發(fā)動機連桿裂解加工技術(shù)綜述

汪建敏 萬 里 姜銀方 龍 坤 劉 振 趙 龑 程科升

(①江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013;②江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

連桿的裂解加工技術(shù)是上世紀(jì)90 年代興起的新型連桿加工技術(shù)，它改變了傳統(tǒng)的連桿加工方法，具有明顯的經(jīng)濟效益。目前連桿裂解技術(shù)已成為衡量一個國家發(fā)動機連桿制造水平的重要指標(biāo)。

裂解加工技術(shù)的原理是根據(jù)材料的斷裂理論，預(yù)先在零件毛坯上人為加工特定的裂解槽，以形成應(yīng)力集中源，再施加裂解外載使裂痕定向擴展，實現(xiàn)無屑斷裂，完成連桿體和連桿蓋結(jié)合面剖分加工。它無需再采用機械加工方法來磨削結(jié)合面，而是利用連桿斷裂面上自然的三維凹凸結(jié)構(gòu)實現(xiàn)連桿體與連桿蓋的精確合裝。裂解技術(shù)具有傳統(tǒng)連桿加工方法無可比擬的優(yōu)勢。利用裂解技術(shù)，可以減少機械加工工序60%左右，減少機床設(shè)備投資25%左右，減少刀具費用35%左右，節(jié)省能源40%左右［1］。但是現(xiàn)階段存在的主要缺陷是桿、蓋分離過程中有撕裂、掉渣、單邊裂解或裂不開、大頭孔變形及斷裂面扭曲變形等，因此連桿裂解技術(shù)還有待進一步的研究。

1 連桿裂解加工的工藝發(fā)展

連桿裂解技術(shù)在上世紀(jì)80 年代被提出，90 年代進入實際應(yīng)用階段，在國外已有20 多年的發(fā)展歷史，其工藝主要包含以下過程:

(1)先在整體連桿毛坯的大頭孔內(nèi)側(cè)開設(shè)缺口槽，形成初始應(yīng)力集中源;

(2)通過在連桿大頭孔內(nèi)施加正壓力，使裂紋沿預(yù)定斷裂面的脆性剖分，且保證斷面無塑性變形、斷面臺階、裂紋分叉等;

(3)利用斷裂面上自然的三維凹凸結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)剖分后的連桿體與連桿蓋之間的重新嚙合;

(4)以三維曲面結(jié)構(gòu)作為定位基準(zhǔn)，在斷裂面完全嚙合的條件下進行后續(xù)大頭孔精加工及上螺栓工序。

與傳統(tǒng)工藝相比，省去了連桿結(jié)合面的拉削和磨削，降低了螺栓孔的加工精度，簡化了加工工藝過程。

目前連桿裂解技術(shù)已成為國內(nèi)外連桿加工技術(shù)的發(fā)展趨勢。在國外，該技術(shù)已在美國通用、福特和戴姆勒-克萊斯勒等公司，德國曼、寶馬、戴姆勒奔馳大眾等公司，日本本田、馬自達等企業(yè)成功運用及推廣;在國內(nèi)，目前采用此技術(shù)生產(chǎn)連桿的企業(yè)依然有限，大部分生產(chǎn)線采用進口設(shè)備，一汽大眾、上海通用、上海大眾、四會實力等相繼引入了用于連桿裂解加工的生產(chǎn)線［2］。其中四會實力分別采用進口、國產(chǎn)、自制脹斷設(shè)備組建了5 條連桿生產(chǎn)線［3］。目前國內(nèi)外對連桿裂解的關(guān)鍵技術(shù)研究主要集中在裂解材料、預(yù)制裂紋槽、裂解工藝上。對材料的研究主要集中在通過添加或改變材料的化學(xué)元素開發(fā)出高強度、低韌性、具有良好嚙合性能的裂解材料;通過研究預(yù)制裂紋槽的幾何參數(shù)、加工方法與裂解質(zhì)量的關(guān)系尋求最佳的裂紋槽幾何參數(shù)和加工方法;對裂解加工的研究主要集中在裂解方式和裂解設(shè)備上。

2 連桿裂解工藝的關(guān)鍵因素

2.1 連桿裂解材料

裂解工藝要求在滿足連桿綜合力學(xué)性能的條件下，連桿鍛件在裂解過程中大頭孔不產(chǎn)生明顯的塑性變形，連桿體和蓋之間呈脆性斷裂;裂解后的斷裂面呈明顯的三維凹凸結(jié)構(gòu)，便于后續(xù)組裝時蓋與體的嚙合。適用于發(fā)動機連桿的裂解材料要求有較高的強度、裂解過程要求適當(dāng)?shù)拇嘈?，同時限制連桿材料的韌性指標(biāo)。因此裂解工藝對材料的選擇有嚴(yán)格要求。目前常用的裂解材料主要有粉末冶金、高碳鋼、球墨鑄鐵［4］。

粉末冶金鍛造連桿產(chǎn)業(yè)快速成長的關(guān)鍵因素是1990 年前后研發(fā)并得到成功應(yīng)用的斷裂剖分工藝，其優(yōu)點在于粉末冶金材料具有良好的脆斷性，鍛造毛坯精度高，鍛造連桿在燒結(jié)時就可以預(yù)壓出裂紋槽，減少了預(yù)制裂紋槽工序，適合應(yīng)用與斷裂剖分工藝。1992年BMW 公司在V8 發(fā)動機上應(yīng)用斷裂剖分工藝制造出粉末冶金連桿。但是粉末冶金連桿制坯成本高，抗疲勞強度低于鍛鋼連桿，因此限制了粉末冶金材料的應(yīng)用。

鍛鋼連桿尺寸精度高，組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能優(yōu)異，目前用于連桿裂解的鋼一類是微合金非調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，主要有38MnV(或40MnV)、S43CVS、S53CV - FS、SPLITASCO38 等非調(diào)質(zhì)鋼，該類鋼主要是珠光體+鐵素體組成，疲勞壽命高。另一類主要是C70、C70S6，C70E3、SPLITASCO70D 等高碳非調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼。趙立新等人研究發(fā)現(xiàn)高碳鋼中C 含量高，增加了鋼的淬透性，增加Mn 含量可以提高鋼的切削性能，增加S 的含量，形成的MnS 降低了鋼的塑性，其中Mn 的含量至少是S 的3 倍?；菪l(wèi)軍等人在C70S6 鋼的基礎(chǔ)上通過改變鋼中元素的比例開發(fā)出了一種適用于裂解加工的新鋼種，其成分如表1 所示［5］。S. Craig Bergsma 等［6］采用半固態(tài)成型技術(shù)制造的鋁合金連桿，通過合理調(diào)整鋁合金材料成分與熱處理工藝，使鋁合金連桿具有低延展性和良好的力學(xué)性能，裂解后連桿體、蓋能實現(xiàn)精確合裝。

球墨鑄鐵的低塑性和易脆斷性非常適合連桿的裂解加工，但是球墨鑄鐵的質(zhì)量偏差和力學(xué)性能較差，限制了其應(yīng)用。

表1 新材料的化學(xué)成分(%)

2.2 裂解槽

裂解加工前，首先要在連桿大頭孔適當(dāng)?shù)奈恢瞄_設(shè)裂解槽，以便在后續(xù)裂解過程中形成初始裂紋源。裂解槽的幾何參數(shù)、加工方法直接影響著裂解加工質(zhì)量，因此目前對裂解槽的研究主要集中在裂解槽的幾何參數(shù)和加工方法上。

裂解槽的幾何參數(shù)主要包括張角a，曲率半徑r，槽深h，槽長l，如圖1 所示。研究發(fā)現(xiàn)裂解槽深度h對裂解力影響最大，隨著槽深增加，裂解力銳減，其次是張角a，而曲率半徑r影響最小，隨著槽深增加，裂解力銳減，當(dāng)h≥1.0 mm 時裂解力減小緩慢，a≤45°時裂解力增大相對緩慢［7］。

目前裂解槽的加工方法主要有3 種:機械拉削、線切割、激光加工。機械拉削主要是通過刀具切割金屬形成裂解槽，其中裂解槽的最小張角a和曲率半徑r均與刀具幾何參數(shù)有關(guān)，比線切割和激光切割后的明顯要大，降低了應(yīng)力集中系數(shù)，同時刀具磨損后要不斷更換刀具或修整刀具。與線切割相比，激光切割具有高速、高精度和高適應(yīng)性等優(yōu)點，切割后形成的裂解槽根部具有明顯的淬火效應(yīng)，導(dǎo)致根部的屈服強度提高，KIC降低，更易實現(xiàn)脆性斷裂。因此激光加工更適合裂解槽的加工［8］。激光參數(shù)對裂解槽質(zhì)量影響很大。

2.3 裂解加工

連桿裂解裝置設(shè)計時，要考慮到載荷的大小、方向、速度以及加載裝置的結(jié)構(gòu)等因素，同時要考慮連桿蓋和體能精確嚙合。其設(shè)計必須要控制大頭孔的塑性變形、單邊斷裂及彎曲斷裂。合理的連桿裂解裝置是連桿裂解工藝成功的關(guān)鍵。目前連桿的裂解裝置主要有楔形塊式、液壓活塞直接推動式、水平力作用式。其中楔形塊式主要包括上壓入式、上拉式、下拉式3 種結(jié)構(gòu)，其主要原理是利用楔形塊的運動帶動脹套運動，從而對連桿大頭施加脹斷力，實現(xiàn)蓋和體的分離。日本本田、日本豐田、德國ALFING 公司以及國內(nèi)一汽大眾等均采用楔形塊式裂解裝置。液壓活塞直接推動式取消了楔形塊，液壓油缸和活塞產(chǎn)生的力直接作用在脹套上，從而對連桿大頭施加脹斷力，實現(xiàn)蓋和體的分離。德國寶馬，美國GIDDINGS＆LEWIS 等均采用此類裂解設(shè)備。水平力作用式利用滑塊進入脹套，滑塊運動作用在脹套上，從而對連桿大頭施加脹斷力，實現(xiàn)蓋和體的分離。美國福特、德國ALFING 公司等均采用此類裂解設(shè)備［9］。在國內(nèi)吉林大學(xué)率先研究和制造了用于裂解加工的裝置。

3 雙金屬鑄造裂解連桿毛坯的新方法簡介

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，汽車發(fā)動機除了需要滿足一定的力學(xué)性能和較高的燃油經(jīng)濟性外，還要求具有質(zhì)量輕，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊等特點。為適應(yīng)輕量化要求，鋁合金連桿已被廣泛采用。目前用于制造連桿的鋁合金材料具有較高的延展性，無法直接應(yīng)用于裂解技術(shù)。目前常用的裂解材料種類有限，極大地限制了裂解技術(shù)的發(fā)展。

江蘇大學(xué)姜銀方教授帶領(lǐng)的團隊率先提出一種采用雙金屬制造剖分類零件的新工藝。其設(shè)計思路是鑄造連桿毛坯預(yù)先設(shè)置裂解層，連桿主體部分采用綜合性能較好的鋁合金材料，裂解層采用脆性材料，通過復(fù)合技術(shù)使兩種材料實現(xiàn)冶金結(jié)合形成雙金屬鑄坯，然后在裂解層內(nèi)實施裂解工藝，在使零件裂解時沿預(yù)置界面脆斷剖分。其原理圖如圖2 所示。

江蘇大學(xué)姜銀方教授團隊設(shè)計的連桿主體材料采用2A14 鋁合金，裂解區(qū)材料采用A390 鋁合金，通過控制復(fù)合鑄造工藝參數(shù)使兩種材料實現(xiàn)了冶金結(jié)合。鑄造毛坯如圖3 所示，其截面宏觀形貌如圖4 所示。

把毛坯切割成如圖5 所示的試樣，通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗?，其微觀組織如圖6 所示，具有明顯的擴散層。對兩種材料接觸區(qū)域進行硬度和成分分析，結(jié)果顯示過渡層的硬度呈緩慢過渡的分布特征，復(fù)合鑄坯在界面兩側(cè)的元素分布呈梯度分布，說明兩種金屬之間實現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合。

鑄坯試樣上開設(shè)裂解槽進行裂解試驗，裂紋從裂解槽位置起裂，對斷口分析，發(fā)現(xiàn)呈明顯的脆性斷裂特征，滿足裂解加工工藝要求。

4 發(fā)展趨勢

發(fā)動機連桿裂解技術(shù)具有傳統(tǒng)連桿加工技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，已經(jīng)進入大規(guī)模生產(chǎn)階段，但是目前連桿的裂解技術(shù)受裂解材料、裂解工藝、裂解裝置等因素的影響，裂解過程中依然存在著撕裂、掉渣、單邊裂解或裂不開、大頭孔變形及斷裂面扭曲變形等缺陷。因此裂解技術(shù)還有待進一步的研究。后續(xù)的研究主要集中在以下幾個方面:

(1)通過改變材料中化學(xué)元素的含量、材料的冶煉、鍛造工藝、熱處理工藝等過程不斷探索開發(fā)出低韌性，高強度的裂解用材料。

(2)雙金屬鑄造裂解連桿毛坯技術(shù)剛剛起步，其工藝過程包括毛坯鑄造工藝、熱處理工藝、鍛造工藝及裂解工藝等有待進一步研究。有待進一步研究如何把雙金屬鑄造裂解連桿毛坯工藝應(yīng)用于更多力學(xué)性能優(yōu)良的輕質(zhì)合金上，如鋁合金、鈦合金等。

(3)研究如何把現(xiàn)有的先進的力加載方式如充液拉伸、電磁驅(qū)動式拉伸等應(yīng)用于連桿的裂解過程，研究制造出穩(wěn)定性高的裂解設(shè)備。

(4)與計算機仿真技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出連桿裂解工藝專用仿真軟件，通過模擬初步確定裂解工藝參數(shù)，實踐過程中不斷調(diào)整，最終確定最佳的工藝參數(shù)，提高效率，節(jié)約成本。

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