脹斷連桿體蓋裂解剖分應力影響試驗分析*

張浩強，覃東強，楊義喜，余立新，謝 科，蔡 柳

(1.河池學院 物理與機電工程學院,廣西 宜州 546300； 2.玉林市成鑫機械有限責任公司，廣西 玉林 537000)

0 引 言

連桿裂解是一個三維裂紋萌生、擴展直至斷裂的過程，斷裂瞬間完成。將整體鍛造的連桿毛坯大頭孔用激光加工應力槽，形成初始裂紋源，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[1]。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連桿裂解是一個三維裂紋萌生、擴展直至斷裂的過程，斷裂瞬間完成。將整體鍛造的連桿毛坯大頭孔用激向的相對移動， 從而可獲得良好的重復定位精度及裝配精度。C70S6高碳微合金非調質鋼是國際上第一例成熟的裂解連桿用鋼，也是目前我國主要應用的裂解連桿材料，且已實現國產化，具有強度高、材料純度好且裂解性能優良等特點[2]，此研究中采用C70S6鋼作為脹斷連桿材料。通過運用仿真軟件對脹斷連桿體蓋裂解剖分數據進行分析，得出最優的裂解參數，以便在實踐中更好的實現連桿體與連桿蓋的快速斷裂分離，并提高裂解質量。

1 切口根部裂紋形成規律

連桿預制切口的作用是改變局部區域的受力狀態，引入切口根部三向應力狀態和應力集中。 連桿大頭端相當于厚板，在脹斷載荷施加過程中，切口附近可分為三種應力狀態：在上下兩端面，切口根部近似處于單向拉應力狀態；除端面外，切口根部表面處于兩向拉應力狀態，切口根部次表層處于三向拉應力狀態，微裂紋將在切口根部次表層某處率先形成[3]。

彈性力學給出各應力分量解為：

(1)

構件為厚板時，厚板的切口中心次表層處于三向拉伸應力狀態，有：

(2)

厚板的切口根部表面處于兩向拉應力狀態，有：

(3)

式中：r、θ分別為坐標原點設在裂紋尖端的極坐標；σr、σθ分別為沿半徑和沿角度方向的應力；α為孔口裂紋半徑；v為泊松比；Kt為幾何應力集中系數；εz為應變；σx、σy、σz分別為x、y、z方向的應力分量。

有限元法分析裂解過程能直觀地表征結構位移及應力應變分布、材料斷裂危險點和斷裂方向等特征，連桿裂解起裂和擴展是由應力增加導致的材料失效破壞過程，斷裂原因是最大拉應力達到材料斷裂極限，因此在分析計算中采用最大拉應力作為判斷斷裂的準則[4]。

2 連桿脹斷數值模擬

采用玉林市成鑫機械有限責任公司的型號為13NA00-1004201SF1連桿，大頭孔直徑為98 mm，小頭孔直徑為49 mm，大小頭孔中心距為241 mm，螺栓孔直徑為15 mm，裂解槽槽長l為48.7 mm，槽深h為0.6 mm，張角α為60°，曲率半徑r為0.25 mm。由圖1、2可知，脹斷夾具包括楔形拉桿、動塊和定塊，楔形拉桿在脹斷過程中與動塊和定塊接觸，由定塊承受背壓力定位，動塊傳遞載荷和運動方向。連桿裂解廣泛使用的材料為高碳微合金非調質鋼C70S6，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.33，抗拉強度σb為932 MPa；楔形拉桿、動塊和定塊的制造材料是Cr12MoV模具鋼，彈性模量為218 GPa，泊松比為0.28，硬度為HRC60，許用應力σc=1 200 MPa，在脹斷過程中幾乎不發生彈性和塑性變形。

圖1 連桿脹斷結構圖 圖2 連桿脹斷三維圖

2.1 脹斷壓力計算

F3=σb×A=σb×[(M-N-2h)×H-2×

=932×[(138-98-1.2)×48.7-2×

=1 080 663.32 N

(4)

式中：M為連桿螺栓孔左側外表面到右側外表面的距離138；N為連桿大頭孔直徑98；H為連桿高度48.7；h為槽深0.6；D為螺栓孔直徑15；K為端面外圓直徑。

F1=F3×sin 10°=1 080 663.32×0.173 65

=187 657.2 N

(5)

(6)

如圖3所示，楔形拉桿的許用壓應力σc=1 200 MPa，施加壓力為117 MPa，符合設計要求。

圖3 楔形拉桿受力圖

連桿大頭孔內表面所受的等效壓力為：

=144.22 MPa

(7)

2.2 邊界約束及載荷處理

取連桿大頭端1/2作為數值分析模型，采用智能化網絡劃分，設置整個網格劃分時的單元大小等級值為1，對大頭端與定塊的接觸面施加全約束，對大頭端與動塊的接觸面施加等效壓力P3。

2.3 起裂位置及應力集中

連桿x方向的最大應力值在裂解槽的正中間位置，其值為75 465.3 MPa，遠遠大于抗拉強度932 MPa，其余大部分區域處于較低的應力狀態，連桿裂解將從裂解槽正中間位置開始。如圖4所示。

連桿第1主應力最大值為86 888.4 MPa，在裂解槽中部附近應力集中效應明顯，此處為較高的三向拉應力狀態，易發生脆性斷裂，微裂紋將于此處萌生，第1主應力值由裂解槽中部向兩側減小。如圖5所示。連桿x方向的位移最大值為1.62 mm，由裂解槽中部向左側移動。如圖6所示。

圖4 連桿x方向的應力分布 圖5 連桿第1主應力分布

圖6 連桿x方向的位移分布

2.4 裂解槽幾何參數對斷裂剖分的影響

連桿裂解加工時在連桿大頭孔內側壁預定剖分位置加工兩條結構對稱、形狀相同的切口，切口深度為h、曲率半徑為r、張角為α。為提高裂解加工質量，保證斷裂發生在預定位置，合理設計切口幾何參數，可有效的提高應力集中程度、充分發揮切口效應。選取表1所列的12組幾何參數進行有限元分析并提取數據，再運用MATLAB進行數值模擬，最后通過分析可得出最優的幾何參數。

表1 切口幾何參數選取

由圖7可知，隨著切口深度h的增加，第一主應力先是減小，而后增大，最后又有減小的趨勢，在切口深度為h為0.45 mm時，達到最大值99 107.5 MPa，切口深度并不是越大越好，h取0.45 mm為宜。

圖7 第一主應力隨深度h的變化

由圖8可知，隨著曲率半徑r的增大，第一主應力急劇下降，在曲率半徑r為0.15 mm時最大值為104 107 MPa，在曲率半徑r為0.3 mm時達到最小值78 597 MPa，而后增大，曲率半徑r越小，應力集中程度越高，曲率半徑對第一主應力影響顯著，曲率半徑取值為 0.15 mm為最佳。由圖9可知，隨張角α的增大，切口的應力集中效應減小，第一主應力持續下降，在張角α為50°時達到最大值87 056.1 MPa，實際生產中切口張角取值為50°。

圖8 第一主應力隨曲率半徑r的變化

圖9 第一主應力隨張角α的變化

3 結 論

為了獲得三維凹凸斷裂面以實現連桿體和連桿蓋裝配時的精確定位及完美嚙合，從而大幅度簡化連桿加工工藝流程、降低制造成本，提高承載能力。結合生產實踐和連桿裂解機床加工要求，給出切口幾何參數值，并分析切口幾何參數對裂解力，也就是對第一主應力的不同影響，得出切口深度h與曲率半徑r影響較為顯著，張角α次之，通過理論分析促進在實踐中更好的實現連桿體與連桿蓋的快速斷裂分離，以獲得更好的斷裂面質量。