某款發動機貼合試驗活塞裙部開裂問題解析

喬彥超，欒永東，張亞林，白小婷

（寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江寧波 315336）

0 引言

曲柄連桿機構（如圖1）為發動機的核心機構，承受燃燒壓力，將氣體力轉化為活塞的直線運動，再通過連桿擺動和曲軸旋轉轉化為旋轉動力輸出。活塞組與缸套、缸蓋密閉形成燃燒室，承受燃燒壓力和溫度，轉化氣體力為直線運動力，活塞在發動機中扮演重要角色，其可靠性直接決定著發動機的使用壽命。

圖1 曲柄機構

1 故障描述

某機型在活塞貼合試驗完成（發動機運行96.5 h）后，拆機時發現第3缸活塞裙部存在一條白色印記（如圖2），位置為活塞主推力側裙部，通過顯影劑對活塞表面情況進行分析，發現白色印記從裙部內側貫穿外側，初步確定缺陷為裙部產生裂紋，活塞裂紋分布在止口到大點位置（如圖3）。

圖2 故障活塞裙部

圖3 活塞裙部裂紋

2 故障原因分析

1）裝配。現場對活塞裝配過程進行分析，現場裝配步驟分為活塞環裝配和活塞銷裝配。活塞環為設備自動裝配，油環氣環定位為活塞內腔，頂部壓緊，定位和壓頭均為硬質塑料，不會造成金屬裂紋，通過驗證100個活塞，活塞表面均無裂紋等異常問題；活塞銷裝配過程為活塞反向定位壓緊，人工將活塞銷和連桿裝配完成，過程無壓傷等造成活塞應力過大的異常操作，無裂紋問題。

2）材料。對失效活塞進行金相分析后發現：失效活塞金相微觀組織中有Si析出，屬于標準的過共晶組織；未見初晶Si粗大及偏析，組織健全，可判定金相組織正常，判定級別為2級（如圖4）[1]。對失效活塞硬度分析后發現：活塞本體硬度金相檢測，硬度檢測共3個位置（如圖5），硬度實測數據分別為69.6、70.6、68.7 HRB，均在65～81 HRB范圍內，符合要求，活塞本體硬度無異常。

圖4 金相組織（×500）

圖5 硬度檢測位置

3）活塞強度。增加爆發壓力、活塞往復慣性力及熱負荷等條件模擬發動實際運作條件，活塞安全系數要求大于1，經過仿真分析（如圖6），活塞氣門坑、頂部、燃燒室及裙部等本體安全系數均大于1，失效位置安全系數為1.51，滿足設計要求，活塞無開裂問題。

圖6 活塞安全系數分析

4）配缸間隙。對該機型活塞配缸間隙進行分析計算，活塞配缸間隙范圍為0.038～0.062 mm，通過對比，配缸間隙在其機型的范圍內，未超出設計極限，配缸間隙理論設計合理；對失效活塞配缸間隙進行測量評價，失效活塞基本徑為81.964 mm，失效活塞對應的缸體缸孔直徑為82.013 mm，活塞和缸孔直徑均合格，通過計算失效活塞的配缸間隙為0.049 mm，配缸間隙中值為0.05 mm，配缸間隙趨于中值，配缸間隙無問題。

5）活塞尺寸。失效活塞尺寸未見異常，其中大點位置裙部壁厚為2.38 mm，規格值為（2.5±0.5）mm（如圖7），滿足要求。裙部基本徑要求為81.965 mm，銷孔內徑要求為21 mm，壓縮高度為29.65 mm，頂環槽寬度要求為1.2 mm，第二環槽寬度要求為1.2 mm，油環槽寬度為2.0 mm，燃燒室容積為8.91 cm2，孔偏心距為0.6 mm，輪廓型線等產品尺寸均滿足設計要求，無異常[3]。

圖7 活塞裙部壁厚

6）缸體、曲軸、連桿尺寸。缸體：缸孔直徑檢測合格，缸孔圓柱度檢測合格，缸體曲軸孔中心到頂面距離及缸孔、主軸孔位置度滿足尺寸要求。曲軸：曲軸主軸頸和連桿直徑尺寸合格，曲軸曲柄半徑合格。連桿和活塞銷：連桿大小頭孔直徑及中心距合格，活塞銷直徑及圓柱度滿足要求，對手件尺寸均滿足要求。

7）異物進入。活塞裙部（如圖2）表面無磕傷、拉痕等問題，缸孔（如圖8）未見拉痕、磕傷，排除異物進入可能性。

圖8 缸孔內壁

8）異常燃燒。對試驗臺架數據進行分析，臺架監控過程數據無早燃和爆震問題，活塞頂部和缸蓋燃燒室無嚴重積碳等異常問題，排除異常燃燒等造成活塞裂紋的可能。

9）鑄造缺陷。鑄造過程：同批次鑄造過程進行追溯，保持爐鋁液溫度要求為（780±20）℃，實際為782 ℃，合格，模具頭部溫度要求為300～420 ℃，實際為380 ℃，外型溫度要求為210～300 ℃，實際為272 ℃。活塞表面無冷隔、凹陷、欠鑄及突起缺陷；活塞裙部存在裂紋，對裂紋斷口進行分析，裂紋起始點在活塞內腔止口邊緣（如圖9），電鏡檢查斷口未見鑄造缺陷、夾渣物存在（如圖10）[2]。

圖9 斷口形態

圖10 電鏡分析

對裂紋起始點進行成分分析[4]（如圖11），未見鑄造氧化物存在（如圖12）；裂紋起始點存在外力引起的撕裂狀裂紋和缺肉現象（如圖13）。通過對斷口分析，斷口為撕裂狀裂紋，結合缸孔內壁和活塞裙部無異常磨痕和磕傷現象，初步確定活塞裙部受外力影響，導致裂紋產生。

圖11 化學成分分析

圖12 金屬表面型態

圖13 撕裂狀裂紋

10）生產過程排查。對活塞加工生產過程排查，發現在加工外圓面工序（如圖14），工裝存在防止反放防錯擋塊，由于活塞內腔為非對稱結構，員工未識別活塞正反導致活塞反放（如圖15），啟動設備，活塞頭部壓緊工裝下壓時會導致活塞傾斜，內腔支撐塊同時支撐活塞，活塞與支撐塊干涉（如圖16），導致局部應力集中，產生擠壓缺陷。此活塞在裝機運轉中會產生裂紋。

圖14 活塞正放狀態

圖15 活塞反放狀態

圖16 活塞擋塊干涉狀態

11）故障復現。在失效復現試驗中，各選取4只活塞進行正反放夾緊試驗，和正放活塞對比分析。反放活塞驗證，在夾緊位置有2個較明顯夾痕存在（如圖17），位置距成品活塞底部約2.5 mm，該高度為止口臺階高度，而正放活塞后內腔無夾痕，對比失效活塞裂紋起始點位置（如圖18）與反放活塞的夾點位置，發現夾點位置1與裂紋位置相吻合。

圖17 活塞反放壓緊驗證

圖18 失效活塞裂紋位置

活塞裂紋問題為供應商加工過程中活塞反放導致，活塞反放時活塞傾斜，當頂部施加壓緊力，此時內腔的支撐點與活塞接觸面積變小，產生應力集中點，導致活塞運轉過程中產生裂紋。

3 整改對策

1）將工裝底座上的防錯擋塊去除，避免防反后產生內腔擠壓。在模具頭部增加凸起，鑄造后活塞頂部形成一個凹坑（如圖19），增加頂部壓蓋氣密檢測，如果放反，氣密不合格會觸發報警，設備停機。

圖19 活塞頂部狀態

4 效果驗證

對整改后樣件完成單體耐久試驗驗證，試驗通過，整改后產品未出現活塞裙部裂紋問題，證明該整改是有效的。

5 結語

針對活塞裙部裂紋問題的排查和解決方向如下：對故障件進行斷口分析，確定斷口形式，分析斷裂失效機理，通過開展相關匹配零部件尺寸檢測，排查設計尺寸是否滿足要求，結合斷裂機理進行生產過程和裝配過程排查，識別異常點，結合故障復現等方式最終確定裂紋產生的原因，根據裂紋產生的原因提出對策，保證徹底解決此模式的裂紋失效，本文通過解決生產過程中的干涉問題，解決了活塞裙部裂紋的產生。