（tè）性要求（qiú）較高，同時由於連杆大端孔徑限製，導致活塞杆承壓（yā）極高，對設備（bèi）元件密（mì）封性（xìng）要求極為嚴格，增加了（le）設備（bèi）成本。
圖7 液壓活塞式裂解設備
3．1．3水平滑塊式
該類型裂解設備通過驅動滑塊體，安裝有裂解動套的滑塊體進行驅動。圖（tú）8為美國福特公司的水（shuǐ）平力作用式裂解設備¨81，連杆大頭孔內安置有裂解定套及（jí）動套，裂解定套與定塊相連接，裂解動套與滑塊相連接，連杆通過大端孔和小端孔定位座定位。裂解時，滑塊在液壓缸的驅動下向外運（yùn）動，使裂解定（dìng）套直接對連杆大頭孔內壁加載，完成連杆蓋和連杆體的分離。該種裂解（jiě）方式也通過大（dà）頭壓塊的對連杆大端保持有背壓力，保證（zhèng）了斷裂麵的質量，提高產品成品率，但該（gāi）機（jī）械係統要保證杆（gǎn）端與蓋端兩部分的定位及導向，機床定位係統較複（fù）雜，對於裂解設（shè）備的設計及加工要求較高。
圖（tú）8水平滑塊（kuài）式裂解設備
3．2 熱處理(或冷凍)輔助裂解法
該類型裂解方法是將（jiāng）連杆工件的整體或局部通過一定方式加熱或冷凍到一定溫度後再（zài）進行裂解的新的加工技術。
3．2．1局部熱處理（lǐ）式
局部加熱加工（gōng）采用激光¨9【、等離子體或高能電子束Ⅲ也¨對鋼製連杆大（dà）端的分割區進（jìn）行照射，並在真空中冷卻，使局部由奧氏體組織變為馬氏體組織，實現連杆脆斷（duàn）分離。使分割區域的材料由奧氏體組織變為馬氏體組織，在脹斷（duàn）載荷作用下實現連杆脆斷分（fèn）離（lí）。這種工藝方法存在的最大問題是：激光或等離子體照射的區域不能有效控製（zhì），除了斷裂區域外，斷裂區（qū）附近部位也（yě）易發生脆化，它不僅減弱了連杆局部機械強度，而且不能有效的保證（zhèng）連杆在預定的分割部位斷裂，裂解麵易出現偏（piān）移等問題，這種工藝也不適合其他材料。
3．2．2冷凍脆化式
冷凍脆化加工方法心2瑙1提出將連杆在零下60℃到零下90℃溫度下深冷5 min以上（shàng），改變材料的（de）延展性，使連（lián）杆進入脆性狀態，實現連杆的脆性斷裂。對易（yì）於冷凍脆化的連杆材料，可在通過幹冰加乙醇的混合冷凍方式實現零下60℃到零下（xià）80℃的冷凍，成本低；對難冷脆的連杆材料，可采用液氮（dàn）實現零下190 oC的深度冷凍。但該工藝方法（fǎ）對整個（gè）連杆都進行了脆化，使連杆存在（zài）機械強（qiáng）度降低的危（wēi）險；連杆（gǎn）脆（cuì）性增加，要將其大頭部分割開需（xū）要（yào）很大的斷裂載荷，使（shǐ）斷裂裝置本身大型化，設備投入（rù）增加，這種工藝有待於新型連杆材料的（de）進一步研製。
3．3複合鑄造裂解法
如圖9所（suǒ）示，該（gāi）類型裂解方（fāng）法主要針對（duì）鑄造型鋼製連杆，采用在連杆毛坯內（nèi）人為設置脆性金屬裂解（jiě）麵的工藝製造連（lián）杆，形成具有脆性界（jiè）麵的複合鑄造連（lián）杆。按脆性金屬裂解麵的形（xíng）成（chéng）過程主要分“預製式（shì）”和“澆注式（shì）”兩類（lèi）。“預（yù）製式”鑄造裂解法在連杆（gǎn）模具型腔大頭孔內預先（xiān）設置一層特殊金屬箔材Ⅲ1或（huò）灰鑄鐵片舊列作為隔板，並由鋼液的熱量將隔板與（yǔ）鋼（gāng）液基體（tǐ）材料冶金結合，使（shǐ）其形成具有脆性界麵（miàn）的複合連杆鑄坯。“澆注式”鑄造裂解法心卅先（xiān）澆鑄連杆體與連杆蓋，再抽離中間（jiān）隔離板後澆注（zhù）裂解用金屬液，製成複合連杆（gǎn）鑄坯。在實（shí）施裂解工藝時，利用界麵材料的脆斷性完成連杆體與連（lián）杆蓋的裂解剖分。
圖9複合鑄（zhù）造裂解法
這種加工方式（shì）能有效降低裂解載荷、簡化連（lián）杆加（jiā）工工序，降（jiàng）低加工設備投資，但是（shì）存在以下問題：隔（gé）板材料強度低、易被氧化，若（ruò）兩側金屬液麵上升不一致、充型不平穩，對隔（gé）板材料衝擊大，則鑄件內形成的脆性界麵將偏離預定位置、或（huò）無法形成脆化界麵，後續（xù）或將無法（fǎ）實施裂解剖（pōu）分。
3．4 疲勞裂解（jiě）法
該類型裂解方法（fǎ）利用應力集中效應和疲勞斷裂原理，在加載（zǎi）上采用周期性（xìng）疲勞（láo）載荷，對帶有預製裂解槽的連（lián）杆大頭端反複加載，完成連杆大端和連杆體的低應力疲勞分離"。281。如（rú）圖9所示的裂解設備，連杆小端通過固定芯軸定位在工作台（tái）平麵上，連杆大端（duān）內安置有固連於大端滑動座的移動芯（xīn）軸，工作台平（píng）麵上設置有沿連杆長度方向的導軌槽，大端滑（huá）動座通過液壓（yā）缸係統實（shí）現上下循環加載，帶動大（dà）端芯軸對連杆大端內壁周期加載。同（tóng）時，該設備可進一步（bù）通過伺服控（kòng）製實現加載力的變頻調節。
與傳統準靜態加（jiā）載方式相比，該（gāi）裂解方式有效降低了能耗，即使是延性材料，斷裂麵（miàn）也沒有明（míng）顯（xiǎn）的塑性（xìng）變形，使可裂解的連（lián）杆材料大為擴展，具有更（gèng）廣泛的應用前景，代表了綠色裂解的新的（de）發展方向。但是目前的疲勞（láo）裂解設備在加載方式上還較為單一，主要采用直線式定向加載，難以保（bǎo）證大頭孔的均勻受載，以伺服直驅式的周向疲勞加載將成為未（wèi）來新的研究方向。
圖10 疲（pí）勞裂解法
4、結論
(1)目前剖（pōu）分式（shì）連杆裂解主要采用楔形芯軸和脹套組合的機械式加工方法，通過液壓係統施加準靜態載荷完成連杆的裂解力n-r_。雖（suī）然是較先（xiān）進的（de）一種加工方式，但隻適合微（wēi）合金非調製碳鋼、粉末冶金、球（qiú）墨鑄鐵等脆性材（cái）料的（de）裂解，同時，為減少爆口問題產生，需通過高（gāo）精（jīng）度（dù）激光開（kāi）槽技術開製高形狀精度的深槽（cáo），並（bìng）提高液壓係統設備性能（néng），以實（shí）現裂解加載速度的最優化控製。
(2)國外同時發展和研究（jiū）了液壓活塞式及水平（píng）滑塊式等其他類型機械裂（liè）解加工設備，其中，液壓活塞式裂（liè）解方式所需的裂（liè）解力小，分離麵質（zhì）量好，但對設備的加載速（sù）度特性要（yào）求較高，同時由於連杆大端孔徑限製，導致活塞杆承壓（yā）極高，對設（shè）備元件密封性要求（qiú）極為（wéi）嚴格；水平滑塊式裂解方法通過大頭壓塊的對連（lián）杆大端保持有背壓力，保證了斷裂麵的質量（liàng），提（tí）高產品成（chéng）品率，但該機械係統要保證杆端與蓋（gài）端兩部分的定（dìng）位及導（dǎo）向，機床定（dìng）位（wèi）係統較複雜。
(3)隨著新技（jì）術的發展，複合鑄造裂解、熱處理(或冷凍)輔（fǔ）助（zhù）裂解，和疲勞裂（liè）解等新型裂解加工方（fāng）法成為新的研究方向（xiàng）。熱處理（lǐ）或冷（lěng）凍輔助裂解通過不同工藝手段（duàn）提高（gāo）材料脆性以實現（xiàn）連（lián）杆的脆斷，但易改變裂解區以外的材料性能，存在（zài）削弱連杆機械（xiè）強度、裂解麵易偏移等問題；複合鑄造（zào）裂解能有效降低（dī）裂解載荷、簡化（huà）加工工序，但充型工藝尚未成熟，易導致脆性界麵偏離或失形；疲勞裂解方式改（gǎi）變了傳統的準靜態加載方式，可對延性材料進行裂解，並有效降低了能耗，具（jù）有更廣泛的應用前（qián）景，但目前疲勞裂（liè）解設備加載方式較單一，主要（yào）采（cǎi）用（yòng）直線式定向加載，難以保證大頭孔均勻受載，以伺（sì）服直驅式的周向疲勞（láo）加載將成為未來新的研究方向（xiàng）。
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