發動機連桿體/蓋結合面定位及裂解加工新工藝研究

孫利濤 王 勇 張 強

(承德蘇墾銀河連桿股份有限公司，河北 承德067000)

0 引言

連桿裂解加工作為極具發展潛力和競爭實力的新技術，以其精密、優質、高效率、低成本的顯著優勢而日益被研發應用，隨著該技術的日臻成熟以及全球汽車工業的飛速發展，其應用前景將十分廣闊。

1 連桿體/蓋結合面定位方式

連桿工作時，承受活塞頂部氣體壓力和慣性力的作用，而這些力的大小和方向都是周期性變化的。因此，連桿受到的是壓縮、拉伸和彎曲等交變載荷。連桿體與連桿蓋必須配對加工，且在安裝時不得互相調換或變更方向。為此，在結構上采取了定位措施。傳統的平切口連桿蓋與連桿體的定位多采用螺栓定位，如圖1（a）所示，是利用連桿螺栓中部精加工的圓柱凸臺或光圓柱部分與經過精加工的螺栓孔來保證的。斜切口連桿常用的定位方式有止口（搭接扣）定位（圖1（b））、凸凹槽定位（圖（c））、鋸齒定位（圖（d））、套筒定位（圖1（e））等。

圖1 連桿體/蓋結合面的定位形式

上述斜切口連桿結合面的加工主要采用成形銑削、 成組銑削、成組拉削等工藝技術，其工藝復雜程度、刀具、定位夾具的設計以及加工參數的確定難度均較大，工序合格率低，工序成本不盡如人意。有別于傳統連桿體/蓋的定位方式，連桿裂解加工是以斷裂面定位，如圖1（f）所示。該斷裂面為整體加工的連桿大頭孔斷裂而形成的自然形態的三維凹凸曲面，可使連桿體與連桿蓋緊密接觸并相互鎖定，避免二者之間任何方向的相對移動，從而可獲得良好的重復定位精度及裝配精度。

2 連桿裂解加工新工藝

隨著工程設計中對結合面的設計要求越來越高以及以吻合程度最好為基本出發點，同時避免傳統連桿加工結合面形式的弊端，使得基于連桿裂解加工新技術的斷裂面定位形式得以運用推廣。它是利用斷裂形成的一對具有宏觀形態參差、微觀互補耦合的三維凹凸面的嚙合，實現三個方向精確定位的體/蓋結合形式。斷裂剖分的結合面不再進行任何機械加工，其主要過程如圖2 所示。

圖2 連桿裂解過程

3 連桿裂解加工原理及關鍵工序

3.1 裂解加工原理

裂解加工的原理是將整體鍛造的連桿毛坯大頭孔人為產生裂痕，形成初始裂紋源，然后用特定方法控制裂痕擴展，達到連桿本體與連桿蓋分離的目的。

它利用了裂紋技術及斷裂力學的應力集中理論，在預定斷裂位置加工具有一定深度和尖銳度并沿大頭孔軸線方向貫穿的切口，預定切口的出現會改變應力的分布狀態，產生局部高應力即應力集中。只要連桿裂解材料具有缺口敏感性，就可以運用應力集中理論在預定切口處產生高應力區，形成應力集中。裂紋由預制切口的高應力區起裂并向外不斷擴展直至完全斷裂，從而實現連桿蓋與連桿體分離。

3.2 關鍵工序

裂解加工中有三道關鍵的、核心的工序：加工連桿大頭孔預制切口工序、施加徑向力裂解與桿/蓋精確復位工序、定扭矩上螺栓工序。這三道工序的自動化生產工藝與裝備是實施連桿裂解技術、保障產品質量的基礎和前提。

（1）加工預制切口工序

切口的設計和加工制造是裂解加工技術的關鍵，也是裂解加工的核心和首要工序。預制切口的目的是提高應力集中系數，滿足張開型斷裂條件，保證斷裂發生在預定位置。合理的切口位置設計、幾何參數的選擇以及先進的加工方法可有效降低裂解加工載荷，保證裂解加工的質量要求。

（2）連桿大頭孔定向裂解

連桿大頭孔定向裂解的目的是要使連桿蓋與連桿本體分離。由于切口的預制加工形成了應力集中，通過施加垂直于預定斷裂面的載荷進行定向引裂，在滿足脆性斷裂的發生條件時，預制切口處率先起裂，之后裂紋迅速失穩擴展，直至連桿蓋與連桿本體分離。這一過程中幾乎沒有塑性變形，因此是一個無屑斷裂剖分的過程。

在定向裂解過程中，必須限制大頭孔變形，防止單邊斷裂或撕裂，保證斷面嚙合性，防止斷裂線過分偏移，防止大面積掉渣等。目前，國外有幾種連桿裂解工藝方法和相應的技術裝備，均是為了實現上述目的，保證裂解加工質量。連桿裂解工藝方法是否合理、技術裝備是否先進、可靠，直接影響連桿裂解質量和大頭孔裂解時的變形量。裂解質量主要體現在斷面的嚙合性、裂解的成功率；而大頭孔裂解時變形量太大，將影響精鏜大頭孔的圓度工藝性乃至產品的質量。一般情況下，裂解前后大頭孔直徑平均變化量要控制在0.05mm 以下。

（3）螺栓預裝備及定扭矩裝配

在定向裂解加工工序后，雖然連桿蓋與連桿本體精確復位并實現了桿、蓋完全嚙合。但為了后續的機加工，在裂解后需要采用螺栓將桿、蓋連接起來，并施加定扭矩。通常，為了使裂解后的連桿本體與蓋的完全嚙合、不松動、不錯位，要采用定位精度高的自動上、下料機械手，將連桿由裂解工序傳送到定扭矩上螺栓工序。

4 裂解加工的先進性與經濟性

所謂的連桿裂解加工技術的先進性與經濟性是同傳統的連桿生產技術相比較而言的。傳統加工工藝流程與裂解加工工藝流程對比如表1 所示。

表1 連桿傳統加工工藝與裂解工藝流程對比

同傳統的連桿加工工藝相比，裂解加工具有以下優勢：

（1）傳統工藝需要分別鍛造連桿蓋和連桿體，或者整體鍛造連桿，再用銑刀將留有、 切斷余量的連桿鍛件大頭孔分離成連桿蓋和連桿體；裂解加工是以整體加工代替分體加工。

（2）傳統加工方法連桿蓋和連桿體的結合面需要精加工，精度要求很高，需要粗磨、精磨等多道工序；裂解加工的結合面無需再加工，省去了分離面的拉削與磨削等工序。

（3）傳統加工方法的連桿蓋與連桿體之間需要定位元件，需要用專用螺栓、插銷等特定元件來保證連桿蓋與連桿體的可靠定位；而裂解加工方法的結合面具有凹凸不平的三維結構特征，能夠實現蓋、體之間的自動準確嚙合，相互鎖定，因此能夠保證二者之間的精確定位和裝配，消除相對運動，同時大幅度提高連桿的整體強度，減少了連桿總成的大頭孔變形，使連桿承載能力、抗剪能力與裝配質量大幅度提高。

（4）傳統工藝中連接螺栓孔結構復雜，表面加工精度要求高，且螺栓孔的加工要與結合面保持很高的垂直度，這些問題大大增加了連桿的加工難度、加工工序和制造成本。而裂解加工技術中的螺栓僅僅起聯結作用，不再有任何定位要求，從而簡化了螺栓孔的結構設計和整體加工工藝，降低了螺栓孔的加工精度和加工成本。

5 裂解連桿所用的材料

目前，裂解連桿采用的材料主要有三種：

以C70S6 為代表的高碳微合金非調質鋼、 以36MnVS4 為代表的中碳鋼及粉末鍛造材料。以上三種材料在我公司均已批量生產。

粉末鍛造通常是指將粉末燒結的預成形坯經加熱后，在閉式模中鍛造成零件的成形工藝方法，是將傳統粉末冶金和精密鍛造結合起來的一種新工藝，并兼兩者的優點。粉末鍛造連桿形狀和尺寸精度好、材料力學性能高、生產工藝簡單并且可靠性高，是今后裂解連桿材料的新方向。

6 結束語

總之，采用裂解工藝加工的連桿具有結構簡單緊湊、體/蓋定位準確、連桿大頭孔失圓度小、三維結合面等優點，對產品輕量化、降低噪聲、提高使用壽命等都有極大的貢獻。

［1］寇淑清，楊慎華，鄧春萍，等.裂解工藝—發動機連桿制造最新技術[J].中國機械工程，2001，12（7）:839-842.

［2］谷諍巍.發動機連桿裂解加工工藝[J].新技術新工藝，2003（7）:14-15.

［3］寇淑清，楊慎華，金文明.連桿裂解加工新技術與裝備[J].機械工人，2002（11）:5-7.