連桿裂解加工技術的現狀與展望

姜銀方 龍 昆 何 藝

（江蘇大學機械工程學院，江蘇鎮江 212013）

連桿是發動機中高精度的關鍵零部件，承受著周期性沖擊力、慣性力和彎曲力作用，疲勞、磨損、振動等影響連桿的使用壽命。隨著汽車工業的發展，現代高性能發動機對連桿要求越來越高，拘泥于傳統、落后加工技術的生產模式難以滿足日益發展的汽車制造行業對連桿批量和精度的要求［1］。

連桿裂解（也稱“脹斷”）是國際上20世紀90年代初發展起來的一種全新的連桿大端分離精密加工技術，是采用無屑斷裂方法完成連桿體和蓋結合面剖分加工。主要工藝流程是:（1）先在連桿毛坯大頭孔內側預置裂解槽，形成初始斷裂源;（2）在連桿大頭孔內施加垂直于預定斷裂面的正壓力，在滿足脆性斷裂的發生條件下完成無屑斷裂剖分;（3）利用兩斷裂面是自然的犬牙交錯結構定位，實現連桿體與連桿蓋的精確合裝;（4）以斷裂剖分的三維曲面定位，在斷裂面完全嚙合的條件下進行后續的大頭孔精加工及上螺栓工序［2－3］。

與連桿傳統機械鋸切分離、磨削結合面的方法相比，裂解技術具有減少加工工序、優化制造工藝、節省設備投入及能源消耗、降低連桿制造成本等優點。此外，斷裂形成的分離面是宏觀形態參差、微觀互耦合的三維凹凸曲面，可實現連桿結合面3個方向上的精確定位，裝配后連桿體與連桿蓋可緊密接觸并互相鎖定，使連桿承載能力、抗剪能力、連桿組件剛度大幅度提高［4－5］。

目前裂解連桿已成為國內連桿加工行業的發展趨勢。一汽大眾、上海大眾、上海通用、奇瑞發動機廠等多家公司相繼采用連桿裂解工藝，專業的連桿生產廠家采用此技術的有四會實力、西儀、銀河等公司，其中四會實力分別采用進口、國產、自制脹斷機組建了符合中國特色的5條裂解連桿生產線［6］。連桿裂解已處于大批量生產應用階段，因此對于連桿裂解技術的研究重點轉移到連桿裂解質量的控制上來，裂解質量主要體現在斷裂面的嚙合性、連桿大頭孔變形量、裂解成功率和重裝精度等方面。現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。為解決和改善上述存在的問題，繼續系統、深入研究裂解技術顯得尤為迫切。

1 連桿裂解工藝的進展

1.1 基礎研究

連桿裂解是依據斷裂力學理論，當物體受垂直于斷裂平面的正拉應力時，將發生低應力脆性斷裂，即張開型斷裂，這是連桿裂解產生的形式與條件。裂解技術的基礎是裂紋技術，通過主動設計敏感應力場，施加載荷充分引裂和催裂，控制裂紋走向并實現連桿規則斷裂［6］。

趙立新等［7］研究C70S6以沿晶脆性斷裂方式斷裂，在快速斷裂情況下，由應力集中作用沿珠光體晶界附近的弱相處形成準裂紋，并在載荷作用下迅速擴展，裂紋可以是單獨的，也可以是多發的，當裂紋匯集到一起時便造成斷裂，其斷裂面呈鋸齒狀，顯示出良好的斷裂嚙合定位性。

為確保連桿裂解加工質量，需滿足以下技術要求:（1）保證連桿強韌綜合性能指標，以滿足連桿使用性能的要求;（2）保證連桿具有良好的斷裂性能，斷口呈現脆性斷裂特征，連桿裂解后塑性變形小、裝配時大頭孔的圓度符合規定的要求;（3）斷裂面具有良好的凹凸曲面形態，其強度與承載能力要高，以滿足精確嚙合的要求。

1.2 裂解連桿材料的研究

常用的裂解連桿材料有粉末鍛造材料、高碳鋼、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵。粉末鍛造是由粉末冶金與鍛造相結合形成的一種新材料技術，最初廣泛用于裂解連桿的制造。常見的粉末冶金材料有 2Cu5C、3Cu5C，WSEM10A69－B等［6］，其特點是具有良好的脆性斷裂特性。粉末鍛造連桿在燒結成形時就可預壓出裂紋槽，從而省去缺口加工工序。而鑄鐵連桿的低塑性和易脆斷非常適合裂解加工技術的應用，但是鑄造連桿重量偏差大，力學性能較差，使其應用受到了限制。

鍛鋼連桿尺寸精度高，組織結構與力學性能好，適用于負荷大，轉速高的發動機及要求連桿具有高疲勞強度和可靠性的場合。在日本、歐洲和北美很多連桿生產企業開發出用于裂解加工的鍛鋼連桿。應用較廣泛的鍛鋼材料有C70S6B Y（德國）、36MnVS4（法國）、70MnSV4、80MnS5 等，其中 C70S6 使用最為廣泛［6，8］。國產裂解用材已日漸成熟，主要有 C70S6BY和36MnVS4，材料成分和性能均符合國際標準。生產此類材料的鋼廠有東北特鋼、江陰興澄、寶鋼、鄂鋼等。

吳順達等［9］研究了微量合金元素的控制對裂解連桿材料質量穩定性的影響。氮可提高材料的強度和硬度，同時使材料韌性下降，缺口敏感性增加，這對激光刻痕后的脹斷是很有利的。微量的釩使材料晶粒細化，碳化物較細小和分布較均勻韌性增大，但釩含量過高將導致碳化物在晶內析出，降低材料室溫韌性與強度，另外，釩形成穩定難熔的碳化物，使鋼在較高溫度時仍保持細晶組織，減低鋼的過熱敏感性。提高材料中含S量，可改善切削加工性。錳使鋼中的硫形成較高熔點的MnS，避免了晶界上的FeS薄膜，消除鋼的熱脆性，改善熱加工性能。錳可細化珠光體，并強化鐵素體和珠光體，顯著提高珠光體鋼的強度。錳含量不能降低，但也不要過高，因為過高會使延展性有所降低。表1列舉了部分裂解連桿用非調質鋼材料成分。

表1 裂解連桿用調質鋼的材料成分 （%）

裂解材料決定裂解加工的可裂開性和斷面質量，因此，不僅要對現有的裂解材料化學成分組成及微量元素比例進行優化，還需繼續研究開發技術上更先進與經濟上更合理的新工藝、新材料。

1.3 連桿毛坯的成形

目前，連桿成形工藝有粉末鍛造工藝、常規粉末冶金工藝、粉末熱擠壓、模鍛工藝、鍛造工藝、模鑄工藝、碳纖維強化工藝等。

20世紀90年代中期，發展出采用常規粉末冶金工藝（即一次燒結法:配粉－壓制－燒結－精整）制造連桿毛坯，取消了模鍛工序，降低了成本［10］。美國Hoeganaes Corp.等［11］引出一種粉末溫壓成形的連桿制造工藝，其工藝路線為:原料粉末→溫壓→鉆孔與攻螺紋→燒結→回火→斷裂剖分。Gerald Martino等［12］提出采用粉末冶金技術加工鈦合金連桿的方法，鈦合金粉末平均粒子尺寸在1～20 μm，將粉末原料擠壓入模具后高溫燒結完成連桿成形。S.Craig Bergsma等［13］公開了一種采用半固態成型技術制造的鋁合金連桿毛坯的方法，通過合理調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性能，且經裂解技術將連桿體、蓋斷裂剖分后，能實現精確合裝。

目前使用最廣泛的是模鍛成形工藝，其幾何形狀和尺寸精度、力學性能、疲勞強度和可靠性高，適用于負荷大、轉速高的發動機。常見的連桿模鍛工藝流程為:下料—加熱—輥鍛制坯—預鍛與終鍛—切邊與沖孔—預熱淬火—回火—噴丸—清校、探傷。

吳順達等［9］對鍛造工藝參數開展了研究，鍛造加熱溫度決定晶粒度，影響伸長率和斷面收縮率，為防止連桿裂解面出現掉渣現象，脹斷部位晶粒度控制不得低于3級;根據連桿表面技術要求，要控制脫碳層厚度應合理控制坯料加熱時間與加熱次數;鍛造結束后需要控制冷卻速度，有效控制鐵素體的析出。鐵素體含量太高將導致強度下降。

王強等［14］研發了連桿精密鍛造工藝及其生產線，采用了楔橫軋機自動制坯，感應加熱爐自動上料，坯料溫度自動分選，切邊、沖連皮、熱校復合模具等多項新技術。可生產各類高精度的連桿鍛件，提高了生產率和產品質量。

1.4 裂解槽設計及其加工技術

裂解槽的幾何參數及加工質量對提高斷裂效率與裂解質量、降低裂解載荷有著決定性的影響。

楊慎華等［15］對激光切割工位對裂解質量的影響展開了研究，連桿大頭孔兩側開設的裂解槽形狀與尺寸應具有一致性，且調整裂解槽的切割位置應接近于連桿大頭的理論中心線。閻洪濤等［8］對具有不同幾何形狀裂紋槽的連桿進行了裂解過程數值分析，研究表明隨槽深增大裂解力銳減，提高銳度及減小張角可減小裂解力，減少裂解缺陷。

連桿裂解槽加工方法主要有機械拉削、線切割加工和激光加工。

機械拉削是裂解加工早期采用的方法，其設備投資少，加工成本低，但是刀具易磨損，造成連桿加工質量不穩定。線切割加工是瞬間放電熔化加工，不受材料的硬度、韌性和脆性的限制。但加工效率過低，不適合大批量連桿的生產。專利文獻［16］研制出裂解槽的雙向線切割裝置，由PLC控制伺服電動機帶動絲桿上的兩導輪同時反向移動，能同步切割連桿內孔表面對稱位置的兩條裂解槽。

激光加工裂解槽是目前應用最多的加工方法，由于無刀具磨損、加工速度快、重復精度高，該方法加工的矩形槽尺寸穩定，同時槽寬很窄，可控制在0.15 mm之內，應力集中系數大，從而提高裂解質量，降低裂解力，減小大頭孔的變形。但激光器的對焦繁瑣、費時，當對焦不精確時，對槽寬均勻性、槽深一致性及槽面質量產生很大影響，裂解時易產生爆口缺陷。自1995年以來，德國Alfing、Mauser公司、美國通用公司研究開發了先進的激光加工裂解槽技術，瑞士LASAG公司開發了采用超大能量脈沖YAG激光器進行裂解槽的預制［17］。國內上海大眾和沈陽華晨均采用光纖導光YAG固體激光切割方式加工裂解槽，奇瑞汽車公司則采用常規光束傳輸YAG固體激光加工裂解槽。

寇淑清等［17］研究了裂解槽加工方式對裂解質量的影響規律，采用激光預置裂紋槽試樣的斷口具有最小的裂尖塑性變形區域，與相同裂紋槽深度的線切割和拉削加工裂紋槽試樣相比，其拉伸斷裂載荷分別小20%和30%左右。

1.5 連桿脆化裂解工藝

日本本田公司［18］研究了在連桿裂解槽底部采用激光或等離子照射，使連桿裂解區局部奧氏體組織相變為馬氏體組織，裂解時以馬氏體組織為啟裂點，而馬氏體組織以外的部位不會引起脆性破壞，保證連桿在較小的載荷下從分割預定部位斷裂。對于制造大功率發動機連桿的合金鋼，其拉伸時斷面收縮率可以達到45%，室溫條件下無法采用裂解技術加工。劉勁松等［19］提出采用深冷脆化技術，改變連桿材料的延展性，在保證深冷前后的機械性能不改變的前提下，使連桿進入脆性狀態，實現連桿的脆性斷裂。日本研究者提出通過氫在連桿裂解槽凹口附近擴散，以使凹口附近產生氫脆化，由此在裂解過程中使凹口附近容易產生脆性斷裂。

由于上述脆化處理對連桿裂解區附近組織也會有脆化作用，使得連桿面臨機械強度降低的危險，因而，此類工藝不適合小尺寸連桿的制造，對于大功率發動機的連桿制造有較明顯的優勢。另外，連桿脆化裂解工藝可提高裂解效率，改善裂解面質量，但是從根本上解決不了裂解技術對連桿材料的局限。

1.6 裂解力能參數選擇

裂解加工過程中的力能參數主要包括裂解載荷、加載速率和背壓力等。研究各參數的合理選擇及參數間的最佳匹配，對提高連桿裂解效率，減少裂解缺陷有著重要的意義。

張志強等［20］對捷達轎車連桿起裂過程進行數值分析，依據裂解力與J積分的關系曲線、沖擊韌性與斷裂韌性的關系，確定不同類型和不同材料的連桿裂解時的裂解力。裂解載荷過大將帶來較大的殘余應力，連桿裝機后殘余應力的釋放將影響發動機的工作性能。而裂解載荷過小，會產生裂不開的現象，嚴重的還會損害裂解加工設備。

加載速率是影響裂解質量的重要因素，合理的的加載速率可提高材料的脆性。何東野等［21］對固定缺口尺寸、材質相同的模型在不同中等加載速率下缺口前端的應力、應變分布進行分析，研究發現加載速率提高后使得的屈服區域變小，脆性提高，其裂解質量有大幅度提高。楊慎華等［22］研究得出隨著加載時間的減少，應力強度因子下降，臨界起裂應力值降低，材料更容易實現脆性斷裂，產生的塑性變形量小。適合的加載速率使得連桿斷裂時應力波動幅度減小，防止因裂紋擴展不同步所造成的裂紋缺陷。

對于“背壓”裂解加工方法，通過控制、調整背壓力與裂解主動載荷的關系，達到斷裂面平整均勻和大頭孔塑性變形減小的效果。張志強等［22－23］研究了背壓力與裂解載荷的關系及背壓力對斷面塑性變形區與變形量的影響規律，研究表明裂解力隨背壓力的增大而增大，二者近似呈線性關系，且斷口塑性區寬度隨背壓力的增大而減小，當背壓力大到一定值時，塑性區寬度減小放緩。

1.7 裂解加工設備

裂解連桿產品質量好壞直接決定于各工序工藝參數和裂解設備的合理結構與功能，其中定向裂解是連桿裂解加工技術的核心技術。裂解時應該保證裂解槽快速啟裂、裂紋定向擴展并最后閉合，形成脆性斷裂面。

德國ALFING、日本本田、豐田公司等均相繼研制了包括激光加工裂解槽、裂解、定扭矩裝配螺栓的核心裂解設備與生產線。吉林大學研制了采用“液壓式”楔形拉桿裂解的自動化生產設備，包括完成加工預制切口、定向裂解、自動上螺栓與定扭矩裝配螺栓等工序［6，8］。奇瑞汽車公司［24］研制了一種簡易的“楔形塊上壓入式”裂解設備，將連桿座上設置可滑動的定位板，調節定位銷與裂解座之間的距離，實現不同中心距、不同孔徑的連桿的裂解加工。云南西儀公司［25］研制出“下壓入式”裂解裝置，可用在普通沖床上實現連桿的裂解加工。德國AFLING公司［26］還提出了采用水平楔入式的裂解方法對連桿大頭孔進行裂解加工，直接將液壓油缸及活塞安置在動、定套塊內，通過活塞運動產生的力實現連桿裂解［27］。德國寶馬公司、美國GIDDINGS＆LEWIS公司均采用“裝有液壓活塞的裂解塊”對連桿大頭孔進行裂解加工。

謝冰冰等［28］研究了裂解夾具對裂解質量的影響，裂解夾具應保證連桿各工序間傳送精度、定位精度，連桿體與連桿蓋間只能有背離直線運動，不能有任何相對轉動。另外，裂解夾具的結構設計與制造時考慮拉桿與脹套的同軸度要求、脹套與連桿大頭孔之間的間隙、拉桿和脹套的側邊尺寸、脹套根部的過渡圓角等因素，以提高裂解質量，延長夾具使用壽命。

在現實生產中，裂解設備對連桿裂解質量的影響是復雜的，應根據實際問題不斷對設備調整與技術改進，裂解設備的柔性化、簡單化是其發展的必然趨勢。

2 未來發展趨勢

連桿裂解技術思路新穎、方法獨特、具有傳統技術無法比擬的優點，適合于大批量生產，具有廣闊的推廣應用前景。連桿裂解已處于大批量生產應用階段，但是在連桿裂解質量的控制方面有待提高。目前連桿裂解加工常出現的缺陷是桿、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，導致裂解缺陷的因素眾多，影響規律復雜，有待繼續深入研究。

為推動我國發動機關鍵零部件制造技術與核心裝置的發展，提高連桿裂解技術在國內的應用水平，后續研究應重點做好以下幾方面的工作:

（1）加強裂解技術的基礎理論研究。應對斷裂剖分動態行為、應力集中、斷裂韌度以及裂紋擴展方向控制等問題進行系統的、深入的研究。

（2）開發出新的裂解連桿用材料。加快對粉末鍛造、溫壓成形、高密度燒結工藝、注射成形等高新技術的研究;針對鋁合金、鈦合金、40Cr等材質的連桿制造，探索材料復合技術、連桿大頭人為預制裂解層、局部組織脆化工藝等方法，突破裂解技術對連桿材料局限的瓶頸，拓展裂解連桿用材料的可選范圍。

（3）探索將計算機模擬技術與實體試驗相結合的研究方法。應用計算機上對不同材料、不同規格的連桿裂解力能參數進行選擇，以模擬指導實踐，不斷調整，實現裂解載荷、加載速率、背壓力等重要工藝參數達到最佳匹配，從而降低研究成本，提高研究效率。

（4）開發新型的連桿裂解設備，實現連桿的柔性化、簡單化生產模式。

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