裂解連桿斷裂結(jié)合面缺損面積定量描述與分析

寇淑清，楊宏宇，高 巖，楊慎華

（1.吉林大學(xué)，輥鍛工藝研究所，長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春吉揚(yáng)華欣科技有限責(zé)任公司，長(zhǎng)春 130103）

連桿裂解加工（也稱“脹斷”）技術(shù)利用斷裂剖分得到的三維凹凸結(jié)合面，實(shí)現(xiàn)連桿體／蓋的精確定位和充分嚙合，提高連桿加工精度與裝配質(zhì)量，同時(shí)，斷裂面較機(jī)械加工平面的面積和粗糙度增大，使連桿的承載能力尤其是抗剪能力大幅度提高。另一方面，在裂解加工過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)顆粒脫落而造成斷裂面缺損，缺損處結(jié)合面不再嚙合，因此斷裂面缺損直接降低了裂解連桿結(jié)合面的有效接觸面積，為此需要限定斷裂面缺損尺寸以保證承載能力和裝配質(zhì)量。

連桿斷裂結(jié)合面呈犬牙交錯(cuò)的自然形態(tài)，測(cè)定其面積很困難，在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)斷裂結(jié)合面面積缺損的要求并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，往往以經(jīng)驗(yàn)和同行的數(shù)據(jù)作為參考。本文提出了一種定量描述連桿斷裂結(jié)合面面積的方法，該方法將連桿裂解加工實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、金屬斷口的三維重建技術(shù)、逆向工程理論相結(jié)合，利用激光掃描系統(tǒng)獲取連桿斷裂面數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行曲面重構(gòu)，再現(xiàn)斷裂結(jié)合面形貌并計(jì)算其面積，通過與機(jī)械加工結(jié)合面對(duì)比，分析斷裂結(jié)合面面積增大幅度，據(jù)此規(guī)范因顆粒脫落造成的斷裂面缺損尺寸，為裂解連桿缺陷控制標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

1 連桿結(jié)合面裂解加工方法

傳統(tǒng)結(jié)合面主要有平面、臺(tái)肩形面、凹凸槽形面和鋸齒形面，對(duì)應(yīng)的定位方式依次是螺栓定位、止口定位、凹凸槽定位和鋸齒定位。傳統(tǒng)結(jié)合面主要采用成形銑削、成組銑削、成組拉削等工藝技術(shù)，工序成本較高［1］，且傳統(tǒng)結(jié)合面定位方式只能實(shí)現(xiàn)二維定位，定位精度有限。隨著工程設(shè)計(jì)中對(duì)結(jié)合面的設(shè)計(jì)要求越來越嚴(yán)格，沿著吻合程度最好的方向考慮，同時(shí)避免上述種種結(jié)合形式的弊端，誕生了基于連桿裂解加工新技術(shù)的斷裂面定位形式。

裂解加工技術(shù)以脆性斷裂理論及應(yīng)力集中理論為基礎(chǔ)［2］，對(duì)連桿在預(yù)定剖分位置制造具有一定幾何尺寸的初始啟裂源，再施加垂直于預(yù)定斷裂面的正應(yīng)力載荷，使連桿沿初始啟裂源實(shí)現(xiàn)Ⅰ型斷裂分離［3］。裂解加工過程如圖1所示，斷裂剖分后形成一對(duì)宏觀形態(tài)參差、微觀互補(bǔ)耦合的三維凹凸結(jié)合面，可實(shí)現(xiàn)體／蓋三個(gè)方向精確定位，解決了傳統(tǒng)結(jié)合面加工難度大，定位精度不理想等問題。

圖1 連桿裂解加工過程Fig.1 The process of con－rod fracture splitting

2 連桿斷裂剖分易致缺陷

2.1 斷裂結(jié)合面形態(tài)要求

連桿裂解技術(shù)要求斷裂剖分后，形成一對(duì)相互匹配的具有三維參差形態(tài)的斷裂結(jié)合面，斷裂面幾乎無塑性變形，斷口方向平齊且與拉伸應(yīng)力垂直。

C70S6高碳微合金非調(diào)質(zhì)鋼是迄今為止應(yīng)用最為廣泛的裂解連桿用鋼，且實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。C70S6連桿鍛后空氣控制冷卻處理，在低應(yīng)力脆斷條件下，斷裂面塑性變形極小，斷口方向平齊且與脹斷張力垂直，斷口邊緣無剪切“唇口”，斷裂表面粗糙，具有眾多細(xì)小三維凹凸臺(tái)階呈河流狀［4］，可滿足裂解連桿對(duì)斷裂結(jié)合面的要求。

2.2 斷裂結(jié)合面缺陷及質(zhì)量要求

在連桿裂解過程中，由于材料、工藝、裂解槽加工工序缺陷等諸多因素，難免在斷裂剖分過程中產(chǎn)生一些裂解缺陷，主要有斷裂面顆粒脫落導(dǎo)致的面積缺損，因塑性變形而引起的大頭孔失圓超差，裂紋擴(kuò)展路徑不唯一或不閉合導(dǎo)致的分叉、夾屑或外緣臺(tái)階，裂紋擴(kuò)展方向偏移引起的斷裂面偏離預(yù)定位置，單側(cè)裂紋槽啟裂而引起的單邊斷裂等。其中，斷裂面缺損包括以下兩種:一是外輪廓顆粒大面積脫落，俗稱爆口，如圖2（a）所示；二是斷裂面內(nèi)顆粒大面積脫落（斷裂復(fù)位后不可見脫落）。而夾屑也是斷裂面缺損的來源，這是因?yàn)閵A屑與基體的結(jié)合差、承載力不足，在使用中易發(fā)生脫落，因此需要清除，從而形成斷裂面缺損，圖2（b）所示為清除夾屑后的斷裂面缺損。

斷裂面的缺損不但影響了連桿產(chǎn)品的外觀（爆口），造成質(zhì)量損失，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使承載能力及抗剪能力降低，無法滿足強(qiáng)度要求，因此在生產(chǎn)中定量描述斷裂結(jié)合面的面積并限定其缺損面積是必要的。

圖2 裂解連桿斷裂剖分缺陷Fig.2 Fracture disfigurements of con－rod

3 連桿斷裂面測(cè)量

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

在斷裂面三維數(shù)據(jù)重構(gòu)過程中，獲取高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，是保證重構(gòu)精度的基礎(chǔ)［5］。鑒于連桿斷裂面尺寸較小且為復(fù)雜空間曲面，本文采用非接觸式測(cè)量方法［6］，使用LSV50型（臺(tái)灣）三維激光掃描系統(tǒng)采集連桿斷裂面的三維數(shù)據(jù)，形成實(shí)物點(diǎn)云。掃描精度在10μm景深范圍內(nèi)為0.05mm。連桿斷裂面具有灰色金屬光澤，感光性好，掃描過程中無需額外涂抹感光物質(zhì)以免造成測(cè)量不精確。

實(shí)驗(yàn)樣件為裂解加工批量生產(chǎn)的某轎車連桿，如圖3所示，脹斷前大頭孔直徑為41.8mm，大小頭孔中心距為147.5mm，大頭厚度為17.9 mm，材料為高碳微合金非調(diào)質(zhì)鋼C70S6，連桿鍛造后空冷處理。斷裂剖分前，激光加工裂解槽，槽深h＝0.4mm。在背壓狀態(tài)利用下拉式楔形裂解機(jī)構(gòu)提供水平脹斷力進(jìn)行裂解加工，斷裂剖分過程中無明顯顆粒脫落，因此，在后續(xù)分析中可假設(shè)為完整無缺損斷裂面。

圖3 斷裂剖分連桿樣件Fig.3 The sample of splitting con－rod

3.2 參數(shù)設(shè)置

儀器掃描參數(shù)的合理設(shè)置決定掃描點(diǎn)云的精度與效果。掃描參數(shù)設(shè)置包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和激光參數(shù)調(diào)節(jié)，前者包括掃描數(shù)據(jù)平滑方式，掃描曲線的擬合階數(shù)，數(shù)據(jù)平滑設(shè)定等參數(shù)；后者包括對(duì)激光強(qiáng)度、亮度和對(duì)比度進(jìn)行調(diào)節(jié)。連桿裂解斷裂結(jié)合面形態(tài)特征細(xì)小，且粗糙不平，掃描步長(zhǎng)取最小值為0.01mm，其他參數(shù)設(shè)置需經(jīng)多次校核對(duì)比選取最佳值，具體見表1和表2。

表1 掃描系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置Table 1 Scanning system preferences

表2 激光參數(shù)設(shè)置（開室內(nèi)燈）Table 2 Laser system preferences（with room lamp on）

3.3 連桿斷裂面點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

進(jìn)行掃描測(cè)量時(shí)，會(huì)掃描到被測(cè)零件外的一些背景物體，產(chǎn)生體外點(diǎn)；掃描過程中受到掃描設(shè)備輕微振動(dòng)、環(huán)境光、圖像處理的算法等因素影響，采集到的數(shù)據(jù)會(huì)包含一些噪聲點(diǎn)；由于被測(cè)零件自身幾何拓?fù)湓蚧蛞蚬鈱W(xué)遮擋效應(yīng)等，會(huì)使測(cè)量數(shù)據(jù)缺失［7］，因此掃描測(cè)得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)處理后才能重構(gòu)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理包括擦出體外點(diǎn)、噪音點(diǎn)剔除、數(shù)據(jù)多邊形化等。

處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，需格外精細(xì)，并與實(shí)物對(duì)比，反復(fù)修改閾值，避免誤刪有效數(shù)據(jù)點(diǎn)。去除體外孤點(diǎn)和噪音點(diǎn)后的結(jié)果如圖4（a）所示，多邊形化并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失之處基于曲率填充，按照樣件輪廓編輯邊界，結(jié)果如圖4（b）所示。

對(duì)比圖4與圖3可知，使用激光掃描能夠很好地測(cè)量到連桿斷裂面凹坑、隆凸等較復(fù)雜輪廓，所得點(diǎn)云可精確反應(yīng)斷裂面形貌。

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)顯示圖Fig.4 The graphic display of point cloud

4 斷裂面三維重構(gòu)及面積計(jì)算

重構(gòu)過程實(shí)質(zhì)上是對(duì)三維空間數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化的實(shí)現(xiàn)過程［8］。本文基于STL格式文件對(duì)以獲取的斷裂面點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照三角面片拼接方式重構(gòu)斷裂面，并對(duì)每一個(gè)三角面片的面積進(jìn)行累加計(jì)算，從而完成對(duì)連桿斷裂面的定量描述。

4.1 TIN法顯示三維斷面步驟

TIN法顯示連桿三維斷面，其過程就是建立不規(guī)則三角網(wǎng)（如圖5），具體步驟如下:

（1）對(duì)所有點(diǎn)的距離加以排序，生成有序點(diǎn)的集合。

（2）選擇離散點(diǎn)中最相近的兩個(gè)點(diǎn)作為三角形的一邊，然后在其余所有點(diǎn)中搜尋出與這條邊最近的點(diǎn)構(gòu)成第一個(gè)三角形網(wǎng)格。

（3）以新生成的三角形的另外兩邊為底，分別搜尋出與這兩條邊最近的點(diǎn)構(gòu)成第二、第三個(gè)三角形，以此類推直到將所有的點(diǎn)連入其中。

圖5 不規(guī)則三角網(wǎng)模型Fig.5 The pattern of triangulated irregular network

4.2 基于STL重構(gòu)連桿斷裂面

經(jīng)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)保存為STL格式，基于Visual C＋＋軟件平臺(tái)，借助C＋＋語(yǔ)言和OpenGL提供的核心函數(shù)讀取STL文件，將文件中一系列離散的點(diǎn)進(jìn)行三角面片重構(gòu)。

（1）STL格式文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

STL（Stereo lithograph）即三維實(shí)體模型文件，采用三角形面片離散近似表示三維模型，每個(gè)三角形面片包含有4個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，即三角形的3個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和三角形面片的外法線矢量。

（2）拓?fù)潢P(guān)系的重建

拓?fù)渲亟ㄟ^程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通常由頂點(diǎn)表、法向量表和三角形片面表構(gòu)成，頂點(diǎn)表和面表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖6所示。首先為所有三角形面片和頂點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，頂點(diǎn)索引號(hào)對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)列表中的坐標(biāo)值，每個(gè)三角形面片包含3個(gè)頂點(diǎn)的索引號(hào)，每個(gè)面對(duì)應(yīng)面索引號(hào)，并加到面鏈表中。最后采用Visual C＋＋中提供的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)組CArray類對(duì)三角形網(wǎng)格模型的幾何信息進(jìn)行存儲(chǔ)。

圖6 Vertex和Face數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 The data structure diagram of Vertex and Face

拓?fù)潢P(guān)系重建后，在Visual C＋＋中可顯示點(diǎn)、三角網(wǎng)格和面，圖7為截取的部分圖片。

圖7 Visual C＋＋中顯示結(jié)果Fig.7 Display the results by Visual C＋＋

4.3 斷裂結(jié)合面面積計(jì)算

已知三角形三個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值即可計(jì)算三角形網(wǎng)格面積，在程序中需設(shè)置一個(gè)循環(huán)，依次讀取每個(gè)三角形單元編號(hào)，根據(jù)三角形編號(hào)找到與此對(duì)應(yīng)的三個(gè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)編號(hào)找到節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值，進(jìn)而依據(jù)海倫公式可計(jì)算出三角形面積，所有三角面片面積累加之和為連桿斷裂面面積。計(jì)算公式為

式中:i為三角面片的序號(hào)，Li、Ai、Bi和Ci分別為第i個(gè)三角面片的周長(zhǎng)的一半和三角面片的三邊邊長(zhǎng)；n為三角面片的個(gè)數(shù)，本文中n＝522130，計(jì)算得到S＝168.392mm2。

5 連桿斷裂面缺損面積控制

通常，生產(chǎn)工藝要求顆粒脫落面積不能超過一定范圍，目前還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一般轎車類連桿爆口（外緣顆粒脫落面積）極限尺寸≤2.5mm×1.5mm，中型卡車類連桿≤3.5mm×2.5mm。

根據(jù)上述三角面片累加求和得到轎車連桿樣件斷裂面面積為168.392mm2，機(jī)械加工平面面積為148.959mm2，由此可知斷裂面面積提高了13.1%。說明如果裂解加工結(jié)合面顆粒脫落面積控制在13.1%以內(nèi)，其結(jié)合面接觸面積及承載能力將不低于傳統(tǒng)機(jī)械加工連桿。

針對(duì)本實(shí)驗(yàn)所采用的轎車連桿樣件，斷裂面相對(duì)平面面積絕對(duì)增加值為19.433mm2，其缺損面積最大理論值可達(dá)4.4mm×4.4mm。顆粒脫落一般呈現(xiàn)如圖2所示的不規(guī)則形狀，因此采用極限尺寸界定。由此可知，在不考慮外觀的條件下，其長(zhǎng)、寬極限尺寸可較現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)參考值大大增加，而不影響連桿的使用性能。

6 結(jié) 論

（1）應(yīng)用激光掃描系統(tǒng)測(cè)量某轎車連桿裂解加工斷裂結(jié)合面三維數(shù)據(jù)場(chǎng)，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除體外點(diǎn)、噪音點(diǎn)、多邊形化填充等操作，獲取可精確吻合斷裂面形貌的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)。

（2）利用有效點(diǎn)云數(shù)據(jù)，基于stl格式文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重建拓?fù)潢P(guān)系，在Visual C＋＋中用TIN法再現(xiàn)連桿斷裂結(jié)合面形貌。

（3）采用三角面片拼合累加原理，計(jì)算連桿樣件斷裂結(jié)合面面積為168.392mm2，較機(jī)械加工結(jié)合面面積增加了13.1%。

（4）與傳統(tǒng)機(jī)械加工連桿相比，在不降低結(jié)合面接觸面積和承載能力的前提下，裂解加工連桿結(jié)合面缺損面積可達(dá)4.4mm×4.4mm，其長(zhǎng)寬極限尺寸較經(jīng)驗(yàn)參考值大大提高，對(duì)裂解連桿質(zhì)量控制具有重要意義。

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