關(guān)于汽車(chē)機(jī)械傳動(dòng)桿斷裂的檢測(cè)技術(shù)分析

靳維海

摘要：由于傳動(dòng)桿剖分新工藝具有后續(xù)加工工序少，制造成本低、傳動(dòng)桿體、蓋裝配精度高、剖分面承載能力高等優(yōu)點(diǎn)，目前這種新工藝在國(guó)外傳動(dòng)桿生產(chǎn)線中得到迅速推廣。隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，各種先進(jìn)制造技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用是提高汽車(chē)產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本的必然途徑。文章介紹了國(guó)外用于汽車(chē)傳動(dòng)桿制造的斷裂剖分新技術(shù)，分析了斷裂剖分的機(jī)理和發(fā)生條件，探討了應(yīng)用該技術(shù)時(shí)需要考慮的一些關(guān)鍵問(wèn)題，最后介紹了傳動(dòng)桿斷裂剖分裝置。

關(guān)鍵詞：汽車(chē) 發(fā)動(dòng)機(jī) 傳動(dòng)桿 剖分 技術(shù)

0 引言

傳動(dòng)桿是發(fā)動(dòng)機(jī)中高精度的關(guān)鍵零件，由傳動(dòng)桿體、傳動(dòng)桿蓋共同組成。在傳統(tǒng)制造工藝中，傳動(dòng)桿體和蓋的制造依賴(lài)兩種方法：①傳動(dòng)桿體和蓋整體鍛造→鋸切分離→接觸面機(jī)加工→裝配。②傳動(dòng)桿體—蓋分別鍛造→接觸面機(jī)加工→裝配。采用上述兩種工藝，不僅需對(duì)傳動(dòng)桿體和蓋的聯(lián)接面進(jìn)行銑削和磨削，并且在該聯(lián)接面上還要鉆鉸螺栓定位孔和攻螺紋孔，或者切制端面齒，鉆鉸定位銷(xiāo)孔和鉆螺栓孔等，以便將來(lái)能使傳動(dòng)桿體—蓋實(shí)現(xiàn)精確合裝。為此，需要較多的加工機(jī)床，經(jīng)過(guò)十幾道工序，耗費(fèi)大量的加工工時(shí)。針對(duì)傳動(dòng)桿傳統(tǒng)制造工藝中的缺點(diǎn)，為了降低制造費(fèi)用和工時(shí)，提高配合精度，傳動(dòng)桿斷裂剖分工藝被提出，并首先于80年代中，由Alfling公司在德國(guó)申請(qǐng)專(zhuān)利。其后，有關(guān)研究不斷在美、德獲得進(jìn)展。進(jìn)入90年代，該工藝在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用生產(chǎn)階段。適用的毛坯由最初的粉末鍛造傳動(dòng)桿，發(fā)展到中高碳鋼鍛造傳動(dòng)桿，使用的廠家覆蓋了美國(guó)三大汽車(chē)公司，以及德國(guó)奔馳、寶馬等著名企業(yè)。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用該技術(shù)的廠家是一汽大眾發(fā)動(dòng)機(jī)廠，引進(jìn)德國(guó)技術(shù)裝備，適用于每缸五氣門(mén)新型發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)桿。

1 汽車(chē)傳動(dòng)桿斷裂分析技術(shù)

鍛造的傳動(dòng)桿毛坯，在實(shí)施斷裂剖分之前，先粗鏜傳動(dòng)桿大頭孔，然后在其預(yù)定斷裂處加工兩個(gè)對(duì)置的溝槽，為應(yīng)力集中點(diǎn)，將傳動(dòng)桿大頭孔套裝到一臺(tái)進(jìn)行斷裂剖分的裝置的兩個(gè)半芯軸上，并將傳動(dòng)桿進(jìn)行定位和夾緊。然后利用沖擊力，將用來(lái)脹裂傳動(dòng)桿的楔插入上述半芯軸中，此時(shí)在楔的沖擊下，傳動(dòng)桿的大頭孔在溝槽處被斷裂剖分為傳動(dòng)桿體和傳動(dòng)桿蓋。這種新工藝，使分離后的傳動(dòng)桿和傳動(dòng)桿蓋能直接在斷裂面處自然精確合裝，無(wú)需加工配合面，達(dá)到了減少加工工序和減少加工機(jī)床的目的。此外，除傳動(dòng)桿剖分面具有較高的配合精度外，還由于其剖分接觸面是凸凹不平的，大大提高了接觸面積，從而提高了傳動(dòng)桿承載能力。

2 汽車(chē)傳動(dòng)桿斷裂的剖分機(jī)理

2.1 脆性斷裂 該工藝的理論基礎(chǔ)是斷裂力學(xué)中的脆性斷裂理論。據(jù)斷裂力學(xué)可知，斷裂過(guò)程中裂紋表面通常有三種位移形式，即張開(kāi)型、前后滑移型、平面剪切型。當(dāng)物體受垂直于斷裂平面的正應(yīng)力拉力時(shí)，屬?gòu)堥_(kāi)型斷裂，這是脆性斷裂產(chǎn)生的形式和條件。脆性斷裂具有以下發(fā)生特點(diǎn)：①斷裂時(shí)承受的工作應(yīng)力較低，通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，塑性變形??；②斷裂受溫度影響較大；③斷口方向與正應(yīng)力相垂直。傳動(dòng)桿斷剖工藝正是依照脆性斷裂的上述特點(diǎn)，通過(guò)在傳動(dòng)桿大頭內(nèi)側(cè)開(kāi)出V型槽，然后施加垂直于預(yù)定斷裂面的正應(yīng)力，滿足脆性斷裂的發(fā)生條件，使傳動(dòng)桿體一蓋在不發(fā)生塑性變形的情況下被分離。應(yīng)關(guān)注以下幾個(gè)問(wèn)題：①毛坯材料；②V型槽形狀與所需應(yīng)力關(guān)系；③操作溫度。

2.2 毛坯材料 由于脆性材料更易發(fā)生脆性斷裂，適于采用斷剖工藝制造的傳動(dòng)桿，主要采用下述三種材料的毛坯：①粉末鍛造毛坯；②可鍛鑄鐵；③70高碳鋼。這三種材質(zhì)的毛坯，室溫下可實(shí)現(xiàn)脆性斷裂，傳動(dòng)桿大頭孔不產(chǎn)生明顯塑性變形，其變形量≤40μm，經(jīng)機(jī)加工后，其圓度誤差可減為3μm。此外，45～55鍛鋼毛坯也可使用斷剖技術(shù)進(jìn)行傳動(dòng)桿制造，但必須保證在－40℃時(shí)，才可實(shí)現(xiàn)脆性斷裂，保證脹裂后的變形足夠小。

2.3 溫度影響 斷裂剖面如同沖壓面一樣，通常分為三區(qū)，由斷裂源向外依次可分為纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇。當(dāng)斷面的放射區(qū)較寬時(shí)，表示材料的塑性差，脆性較大。反之，纖維區(qū)較大，表明材料的塑性及韌性較好。如何加大放射區(qū)寬度，縮小纖維區(qū)寬度，是實(shí)現(xiàn)脆性斷裂的條件。溫度對(duì)斷口三要素各區(qū)大小的影響，材料為40Cr，當(dāng)溫度低于室溫時(shí)，放射區(qū)即已顯著增大，這樣為室溫下實(shí)施傳動(dòng)桿的斷剖工藝提供了實(shí)驗(yàn)保障。

2.4 溝槽深度a與斷裂強(qiáng)度的關(guān)系 裂紋(V形槽)深度與斷裂強(qiáng)度σc成反比，即對(duì)于一定的應(yīng)力值，存在著一個(gè)臨界的裂紋深度ac，當(dāng)裂紋深度小于此值時(shí)，裂紋是穩(wěn)定的，只有大于此值時(shí)，裂紋失穩(wěn)，裂紋愈深，材料的臨界斷裂應(yīng)力愈低。當(dāng)帶缺口的結(jié)構(gòu)受外力時(shí)，在裂紋尖端附近產(chǎn)生一應(yīng)力強(qiáng)度因子KIC(又稱(chēng)材料斷裂韌性值)控制的應(yīng)力。當(dāng)外力增加時(shí)，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨之增加，當(dāng)KI達(dá)到某一臨界值KIC時(shí)，裂紋發(fā)生失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)脆性斷裂，即KI≥KIC。對(duì)于一定的材料，KIC為一常值，可查表求出，也可通過(guò)測(cè)試方法確定(更加精確)。KIC值越低，越易發(fā)生脆性斷裂。因而對(duì)KIC值的測(cè)試計(jì)算，應(yīng)是研究斷剖機(jī)理的重點(diǎn)。根據(jù)KIC原理，對(duì)于一個(gè)給定尺寸的缺口可以計(jì)算出作用應(yīng)力。反之，對(duì)于給定作用應(yīng)力的構(gòu)件，可以預(yù)測(cè)臨界裂紋尺寸。這一原理為傳動(dòng)桿斷裂剖分提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

3 汽車(chē)傳動(dòng)桿斷剖裝置的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)合理的斷裂剖分裝置是實(shí)施斷裂剖分的關(guān)鍵因素。其設(shè)計(jì)原則是：①斷裂力能瞬時(shí)突然作用，這是因?yàn)榱Φ氖┘铀俣葘?duì)實(shí)現(xiàn)脆性斷裂有重要影響。②在這一過(guò)程中，傳動(dòng)桿要牢固安裝不能活動(dòng)。在分離過(guò)程中，傳動(dòng)桿體、蓋只能發(fā)生相背離的直線運(yùn)動(dòng)，任何傳動(dòng)桿體、蓋之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，都會(huì)引起不必要的塑性變形導(dǎo)致將來(lái)不能進(jìn)行正常的合裝。斷剖裝置主要包括：固定底座、傳動(dòng)桿蓋支座、傳動(dòng)桿體支座，每個(gè)支座配有導(dǎo)軌，可使支座在一定范圍內(nèi)，沿導(dǎo)軌做垂直于斷裂平面的移動(dòng)，還具有可插入楔塊進(jìn)行分離的分瓣芯軸等。

4 小結(jié)

由于傳動(dòng)桿剖分新工藝具有后續(xù)加工工序少，制造成本低、傳動(dòng)桿體、蓋裝配精度高、剖分面承載能力高等優(yōu)點(diǎn)，目前這種新工藝在國(guó)外傳動(dòng)桿生產(chǎn)線中得到迅速推廣。隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，各種先進(jìn)制造技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用是提高汽車(chē)產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本的必然途徑。因此，應(yīng)在這一領(lǐng)域加大研究開(kāi)發(fā)力度，為今后在我國(guó)推廣這一新工藝做好技術(shù)儲(chǔ)備。