汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)用連桿裂解工藝及設(shè)備的合理性探討
2018-3-14 來(lái)源：西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 作者： 董淵哲，趙升噸，張超，孟德安
摘要：連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)上的重要零件，其加工工藝及設(shè)備是發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。對(duì)比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿制造工藝，闡述了剖分式連桿裂解的機(jī)制及過(guò)程，根據(jù)核心加工技術(shù)的不同對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外主要裂解工藝及設(shè)備進(jìn)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(jī)械式裂解加工設(shè)備的原理及特點(diǎn)，并對(duì)復(fù)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(jìn)行了合理性探討。
關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)連桿；裂解工藝；加工設(shè)備
0 前言
連桿是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)及其他動(dòng)力機(jī)械中的重要零部件，起著連接活塞和曲軸的關(guān)鍵作用。近年來(lái)，我國(guó)汽車(chē)生產(chǎn)、尤其是轎車(chē)生產(chǎn)的大規(guī)?；?，連桿的行業(yè)需求量也急劇增加，傳統(tǒng)的連桿加工技術(shù)因工序復(fù)雜、加工成本高、廢品率高，已難以滿足日益提高的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品性能要求、難以適應(yīng)全球化的激烈競(jìng)爭(zhēng)，因此，研究節(jié)材、降耗、高生產(chǎn)率、低成本、優(yōu)質(zhì)價(jià)廉的連桿加工新技術(shù)變得越來(lái)越迫切。
連桿裂解技術(shù)¨。21是20世紀(jì)90年代在汽車(chē)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展起來(lái)的連桿加工新工藝，通過(guò)裂解加工設(shè)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(tǒng)加工方法，對(duì)連桿加工工藝產(chǎn)生了重大變革。
1 、傳統(tǒng)連桿制造工藝過(guò)程
目前，傳統(tǒng)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(guò)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(duì)分離面進(jìn)行機(jī)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(tǒng)分體式連桿加工過(guò)程
分體式連桿加工主要涉及以下工藝過(guò)程： (I)分別鍛造或鑄造連桿體和連桿蓋；(2)機(jī)加工連桿體和連桿蓋的結(jié)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(xiāo)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(xiāo)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(duì)連桿體和連桿蓋的結(jié)合面進(jìn)行銑、拉、磨等多道機(jī)加工工序，同時(shí)連桿蓋的定位銷(xiāo)孔要求較高的加工精度，導(dǎo)致連桿生產(chǎn)效率低、成本高，質(zhì)量難以保證。
2、剖分式連桿裂解機(jī)制及過(guò)程
由脆性固體斷裂力學(xué)H’可知，脆性合金材料在裂紋存在情況下應(yīng)力集中嚴(yán)重，在承載遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度即可發(fā)生解理型低應(yīng)力脆斷，塑性變形小、斷口方向與正應(yīng)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(guò)程”1：(I)在整體鍛造的連桿毛坯大頭孔內(nèi)側(cè)對(duì)稱加工兩條裂紋槽，形成初始斷裂源；(2)施加垂直于預(yù)定斷裂面的正應(yīng)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(fù)位。
圖2 部分式連桿裂解加工過(guò)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(xiàn)犬牙交錯(cuò)的解理特征哺]，同時(shí)滿足高強(qiáng)度及良好的機(jī)加工性能，目前，可用于連桿裂解的材料主要有微合金非調(diào)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(diào)制碳鋼是目前應(yīng)用最為廣泛的連桿裂解材料，它具有良好的組織與力學(xué)性能，在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿中得到了應(yīng)用。
2．2 初始裂紋槽的預(yù)制
裂解槽的加工位置伴隨著裂解加工技術(shù)的發(fā)展而不斷衍化，目前常采用在連桿毛坯大頭孔內(nèi)側(cè)對(duì)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(yōu)點(diǎn)。裂紋槽幾何尺寸主要由3個(gè)參數(shù)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(yīng)力集中系數(shù)¨0|。常用的裂解槽加工方法有機(jī)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(yōu)點(diǎn)，在一汽大眾¨¨等現(xiàn)代車(chē)企中得到了廣泛應(yīng)用。
2．3 裂紋的受載擴(kuò)展過(guò)程
如圖3，在斷裂力學(xué)中，裂紋尖端的基本受載形式有3種基本形式¨“，即I型(張開(kāi)型)、Ⅱ型(滑開(kāi)型)和Ⅲ型(撕開(kāi)型)。其中，I型(張開(kāi)型)承受與裂紋面垂直的正應(yīng)力，裂紋沿y方向的解理面張開(kāi)，與高脆性材料中的裂紋擴(kuò)展方式最為接近，當(dāng)材料的斷裂韌性墨Ⅲ1達(dá)到l|缶界斷裂韌度K。。時(shí)，裂紋尖端失穩(wěn)擴(kuò)展、直至形成整個(gè)斷裂面。在幾乎不發(fā)生塑性變形的情況下，在缺口處呈現(xiàn)犬牙交錯(cuò)的自然斷裂，實(shí)現(xiàn)連桿體與連桿蓋的無(wú)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(jī)械式方法，在常溫下施加準(zhǔn)靜態(tài)載荷完成裂解加工。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也發(fā)展和研究了其他機(jī)械裂解加工設(shè)備，以及熱處理(或冷凍)輔助裂解、復(fù)合鑄造裂解和疲勞裂解等新型裂解加工方法。
3．1 機(jī)械式裂解加工設(shè)備及工藝
3．1．1 芯軸脹套式
該類型裂解設(shè)備中，在連桿大頭孑L內(nèi)均安置有由脹套及楔形芯軸組成的增力機(jī)構(gòu)，通過(guò)液壓活塞桿推動(dòng)楔形芯軸進(jìn)而推動(dòng)脹套運(yùn)動(dòng)，使連桿大頭孔內(nèi)壁承受徑向載荷而脹斷。根據(jù)芯軸的插入方式不同，又可細(xì)分為“上楔人式”、“水平楔人式”、“下拉式”、“上拉式”等幾類。
德國(guó)ALFING公司的“上楔入式”裂解設(shè)備¨4。如圖4所示，當(dāng)預(yù)制有裂解槽的連桿工件放人工作臺(tái)平面后，由裂解油缸驅(qū)動(dòng)楔形芯軸向下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)楔形面推動(dòng)裂解動(dòng)套向外運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)連桿的裂解。該設(shè)備采用準(zhǔn)靜態(tài)瞬時(shí)加載，裂解效率高，但采用“上楔入式”時(shí)，連桿在工位間的傳送只能在機(jī)構(gòu)下方進(jìn)行，增加了工件傳送的難度。該公司同時(shí)提出了一種“水平楔入式”裂解設(shè)備¨“，如圖5所示，其脹塊及芯軸均水平布置進(jìn)行裂解，同時(shí)連桿大端底端油通過(guò)液壓缸水平驅(qū)動(dòng)楔塊擠壓支撐柱，使連桿大端在裂解過(guò)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”連桿裂解加工設(shè)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(qū)動(dòng)下行。“上拉式”裂解機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與“下拉式”相似，裂解機(jī)構(gòu)的布置方向不同，其裂解油缸布置在連桿上方，通過(guò)裂解油缸向上運(yùn)動(dòng)完成裂解過(guò)程。
研究表明，連桿脹斷后的爆口現(xiàn)象是該類型工藝的主要問(wèn)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(dǎo)致連桿爆口的產(chǎn)生。在裂解槽加工上，需要配備高精度的激光切槽機(jī)。在加載速度上，液壓系統(tǒng)的工作壓力、蓄勢(shì)器參數(shù)、回路、管徑、閥通徑、泵流量、液壓缸參數(shù)等均會(huì)影響裂解油缸的加載速度，因此對(duì)液壓系統(tǒng)設(shè)備要求較高，有待實(shí)現(xiàn)加載速度的最優(yōu)化控制。同時(shí)，現(xiàn)有的裂解方法只適合微合金非調(diào)制碳鋼等脆性材料的連桿裂解，應(yīng)用面有限。
圖4 “上楔入式”裂解設(shè)備
圖5 “水平楔入式”裂解設(shè)備
圖6 “下拉式”裂解設(shè)備
3．1．2液壓活塞式
該類型裂解設(shè)備取消了楔形塊結(jié)構(gòu)，直接將液壓活塞及油路安置在了液壓缸活塞設(shè)置在連桿大頭孔的定套和動(dòng)套之間，通過(guò)液壓油缸推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)連桿的裂解。圖7為美國(guó)MTS公司采用的“液壓活塞式脹套”裂解加工設(shè)備Ⅲ。，這種裂解方式所需的裂解力小，分離面質(zhì)量好，但對(duì)設(shè)備的加載速度特性要求較高，同時(shí)由于連桿大端孔徑限制，導(dǎo)致活塞桿承壓極高，對(duì)設(shè)備元件密封性要求極為嚴(yán)格，增加了設(shè)備成本。
圖7 液壓活塞式裂解設(shè)備
3．1．3水平滑塊式
該類型裂解設(shè)備通過(guò)驅(qū)動(dòng)滑塊體，安裝有裂解動(dòng)套的滑塊體進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。圖8為美國(guó)福特公司的水平力作用式裂解設(shè)備¨81，連桿大頭孔內(nèi)安置有裂解定套及動(dòng)套，裂解定套與定塊相連接，裂解動(dòng)套與滑塊相連接，連桿通過(guò)大端孔和小端孔定位座定位。裂解時(shí)，滑塊在液壓缸的驅(qū)動(dòng)下向外運(yùn)動(dòng)，使裂解定套直接對(duì)連桿大頭孔內(nèi)壁加載，完成連桿蓋和連桿體的分離。該種裂解方式也通過(guò)大頭壓塊的對(duì)連桿大端保持有背壓力，保證了斷裂面的質(zhì)量，提高產(chǎn)品成品率，但該機(jī)械系統(tǒng)要保證桿端與蓋端兩部分的定位及導(dǎo)向，機(jī)床定位系統(tǒng)較復(fù)雜，對(duì)于裂解設(shè)備的設(shè)計(jì)及加工要求較高。
圖8水平滑塊式裂解設(shè)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(guò)一定方式加熱或冷凍到一定溫度后再進(jìn)行裂解的新的加工技術(shù)。
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(duì)鋼制連桿大端的分割區(qū)進(jìn)行照射，并在真空中冷卻，使局部由奧氏體組織變?yōu)轳R氏體組織，實(shí)現(xiàn)連桿脆斷分離。使分割區(qū)域的材料由奧氏體組織變?yōu)轳R氏體組織，在脹斷載荷作用下實(shí)現(xiàn)連桿脆斷分離。這種工藝方法存在的最大問(wèn)題是：激光或等離子體照射的區(qū)域不能有效控制，除了斷裂區(qū)域外，斷裂區(qū)附近部位也易發(fā)生脆化，它不僅減弱了連桿局部機(jī)械強(qiáng)度，而且不能有效的保證連桿在預(yù)定的分割部位斷裂，裂解面易出現(xiàn)偏移等問(wèn)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(jìn)入脆性狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)連桿的脆性斷裂。對(duì)易于冷凍脆化的連桿材料，可在通過(guò)干冰加乙醇的混合冷凍方式實(shí)現(xiàn)零下60℃到零下80℃的冷凍，成本低；對(duì)難冷脆的連桿材料，可采用液氮實(shí)現(xiàn)零下190 oC的深度冷凍。但該工藝方法對(duì)整個(gè)連桿都進(jìn)行了脆化，使連桿存在機(jī)械強(qiáng)度降低的危險(xiǎn)；連桿脆性增加，要將其大頭部分割開(kāi)需要很大的斷裂載荷，使斷裂裝置本身大型化，設(shè)備投入增加，這種工藝有待于新型連桿材料的進(jìn)一步研制。
3．3復(fù)合鑄造裂解法
如圖9所示，該類型裂解方法主要針對(duì)鑄造型鋼制連桿，采用在連桿毛坯內(nèi)人為設(shè)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(fù)合鑄造連桿。按脆性金屬裂解面的形成過(guò)程主要分“預(yù)制式”和“澆注式”兩類。“預(yù)制式”鑄造裂解法在連桿模具型腔大頭孔內(nèi)預(yù)先設(shè)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(jié)合，使其形成具有脆性界面的復(fù)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(fù)合連桿鑄坯。在實(shí)施裂解工藝時(shí)，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(fù)合鑄造裂解法
這種加工方式能有效降低裂解載荷、簡(jiǎn)化連桿加工工序，降低加工設(shè)備投資，但是存在以下問(wèn)題：隔板材料強(qiáng)度低、易被氧化，若兩側(cè)金屬液面上升不一致、充型不平穩(wěn)，對(duì)隔板材料沖擊大，則鑄件內(nèi)形成的脆性界面將偏離預(yù)定位置、或無(wú)法形成脆化界面，后續(xù)或?qū)o(wú)法實(shí)施裂解剖分。
3．4 疲勞裂解法
該類型裂解方法利用應(yīng)力集中效應(yīng)和疲勞斷裂原理，在加載上采用周期性疲勞載荷，對(duì)帶有預(yù)制裂解槽的連桿大頭端反復(fù)加載，完成連桿大端和連桿體的低應(yīng)力疲勞分離"。281。如圖9所示的裂解設(shè)備，連桿小端通過(guò)固定芯軸定位在工作臺(tái)平面上，連桿大端內(nèi)安置有固連于大端滑動(dòng)座的移動(dòng)芯軸，工作臺(tái)平面上設(shè)置有沿連桿長(zhǎng)度方向的導(dǎo)軌槽，大端滑動(dòng)座通過(guò)液壓缸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上下循環(huán)加載，帶動(dòng)大端芯軸對(duì)連桿大端內(nèi)壁周期加載。同時(shí)，該設(shè)備可進(jìn)一步通過(guò)伺服控制實(shí)現(xiàn)加載力的變頻調(diào)節(jié)。
與傳統(tǒng)準(zhǔn)靜態(tài)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(méi)有明顯的塑性變形，使可裂解的連桿材料大為擴(kuò)展，具有更廣泛的應(yīng)用前景，代表了綠色裂解的新的發(fā)展方向。但是目前的疲勞裂解設(shè)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(qū)式的周向疲勞加載將成為未來(lái)新的研究方向。
圖10 疲勞裂解法
4、結(jié)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(jī)械式加工方法，通過(guò)液壓系統(tǒng)施加準(zhǔn)靜態(tài)載荷完成連桿的裂解力n-r_。雖然是較先進(jìn)的一種加工方式，但只適合微合金非調(diào)制碳鋼、粉末冶金、球墨鑄鐵等脆性材料的裂解，同時(shí)，為減少爆口問(wèn)題產(chǎn)生，需通過(guò)高精度激光開(kāi)槽技術(shù)開(kāi)制高形狀精度的深槽，并提高液壓系統(tǒng)設(shè)備性能，以實(shí)現(xiàn)裂解加載速度的最優(yōu)化控制。
(2)國(guó)外同時(shí)發(fā)展和研究了液壓活塞式及水平滑塊式等其他類型機(jī)械裂解加工設(shè)備，其中，液壓活塞式裂解方式所需的裂解力小，分離面質(zhì)量好，但對(duì)設(shè)備的加載速度特性要求較高，同時(shí)由于連桿大端孔徑限制，導(dǎo)致活塞桿承壓極高，對(duì)設(shè)備元件密封性要求極為嚴(yán)格；水平滑塊式裂解方法通過(guò)大頭壓塊的對(duì)連桿大端保持有背壓力，保證了斷裂面的質(zhì)量，提高產(chǎn)品成品率，但該機(jī)械系統(tǒng)要保證桿端與蓋端兩部分的定位及導(dǎo)向，機(jī)床定位系統(tǒng)較復(fù)雜。
(3)隨著新技術(shù)的發(fā)展，復(fù)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(guò)不同工藝手段提高材料脆性以實(shí)現(xiàn)連桿的脆斷，但易改變裂解區(qū)以外的材料性能，存在削弱連桿機(jī)械強(qiáng)度、裂解面易偏移等問(wèn)題；復(fù)合鑄造裂解能有效降低裂解載荷、簡(jiǎn)化加工工序，但充型工藝尚未成熟，易導(dǎo)致脆性界面偏離或失形；疲勞裂解方式改變了傳統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)加載方式，可對(duì)延性材料進(jìn)行裂解，并有效降低了能耗，具有更廣泛的應(yīng)用前景，但目前疲勞裂解設(shè)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(qū)式的周向疲勞加載將成為未來(lái)新的研究方向。
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