裂解連桿斷裂結合面缺損面積定量描述與分析

寇淑清，楊宏宇，高 巖，楊慎華

（1.吉林大學，輥鍛工藝研究所，長春 130022；2.長春吉揚華欣科技有限責任公司，長春 130103）

連桿裂解加工（也稱“脹斷”）技術利用斷裂剖分得到的三維凹凸結合面，實現連桿體／蓋的精確定位和充分嚙合，提高連桿加工精度與裝配質量，同時，斷裂面較機械加工平面的面積和粗糙度增大，使連桿的承載能力尤其是抗剪能力大幅度提高。另一方面，在裂解加工過程中不可避免地會出現顆粒脫落而造成斷裂面缺損，缺損處結合面不再嚙合，因此斷裂面缺損直接降低了裂解連桿結合面的有效接觸面積，為此需要限定斷裂面缺損尺寸以保證承載能力和裝配質量。

連桿斷裂結合面呈犬牙交錯的自然形態，測定其面積很困難，在實際生產中對斷裂結合面面積缺損的要求并無統一標準，往往以經驗和同行的數據作為參考。本文提出了一種定量描述連桿斷裂結合面面積的方法，該方法將連桿裂解加工實驗與計算機視覺技術、金屬斷口的三維重建技術、逆向工程理論相結合，利用激光掃描系統獲取連桿斷裂面數據信息并進行曲面重構，再現斷裂結合面形貌并計算其面積，通過與機械加工結合面對比，分析斷裂結合面面積增大幅度，據此規范因顆粒脫落造成的斷裂面缺損尺寸，為裂解連桿缺陷控制標準提供參考。

1 連桿結合面裂解加工方法

傳統結合面主要有平面、臺肩形面、凹凸槽形面和鋸齒形面，對應的定位方式依次是螺栓定位、止口定位、凹凸槽定位和鋸齒定位。傳統結合面主要采用成形銑削、成組銑削、成組拉削等工藝技術，工序成本較高［1］，且傳統結合面定位方式只能實現二維定位，定位精度有限。隨著工程設計中對結合面的設計要求越來越嚴格，沿著吻合程度最好的方向考慮，同時避免上述種種結合形式的弊端，誕生了基于連桿裂解加工新技術的斷裂面定位形式。

裂解加工技術以脆性斷裂理論及應力集中理論為基礎［2］，對連桿在預定剖分位置制造具有一定幾何尺寸的初始啟裂源，再施加垂直于預定斷裂面的正應力載荷，使連桿沿初始啟裂源實現Ⅰ型斷裂分離［3］。裂解加工過程如圖1所示，斷裂剖分后形成一對宏觀形態參差、微觀互補耦合的三維凹凸結合面，可實現體／蓋三個方向精確定位，解決了傳統結合面加工難度大，定位精度不理想等問題。

圖1 連桿裂解加工過程Fig.1 The process of con－rod fracture splitting

2 連桿斷裂剖分易致缺陷

2.1 斷裂結合面形態要求

連桿裂解技術要求斷裂剖分后，形成一對相互匹配的具有三維參差形態的斷裂結合面，斷裂面幾乎無塑性變形，斷口方向平齊且與拉伸應力垂直。

C70S6高碳微合金非調質鋼是迄今為止應用最為廣泛的裂解連桿用鋼，且實現了國產化。C70S6連桿鍛后空氣控制冷卻處理，在低應力脆斷條件下，斷裂面塑性變形極小，斷口方向平齊且與脹斷張力垂直，斷口邊緣無剪切“唇口”，斷裂表面粗糙，具有眾多細小三維凹凸臺階呈河流狀［4］，可滿足裂解連桿對斷裂結合面的要求。

2.2 斷裂結合面缺陷及質量要求

在連桿裂解過程中，由于材料、工藝、裂解槽加工工序缺陷等諸多因素，難免在斷裂剖分過程中產生一些裂解缺陷，主要有斷裂面顆粒脫落導致的面積缺損，因塑性變形而引起的大頭孔失圓超差，裂紋擴展路徑不唯一或不閉合導致的分叉、夾屑或外緣臺階，裂紋擴展方向偏移引起的斷裂面偏離預定位置，單側裂紋槽啟裂而引起的單邊斷裂等。其中，斷裂面缺損包括以下兩種:一是外輪廓顆粒大面積脫落，俗稱爆口，如圖2（a）所示；二是斷裂面內顆粒大面積脫落（斷裂復位后不可見脫落）。而夾屑也是斷裂面缺損的來源，這是因為夾屑與基體的結合差、承載力不足，在使用中易發生脫落，因此需要清除，從而形成斷裂面缺損，圖2（b）所示為清除夾屑后的斷裂面缺損。

斷裂面的缺損不但影響了連桿產品的外觀（爆口），造成質量損失，嚴重時會使承載能力及抗剪能力降低，無法滿足強度要求，因此在生產中定量描述斷裂結合面的面積并限定其缺損面積是必要的。

圖2 裂解連桿斷裂剖分缺陷Fig.2 Fracture disfigurements of con－rod

3 連桿斷裂面測量

3.1 實驗條件

在斷裂面三維數據重構過程中，獲取高質量的點云數據，是保證重構精度的基礎［5］。鑒于連桿斷裂面尺寸較小且為復雜空間曲面，本文采用非接觸式測量方法［6］，使用LSV50型（臺灣）三維激光掃描系統采集連桿斷裂面的三維數據，形成實物點云。掃描精度在10μm景深范圍內為0.05mm。連桿斷裂面具有灰色金屬光澤，感光性好，掃描過程中無需額外涂抹感光物質以免造成測量不精確。

實驗樣件為裂解加工批量生產的某轎車連桿，如圖3所示，脹斷前大頭孔直徑為41.8mm，大小頭孔中心距為147.5mm，大頭厚度為17.9 mm，材料為高碳微合金非調質鋼C70S6，連桿鍛造后空冷處理。斷裂剖分前，激光加工裂解槽，槽深h＝0.4mm。在背壓狀態利用下拉式楔形裂解機構提供水平脹斷力進行裂解加工，斷裂剖分過程中無明顯顆粒脫落，因此，在后續分析中可假設為完整無缺損斷裂面。

圖3 斷裂剖分連桿樣件Fig.3 The sample of splitting con－rod

3.2 參數設置

儀器掃描參數的合理設置決定掃描點云的精度與效果。掃描參數設置包括系統參數設置和激光參數調節，前者包括掃描數據平滑方式，掃描曲線的擬合階數，數據平滑設定等參數；后者包括對激光強度、亮度和對比度進行調節。連桿裂解斷裂結合面形態特征細小，且粗糙不平，掃描步長取最小值為0.01mm，其他參數設置需經多次校核對比選取最佳值，具體見表1和表2。

表1 掃描系統參數設置Table 1 Scanning system preferences

表2 激光參數設置（開室內燈）Table 2 Laser system preferences（with room lamp on）

3.3 連桿斷裂面點云數據處理

進行掃描測量時，會掃描到被測零件外的一些背景物體，產生體外點；掃描過程中受到掃描設備輕微振動、環境光、圖像處理的算法等因素影響，采集到的數據會包含一些噪聲點；由于被測零件自身幾何拓撲原因或因光學遮擋效應等，會使測量數據缺失［7］，因此掃描測得的點云數據需要進行適當處理后才能重構。點云數據處理包括擦出體外點、噪音點剔除、數據多邊形化等。

處理點云數據時，需格外精細，并與實物對比，反復修改閾值，避免誤刪有效數據點。去除體外孤點和噪音點后的結果如圖4（a）所示，多邊形化并對點云數據缺失之處基于曲率填充，按照樣件輪廓編輯邊界，結果如圖4（b）所示。

對比圖4與圖3可知，使用激光掃描能夠很好地測量到連桿斷裂面凹坑、隆凸等較復雜輪廓，所得點云可精確反應斷裂面形貌。

圖4 點云數據顯示圖Fig.4 The graphic display of point cloud

4 斷裂面三維重構及面積計算

重構過程實質上是對三維空間數據場可視化的實現過程［8］。本文基于STL格式文件對以獲取的斷裂面點云數據按照三角面片拼接方式重構斷裂面，并對每一個三角面片的面積進行累加計算，從而完成對連桿斷裂面的定量描述。

4.1 TIN法顯示三維斷面步驟

TIN法顯示連桿三維斷面，其過程就是建立不規則三角網（如圖5），具體步驟如下:

（1）對所有點的距離加以排序，生成有序點的集合。

（2）選擇離散點中最相近的兩個點作為三角形的一邊，然后在其余所有點中搜尋出與這條邊最近的點構成第一個三角形網格。

（3）以新生成的三角形的另外兩邊為底，分別搜尋出與這兩條邊最近的點構成第二、第三個三角形，以此類推直到將所有的點連入其中。

圖5 不規則三角網模型Fig.5 The pattern of triangulated irregular network

4.2 基于STL重構連桿斷裂面

經處理的點云數據保存為STL格式，基于Visual C＋＋軟件平臺，借助C＋＋語言和OpenGL提供的核心函數讀取STL文件，將文件中一系列離散的點進行三角面片重構。

（1）STL格式文件的數據結構

STL（Stereo lithograph）即三維實體模型文件，采用三角形面片離散近似表示三維模型，每個三角形面片包含有4個數據項，即三角形的3個頂點坐標和三角形面片的外法線矢量。

（2）拓撲關系的重建

拓撲重建過程數據結構通常由頂點表、法向量表和三角形片面表構成，頂點表和面表數據結構如圖6所示。首先為所有三角形面片和頂點進行編號，頂點索引號對應頂點列表中的坐標值，每個三角形面片包含3個頂點的索引號，每個面對應面索引號，并加到面鏈表中。最后采用Visual C＋＋中提供的動態數據組CArray類對三角形網格模型的幾何信息進行存儲。

圖6 Vertex和Face數據結構示意圖Fig.6 The data structure diagram of Vertex and Face

拓撲關系重建后，在Visual C＋＋中可顯示點、三角網格和面，圖7為截取的部分圖片。

圖7 Visual C＋＋中顯示結果Fig.7 Display the results by Visual C＋＋

4.3 斷裂結合面面積計算

已知三角形三個節點坐標值即可計算三角形網格面積，在程序中需設置一個循環，依次讀取每個三角形單元編號，根據三角形編號找到與此對應的三個節點編號，根據節點編號找到節點坐標值，進而依據海倫公式可計算出三角形面積，所有三角面片面積累加之和為連桿斷裂面面積。計算公式為

式中:i為三角面片的序號，Li、Ai、Bi和Ci分別為第i個三角面片的周長的一半和三角面片的三邊邊長；n為三角面片的個數，本文中n＝522130，計算得到S＝168.392mm2。

5 連桿斷裂面缺損面積控制

通常，生產工藝要求顆粒脫落面積不能超過一定范圍，目前還沒有統一標準，一般轎車類連桿爆口（外緣顆粒脫落面積）極限尺寸≤2.5mm×1.5mm，中型卡車類連桿≤3.5mm×2.5mm。

根據上述三角面片累加求和得到轎車連桿樣件斷裂面面積為168.392mm2，機械加工平面面積為148.959mm2，由此可知斷裂面面積提高了13.1%。說明如果裂解加工結合面顆粒脫落面積控制在13.1%以內，其結合面接觸面積及承載能力將不低于傳統機械加工連桿。

針對本實驗所采用的轎車連桿樣件，斷裂面相對平面面積絕對增加值為19.433mm2，其缺損面積最大理論值可達4.4mm×4.4mm。顆粒脫落一般呈現如圖2所示的不規則形狀，因此采用極限尺寸界定。由此可知，在不考慮外觀的條件下，其長、寬極限尺寸可較現有經驗參考值大大增加，而不影響連桿的使用性能。

6 結 論

（1）應用激光掃描系統測量某轎車連桿裂解加工斷裂結合面三維數據場，并對點云數據進行剔除體外點、噪音點、多邊形化填充等操作，獲取可精確吻合斷裂面形貌的有效數據點。

（2）利用有效點云數據，基于stl格式文件數據結構重建拓撲關系，在Visual C＋＋中用TIN法再現連桿斷裂結合面形貌。

（3）采用三角面片拼合累加原理，計算連桿樣件斷裂結合面面積為168.392mm2，較機械加工結合面面積增加了13.1%。

（4）與傳統機械加工連桿相比，在不降低結合面接觸面積和承載能力的前提下，裂解加工連桿結合面缺損面積可達4.4mm×4.4mm，其長寬極限尺寸較經驗參考值大大提高，對裂解連桿質量控制具有重要意義。

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