汽車發動機用連桿裂解工藝及設備的合理性探討
2018-3-14 來源：西安交通大學機械工程學院 作者： 董淵哲，趙升噸，張超，孟德安
摘要：連桿是發動機上的重要零件，其加工工藝及設備是發動機制造業發展水平的重要標志。對比傳統發動機連桿制造工藝，闡述了剖分式連桿裂解的機制及過程，根據核心加工技術的不同對近年來國內外主要裂解工藝及設備進行了研究和分類，分析了包括芯軸脹式裂解、液壓活塞式、水平滑塊式等機械式裂解加工設備的原理及特點，并對復合鑄造裂解、熱處理(或冷凍)輔助裂解和疲勞拉伸裂解等新型裂解加工方法進行了合理性探討。
關鍵詞：發動機連桿；裂解工藝；加工設備
0 前言
連桿是汽車發動機及其他動力機械中的重要零部件，起著連接活塞和曲軸的關鍵作用。近年來，我國汽車生產、尤其是轎車生產的大規?；?，連桿的行業需求量也急劇增加，傳統的連桿加工技術因工序復雜、加工成本高、廢品率高，已難以滿足日益提高的發動機產品性能要求、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、優質價廉的連桿加工新技術變得越來越迫切。
連桿裂解技術¨。21是20世紀90年代在汽車工業發達國家發展起來的連桿加工新工藝，通過裂解加工設備使連桿在大端處裂解為連桿體和端蓋，并穿人螺栓擰緊至要求扭矩，使斷裂面完全嚙合，從根本上改變了連桿的傳統加工方法，對連桿加工工藝產生了重大變革。
1 、傳統連桿制造工藝過程
目前，傳統的連桿制造工藝主要有整體式和分體式兩種‘引。整體式連桿加工如圖I所示，主要包括以下工藝過程：(1)連桿體和連桿蓋整體鍛造或鑄造；(2)鋸切或銑切分離連桿體和連桿蓋；(3)對分離面進行機加工；(4)分別加工連桿體和連桿蓋的定位螺栓孔；(5)裝配。
圖1 傳統分體式連桿加工過程
分體式連桿加工主要涉及以下工藝過程： (I)分別鍛造或鑄造連桿體和連桿蓋；(2)機加工連桿體和連桿蓋的結合面，常用銑削、拉削、磨削等方法；(3)加工大小頭孔及螺栓孔、銷孔等，包括粗加工及半精加工連桿體、大頭孔、小頭孔，精加工連桿蓋的定位銷孔及連桿體的螺栓孔；(4)裝配連桿體與連桿蓋，精加工大頭孔和小頭孔。
在兩種工藝中，都需對連桿體和連桿蓋的結合面進行銑、拉、磨等多道機加工工序，同時連桿蓋的定位銷孔要求較高的加工精度，導致連桿生產效率低、成本高，質量難以保證。
2、剖分式連桿裂解機制及過程
由脆性固體斷裂力學H’可知，脆性合金材料在裂紋存在情況下應力集中嚴重，在承載遠低于材料的屈服強度即可發生解理型低應力脆斷，塑性變形小、斷口方向與正應力垂直。剖分式連桿裂解加工即利用此原理，如圖2所示，主要涉及以下過程”1：(I)在整體鍛造的連桿毛坯大頭孔內側對稱加工兩條裂紋槽，形成初始斷裂源；(2)施加垂直于預定斷裂面的正應力使連桿在斷裂源處脆性斷裂分離成連桿體和連桿蔫：r3、將連桿體和連桿蔫精確復位。
圖2 部分式連桿裂解加工過程
2．1 裂解連桿材料
裂解工藝要求連桿材料具有較好的脆性，使斷裂面呈現犬牙交錯的解理特征哺]，同時滿足高強度及良好的機加工性能，目前，可用于連桿裂解的材料主要有微合金非調制碳鋼、粉末冶金、球墨鑄鐵及可鍛鑄鐵o¨。以C70S6材料哺1為代表的微合金非調制碳鋼是目前應用最為廣泛的連桿裂解材料，它具有良好的組織與力學性能，在汽車發動機連桿中得到了應用。
2．2 初始裂紋槽的預制
裂解槽的加工位置伴隨著裂解加工技術的發展而不斷衍化，目前常采用在連桿毛坯大頭孔內側對稱加工兩條裂紋槽歸1，該方法具有加工工序少、連桿承載能力大的優點。裂紋槽幾何尺寸主要由3個參數決定，即槽深^、張角a和曲率半徑r，研究表明，尖角深槽可保證較大的應力集中系數¨0|。常用的裂解槽加工方法有機械拉削、線切割、水刀和激光加工等，其中，激光切割具有切槽窄、速度快、易裂解等優點，在一汽大眾¨¨等現代車企中得到了廣泛應用。
2．3 裂紋的受載擴展過程
如圖3，在斷裂力學中，裂紋尖端的基本受載形式有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(張開型)承受與裂紋面垂直的正應力，裂紋沿y方向的解理面張開，與高脆性材料中的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、直至形成整個斷裂面。在幾乎不發生塑性變形的情況下，在缺口處呈現犬牙交錯的自然斷裂，實現連桿體與連桿蓋的無屑斷裂剖分。
圖3 裂紋尖端受載形式
3、剖分式連桿裂解加工工藝
目前剖分式連桿裂解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完成裂解加工。同時，國內外學者也發展和研究了其他機械裂解加工設備，以及熱處理(或冷凍)輔助裂解、復合鑄造裂解和疲勞裂解等新型裂解加工方法。
3．1 機械式裂解加工設備及工藝
3．1．1 芯軸脹套式
該類型裂解設備中，在連桿大頭孑L內均安置有由脹套及楔形芯軸組成的增力機構，通過液壓活塞桿推動楔形芯軸進而推動脹套運動，使連桿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，又可細分為“上楔人式”、“水平楔人式”、“下拉式”、“上拉式”等幾類。
德國ALFING公司的“上楔入式”裂解設備¨4。如圖4所示，當預制有裂解槽的連桿工件放人工作臺平面后，由裂解油缸驅動楔形芯軸向下運動，通過楔形面推動裂解動套向外運動實現連桿的裂解。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，連桿在工位間的傳送只能在機構下方進行，增加了工件傳送的難度。該公司同時提出了一種“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，同時連桿大端底端油通過液壓缸水平驅動楔塊擠壓支撐柱，使連桿大端在裂解過程中始終保持背壓力，使大端孔圓度更高。美國福特公司采用的是“下拉式”連桿裂解加工設備¨引，如圖6所示，與“上楔人式”不同的是楔形塊由布置在連桿下方的油缸驅動下行。“上拉式”裂解機構結構與“下拉式”相似，裂解機構的布置方向不同，其裂解油缸布置在連桿上方，通過裂解油缸向上運動完成裂解過程。
研究表明，連桿脹斷后的爆口現象是該類型工藝的主要問題。裂解槽的形狀精度較低、槽深較淺、加載速度慢及芯軸、脹套的磨損等因素均易導致連桿爆口的產生。在裂解槽加工上，需要配備高精度的激光切槽機。在加載速度上，液壓系統的工作壓力、蓄勢器參數、回路、管徑、閥通徑、泵流量、液壓缸參數等均會影響裂解油缸的加載速度，因此對液壓系統設備要求較高，有待實現加載速度的最優化控制。同時，現有的裂解方法只適合微合金非調制碳鋼等脆性材料的連桿裂解，應用面有限。
圖4 “上楔入式”裂解設備
圖5 “水平楔入式”裂解設備
圖6 “下拉式”裂解設備
3．1．2液壓活塞式
該類型裂解設備取消了楔形塊結構，直接將液壓活塞及油路安置在了液壓缸活塞設置在連桿大頭孔的定套和動套之間，通過液壓油缸推動活塞運動實現連桿的裂解。圖7為美國MTS公司采用的“液壓活塞式脹套”裂解加工設備Ⅲ。，這種裂解方式所需的裂解力小，分離面質量好，但對設備的加載速度特性要求較高，同時由于連桿大端孔徑限制，導致活塞桿承壓極高，對設備元件密封性要求極為嚴格，增加了設備成本。
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8為美國福特公司的水平力作用式裂解設備¨81，連桿大頭孔內安置有裂解定套及動套，裂解定套與定塊相連接，裂解動套與滑塊相連接，連桿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動，使裂解定套直接對連桿大頭孔內壁加載，完成連桿蓋和連桿體的分離。該種裂解方式也通過大頭壓塊的對連桿大端保持有背壓力，保證了斷裂面的質量，提高產品成品率，但該機械系統要保證桿端與蓋端兩部分的定位及導向，機床定位系統較復雜，對于裂解設備的設計及加工要求較高。
圖8水平滑塊式裂解設備
3．2 熱處理(或冷凍)輔助裂解法
該類型裂解方法是將連桿工件的整體或局部通過一定方式加熱或冷凍到一定溫度后再進行裂解的新的加工技術。
3．2．1局部熱處理式
局部加熱加工采用激光¨9【、等離子體或高能電子束Ⅲ也¨對鋼制連桿大端的分割區進行照射，并在真空中冷卻，使局部由奧氏體組織變為馬氏體組織，實現連桿脆斷分離。使分割區域的材料由奧氏體組織變為馬氏體組織，在脹斷載荷作用下實現連桿脆斷分離。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制，除了斷裂區域外，斷裂區附近部位也易發生脆化，它不僅減弱了連桿局部機械強度，而且不能有效的保證連桿在預定的分割部位斷裂，裂解面易出現偏移等問題，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提出將連桿在零下60℃到零下90℃溫度下深冷5 min以上，改變材料的延展性，使連桿進入脆性狀態，實現連桿的脆性斷裂。對易于冷凍脆化的連桿材料，可在通過干冰加乙醇的混合冷凍方式實現零下60℃到零下80℃的冷凍，成本低；對難冷脆的連桿材料，可采用液氮實現零下190 oC的深度冷凍。但該工藝方法對整個連桿都進行了脆化，使連桿存在機械強度降低的危險；連桿脆性增加，要將其大頭部分割開需要很大的斷裂載荷，使斷裂裝置本身大型化，設備投入增加，這種工藝有待于新型連桿材料的進一步研制。
3．3復合鑄造裂解法
如圖9所示，該類型裂解方法主要針對鑄造型鋼制連桿，采用在連桿毛坯內人為設置脆性金屬裂解面的工藝制造連桿，形成具有脆性界面的復合鑄造連桿。按脆性金屬裂解面的形成過程主要分“預制式”和“澆注式”兩類。“預制式”鑄造裂解法在連桿模具型腔大頭孔內預先設置一層特殊金屬箔材Ⅲ1或灰鑄鐵片舊列作為隔板，并由鋼液的熱量將隔板與鋼液基體材料冶金結合，使其形成具有脆性界面的復合連桿鑄坯。“澆注式”鑄造裂解法心卅先澆鑄連桿體與連桿蓋，再抽離中間隔離板后澆注裂解用金屬液，制成復合連桿鑄坯。在實施裂解工藝時，利用界面材料的脆斷性完成連桿體與連桿蓋的裂解剖分。
圖9復合鑄造裂解法
這種加工方式能有效降低裂解載荷、簡化連桿加工工序，降低加工設備投資，但是存在以下問題：隔板材料強度低、易被氧化，若兩側金屬液面上升不一致、充型不平穩，對隔板材料沖擊大，則鑄件內形成的脆性界面將偏離預定位置、或無法形成脆化界面，后續或將無法實施裂解剖分。
3．4 疲勞裂解法
該類型裂解方法利用應力集中效應和疲勞斷裂原理，在加載上采用周期性疲勞載荷，對帶有預制裂解槽的連桿大頭端反復加載，完成連桿大端和連桿體的低應力疲勞分離"。281。如圖9所示的裂解設備，連桿小端通過固定芯軸定位在工作臺平面上，連桿大端內安置有固連于大端滑動座的移動芯軸，工作臺平面上設置有沿連桿長度方向的導軌槽，大端滑動座通過液壓缸系統實現上下循環加載，帶動大端芯軸對連桿大端內壁周期加載。同時，該設備可進一步通過伺服控制實現加載力的變頻調節。
與傳統準靜態加載方式相比，該裂解方式有效降低了能耗，即使是延性材料，斷裂面也沒有明顯的塑性變形，使可裂解的連桿材料大為擴展，具有更廣泛的應用前景，代表了綠色裂解的新的發展方向。但是目前的疲勞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來新的研究方向。
圖10 疲勞裂解法
4、結論
(1)目前剖分式連桿裂解主要采用楔形芯軸和脹套組合的機械式加工方法，通過液壓系統施加準靜態載荷完成連桿的裂解力n-r_。雖然是較先進的一種加工方式，但只適合微合金非調制碳鋼、粉末冶金、球墨鑄鐵等脆性材料的裂解，同時，為減少爆口問題產生，需通過高精度激光開槽技術開制高形狀精度的深槽，并提高液壓系統設備性能，以實現裂解加載速度的最優化控制。
(2)國外同時發展和研究了液壓活塞式及水平滑塊式等其他類型機械裂解加工設備，其中，液壓活塞式裂解方式所需的裂解力小，分離面質量好，但對設備的加載速度特性要求較高，同時由于連桿大端孔徑限制，導致活塞桿承壓極高，對設備元件密封性要求極為嚴格；水平滑塊式裂解方法通過大頭壓塊的對連桿大端保持有背壓力，保證了斷裂面的質量，提高產品成品率，但該機械系統要保證桿端與蓋端兩部分的定位及導向，機床定位系統較復雜。
(3)隨著新技術的發展，復合鑄造裂解、熱處理(或冷凍)輔助裂解，和疲勞裂解等新型裂解加工方法成為新的研究方向。熱處理或冷凍輔助裂解通過不同工藝手段提高材料脆性以實現連桿的脆斷，但易改變裂解區以外的材料性能，存在削弱連桿機械強度、裂解面易偏移等問題；復合鑄造裂解能有效降低裂解載荷、簡化加工工序，但充型工藝尚未成熟，易導致脆性界面偏離或失形；疲勞裂解方式改變了傳統的準靜態加載方式，可對延性材料進行裂解，并有效降低了能耗，具有更廣泛的應用前景，但目前疲勞裂解設備加載方式較單一，主要采用直線式定向加載，難以保證大頭孔均勻受載，以伺服直驅式的周向疲勞加載將成為未來新的研究方向。
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