連桿裂解加工技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

姜銀方 龍 昆 何 藝

（江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

連桿是發(fā)動機(jī)中高精度的關(guān)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(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代高性能發(fā)動機(jī)對連桿要求越來越高，拘泥于傳統(tǒng)、落后加工技術(shù)的生產(chǎn)模式難以滿足日益發(fā)展的汽車制造行業(yè)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(jì)90年代初發(fā)展起來的一種全新的連桿大端分離精密加工技術(shù)，是采用無屑斷裂方法完成連桿體和蓋結(jié)合面剖分加工。主要工藝流程是:（1）先在連桿毛坯大頭孔內(nèi)側(cè)預(yù)置裂解槽，形成初始斷裂源;（2）在連桿大頭孔內(nèi)施加垂直于預(yù)定斷裂面的正壓力，在滿足脆性斷裂的發(fā)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(jié)構(gòu)定位，實現(xiàn)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(jìn)行后續(xù)的大頭孔精加工及上螺栓工序［2－3］。

與連桿傳統(tǒng)機(jī)械鋸切分離、磨削結(jié)合面的方法相比，裂解技術(shù)具有減少加工工序、優(yōu)化制造工藝、節(jié)省設(shè)備投入及能源消耗、降低連桿制造成本等優(yōu)點。此外，斷裂形成的分離面是宏觀形態(tài)參差、微觀互耦合的三維凹凸曲面，可實現(xiàn)連桿結(jié)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(nèi)連桿加工行業(yè)的發(fā)展趨勢。一汽大眾、上海大眾、上海通用、奇瑞發(fā)動機(jī)廠等多家公司相繼采用連桿裂解工藝，專業(yè)的連桿生產(chǎn)廠家采用此技術(shù)的有四會實力、西儀、銀河等公司，其中四會實力分別采用進(jìn)口、國產(chǎn)、自制脹斷機(jī)組建了符合中國特色的5條裂解連桿生產(chǎn)線［6］。連桿裂解已處于大批量生產(chǎn)應(yīng)用階段，因此對于連桿裂解技術(shù)的研究重點轉(zhuǎn)移到連桿裂解質(zhì)量的控制上來，裂解質(zhì)量主要體現(xiàn)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(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。為解決和改善上述存在的問題，繼續(xù)系統(tǒng)、深入研究裂解技術(shù)顯得尤為迫切。

1 連桿裂解工藝的進(jìn)展

1.1 基礎(chǔ)研究

連桿裂解是依據(jù)斷裂力學(xué)理論，當(dāng)物體受垂直于斷裂平面的正拉應(yīng)力時，將發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂，即張開型斷裂，這是連桿裂解產(chǎn)生的形式與條件。裂解技術(shù)的基礎(chǔ)是裂紋技術(shù)，通過主動設(shè)計敏感應(yīng)力場，施加載荷充分引裂和催裂，控制裂紋走向并實現(xiàn)連桿規(guī)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(yīng)力集中作用沿珠光體晶界附近的弱相處形成準(zhǔn)裂紋，并在載荷作用下迅速擴(kuò)展，裂紋可以是單獨的，也可以是多發(fā)的，當(dāng)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(zhì)量，需滿足以下技術(shù)要求:（1）保證連桿強(qiáng)韌綜合性能指標(biāo)，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(xiàn)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(guī)定的要求;（3）斷裂面具有良好的凹凸曲面形態(tài)，其強(qiáng)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(jié)合形成的一種新材料技術(shù)，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(jié)成形時就可預(yù)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(shù)的應(yīng)用，但是鑄造連桿重量偏差大，力學(xué)性能較差，使其應(yīng)用受到了限制。

鍛鋼連桿尺寸精度高，組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能好，適用于負(fù)荷大，轉(zhuǎn)速高的發(fā)動機(jī)及要求連桿具有高疲勞強(qiáng)度和可靠性的場合。在日本、歐洲和北美很多連桿生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)出用于裂解加工的鍛鋼連桿。應(yīng)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(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)。生產(chǎn)此類材料的鋼廠有東北特鋼、江陰興澄、寶鋼、鄂鋼等。

吳順達(dá)等［9］研究了微量合金元素的控制對裂解連桿材料質(zhì)量穩(wěn)定性的影響。氮可提高材料的強(qiáng)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(xì)化，碳化物較細(xì)小和分布較均勻韌性增大，但釩含量過高將導(dǎo)致碳化物在晶內(nèi)析出，降低材料室溫韌性與強(qiáng)度，另外，釩形成穩(wěn)定難熔的碳化物，使鋼在較高溫度時仍保持細(xì)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(xì)化珠光體，并強(qiáng)化鐵素體和珠光體，顯著提高珠光體鋼的強(qiáng)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(diào)質(zhì)鋼材料成分。

表1 裂解連桿用調(diào)質(zhì)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(zhì)量，因此，不僅要對現(xiàn)有的裂解材料化學(xué)成分組成及微量元素比例進(jìn)行優(yōu)化，還需繼續(xù)研究開發(fā)技術(shù)上更先進(jìn)與經(jīng)濟(jì)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(guī)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(qiáng)化工藝等。

20世紀(jì)90年代中期，發(fā)展出采用常規(guī)粉末冶金工藝（即一次燒結(jié)法:配粉－壓制－燒結(jié)－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(jié)→回火→斷裂剖分。Gerald Martino等［12］提出采用粉末冶金技術(shù)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?zé)Y(jié)完成連桿成形。S.Craig Bergsma等［13］公開了一種采用半固態(tài)成型技術(shù)制造的鋁合金連桿毛坯的方法，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，且經(jīng)裂解技術(shù)將連桿體、蓋斷裂剖分后，能實現(xiàn)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(xué)性能、疲勞強(qiáng)度和可靠性高，適用于負(fù)荷大、轉(zhuǎn)速高的發(fā)動機(jī)。常見的連桿模鍛工藝流程為:下料—加熱—輥鍛制坯—預(yù)鍛與終鍛—切邊與沖孔—預(yù)熱淬火—回火—噴丸—清校、探傷。

吳順達(dá)等［9］對鍛造工藝參數(shù)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(xiàn)掉渣現(xiàn)象，脹斷部位晶粒度控制不得低于3級;根據(jù)連桿表面技術(shù)要求，要控制脫碳層厚度應(yīng)合理控制坯料加熱時間與加熱次數(shù);鍛造結(jié)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(dǎo)致強(qiáng)度下降。

王強(qiáng)等［14］研發(fā)了連桿精密鍛造工藝及其生產(chǎn)線，采用了楔橫軋機(jī)自動制坯，感應(yīng)加熱爐自動上料，坯料溫度自動分選，切邊、沖連皮、熱校復(fù)合模具等多項新技術(shù)。可生產(chǎn)各類高精度的連桿鍛件，提高了生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量。

1.4 裂解槽設(shè)計及其加工技術(shù)

裂解槽的幾何參數(shù)及加工質(zhì)量對提高斷裂效率與裂解質(zhì)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(zhì)量的影響展開了研究，連桿大頭孔兩側(cè)開設(shè)的裂解槽形狀與尺寸應(yīng)具有一致性，且調(diào)整裂解槽的切割位置應(yīng)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(jìn)行了裂解過程數(shù)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(jī)械拉削、線切割加工和激光加工。

機(jī)械拉削是裂解加工早期采用的方法，其設(shè)備投資少，加工成本低，但是刀具易磨損，造成連桿加工質(zhì)量不穩(wěn)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(chǎn)。專利文獻(xiàn)［16］研制出裂解槽的雙向線切割裝置，由PLC控制伺服電動機(jī)帶動絲桿上的兩導(dǎo)輪同時反向移動，能同步切割連桿內(nèi)孔表面對稱位置的兩條裂解槽。

激光加工裂解槽是目前應(yīng)用最多的加工方法，由于無刀具磨損、加工速度快、重復(fù)精度高，該方法加工的矩形槽尺寸穩(wěn)定，同時槽寬很窄，可控制在0.15 mm之內(nèi)，應(yīng)力集中系數(shù)大，從而提高裂解質(zhì)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(dāng)對焦不精確時，對槽寬均勻性、槽深一致性及槽面質(zhì)量產(chǎn)生很大影響，裂解時易產(chǎn)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(fā)了先進(jìn)的激光加工裂解槽技術(shù)，瑞士LASAG公司開發(fā)了采用超大能量脈沖YAG激光器進(jìn)行裂解槽的預(yù)制［17］。國內(nèi)上海大眾和沈陽華晨均采用光纖導(dǎo)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(guī)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(zhì)量的影響規(guī)律，采用激光預(yù)置裂紋槽試樣的斷口具有最小的裂尖塑性變形區(qū)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(qū)局部奧氏體組織相變?yōu)轳R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(yù)定部位斷裂。對于制造大功率發(fā)動機(jī)連桿的合金鋼，其拉伸時斷面收縮率可以達(dá)到45%，室溫條件下無法采用裂解技術(shù)加工。劉勁松等［19］提出采用深冷脆化技術(shù)，改變連桿材料的延展性，在保證深冷前后的機(jī)械性能不改變的前提下，使連桿進(jìn)入脆性狀態(tài)，實現(xiàn)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(kuò)散，以使凹口附近產(chǎn)生氫脆化，由此在裂解過程中使凹口附近容易產(chǎn)生脆性斷裂。

由于上述脆化處理對連桿裂解區(qū)附近組織也會有脆化作用，使得連桿面臨機(jī)械強(qiáng)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(fā)動機(jī)的連桿制造有較明顯的優(yōu)勢。另外，連桿脆化裂解工藝可提高裂解效率，改善裂解面質(zhì)量，但是從根本上解決不了裂解技術(shù)對連桿材料的局限。

1.6 裂解力能參數(shù)選擇

裂解加工過程中的力能參數(shù)主要包括裂解載荷、加載速率和背壓力等。研究各參數(shù)的合理選擇及參數(shù)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(qiáng)等［20］對捷達(dá)轎車連桿起裂過程進(jìn)行數(shù)值分析，依據(jù)裂解力與J積分的關(guān)系曲線、沖擊韌性與斷裂韌性的關(guān)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(yīng)力，連桿裝機(jī)后殘余應(yīng)力的釋放將影響發(fā)動機(jī)的工作性能。而裂解載荷過小，會產(chǎn)生裂不開的現(xiàn)象，嚴(yán)重的還會損害裂解加工設(shè)備。

加載速率是影響裂解質(zhì)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(zhì)相同的模型在不同中等加載速率下缺口前端的應(yīng)力、應(yīng)變分布進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)加載速率提高后使得的屈服區(qū)域變小，脆性提高，其裂解質(zhì)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(yīng)力強(qiáng)度因子下降，臨界起裂應(yīng)力值降低，材料更容易實現(xiàn)脆性斷裂，產(chǎn)生的塑性變形量小。適合的加載速率使得連桿斷裂時應(yīng)力波動幅度減小，防止因裂紋擴(kuò)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(diào)整背壓力與裂解主動載荷的關(guān)系，達(dá)到斷裂面平整均勻和大頭孔塑性變形減小的效果。張志強(qiáng)等［22－23］研究了背壓力與裂解載荷的關(guān)系及背壓力對斷面塑性變形區(qū)與變形量的影響規(guī)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(guān)系，且斷口塑性區(qū)寬度隨背壓力的增大而減小，當(dāng)背壓力大到一定值時，塑性區(qū)寬度減小放緩。

1.7 裂解加工設(shè)備

裂解連桿產(chǎn)品質(zhì)量好壞直接決定于各工序工藝參數(shù)和裂解設(shè)備的合理結(jié)構(gòu)與功能，其中定向裂解是連桿裂解加工技術(shù)的核心技術(shù)。裂解時應(yīng)該保證裂解槽快速啟裂、裂紋定向擴(kuò)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(shè)備與生產(chǎn)線。吉林大學(xué)研制了采用“液壓式”楔形拉桿裂解的自動化生產(chǎn)設(shè)備，包括完成加工預(yù)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(shè)備，將連桿座上設(shè)置可滑動的定位板，調(diào)節(jié)定位銷與裂解座之間的距離，實現(xiàn)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(xiàn)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(jìn)行裂解加工，直接將液壓油缸及活塞安置在動、定套塊內(nèi)，通過活塞運動產(chǎn)生的力實現(xiàn)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(jìn)行裂解加工。

謝冰冰等［28］研究了裂解夾具對裂解質(zhì)量的影響，裂解夾具應(yīng)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(zhuǎn)動。另外，裂解夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)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(cè)邊尺寸、脹套根部的過渡圓角等因素，以提高裂解質(zhì)量，延長夾具使用壽命。

在現(xiàn)實生產(chǎn)中，裂解設(shè)備對連桿裂解質(zhì)量的影響是復(fù)雜的，應(yīng)根據(jù)實際問題不斷對設(shè)備調(diào)整與技術(shù)改進(jìn)，裂解設(shè)備的柔性化、簡單化是其發(fā)展的必然趨勢。

2 未來發(fā)展趨勢

連桿裂解技術(shù)思路新穎、方法獨特、具有傳統(tǒng)技術(shù)無法比擬的優(yōu)點，適合于大批量生產(chǎn)，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。連桿裂解已處于大批量生產(chǎn)應(yīng)用階段，但是在連桿裂解質(zhì)量的控制方面有待提高。目前連桿裂解加工常出現(xiàn)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(dǎo)致裂解缺陷的因素眾多，影響規(guī)律復(fù)雜，有待繼續(xù)深入研究。

為推動我國發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件制造技術(shù)與核心裝置的發(fā)展，提高連桿裂解技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用水平，后續(xù)研究應(yīng)重點做好以下幾方面的工作:

（1）加強(qiáng)裂解技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究。應(yīng)對斷裂剖分動態(tài)行為、應(yīng)力集中、斷裂韌度以及裂紋擴(kuò)展方向控制等問題進(jìn)行系統(tǒng)的、深入的研究。

（2）開發(fā)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(jié)工藝、注射成形等高新技術(shù)的研究;針對鋁合金、鈦合金、40Cr等材質(zhì)的連桿制造，探索材料復(fù)合技術(shù)、連桿大頭人為預(yù)制裂解層、局部組織脆化工藝等方法，突破裂解技術(shù)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(jī)模擬技術(shù)與實體試驗相結(jié)合的研究方法。應(yīng)用計算機(jī)上對不同材料、不同規(guī)格的連桿裂解力能參數(shù)進(jìn)行選擇，以模擬指導(dǎo)實踐，不斷調(diào)整，實現(xiàn)裂解載荷、加載速率、背壓力等重要工藝參數(shù)達(dá)到最佳匹配，從而降低研究成本，提高研究效率。

（4）開發(fā)新型的連桿裂解設(shè)備，實現(xiàn)連桿的柔性化、簡單化生產(chǎn)模式。

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