發(fā)動機連桿體/蓋結(jié)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(fā)展?jié)摿透偁帉嵙Φ男录夹g(shù)，以其精密、優(yōu)質(zhì)、高效率、低成本的顯著優(yōu)勢而日益被研發(fā)應(yīng)用，隨著該技術(shù)的日臻成熟以及全球汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，其應(yīng)用前景將十分廣闊。

1 連桿體/蓋結(jié)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(diào)換或變更方向。為此，在結(jié)構(gòu)上采取了定位措施。傳統(tǒng)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(jīng)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(jié)合面的定位形式

上述斜切口連桿結(jié)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(shù)，其工藝復(fù)雜程度、刀具、定位夾具的設(shè)計以及加工參數(shù)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(tǒng)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(tài)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(fù)定位精度及裝配精度。

2 連桿裂解加工新工藝

隨著工程設(shè)計中對結(jié)合面的設(shè)計要求越來越高以及以吻合程度最好為基本出發(fā)點，同時避免傳統(tǒng)連桿加工結(jié)合面形式的弊端，使得基于連桿裂解加工新技術(shù)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(tài)參差、微觀互補耦合的三維凹凸面的嚙合，實現(xiàn)三個方向精確定位的體/蓋結(jié)合形式。斷裂剖分的結(jié)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(guān)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(chǎn)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(shù)及斷裂力學的應(yīng)力集中理論，在預(yù)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(yù)定切口的出現(xiàn)會改變應(yīng)力的分布狀態(tài)，產(chǎn)生局部高應(yīng)力即應(yīng)力集中。只要連桿裂解材料具有缺口敏感性，就可以運用應(yīng)力集中理論在預(yù)定切口處產(chǎn)生高應(yīng)力區(qū)，形成應(yīng)力集中。裂紋由預(yù)制切口的高應(yīng)力區(qū)起裂并向外不斷擴展直至完全斷裂，從而實現(xiàn)連桿蓋與連桿體分離。

3.2 關(guān)鍵工序

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

（1）加工預(yù)制切口工序

切口的設(shè)計和加工制造是裂解加工技術(shù)的關(guān)鍵，也是裂解加工的核心和首要工序。預(yù)制切口的目的是提高應(yīng)力集中系數(shù)，滿足張開型斷裂條件，保證斷裂發(fā)生在預(yù)定位置。合理的切口位置設(shè)計、幾何參數(shù)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(zhì)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(yù)制加工形成了應(yīng)力集中，通過施加垂直于預(yù)定斷裂面的載荷進行定向引裂，在滿足脆性斷裂的發(fā)生條件時，預(yù)制切口處率先起裂，之后裂紋迅速失穩(wěn)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(yīng)的技術(shù)裝備，均是為了實現(xiàn)上述目的，保證裂解加工質(zhì)量。連桿裂解工藝方法是否合理、技術(shù)裝備是否先進、可靠，直接影響連桿裂解質(zhì)量和大頭孔裂解時的變形量。裂解質(zhì)量主要體現(xiàn)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(chǎn)品的質(zhì)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(yù)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(fù)位并實現(xiàn)了桿、蓋完全嚙合。但為了后續(xù)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(jīng)濟性

所謂的連桿裂解加工技術(shù)的先進性與經(jīng)濟性是同傳統(tǒng)的連桿生產(chǎn)技術(shù)相比較而言的。傳統(tǒng)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(tǒng)加工工藝與裂解工藝流程對比

同傳統(tǒng)的連桿加工工藝相比，裂解加工具有以下優(yōu)勢：

（1）傳統(tǒng)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(tǒng)加工方法連桿蓋和連桿體的結(jié)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(jié)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(tǒng)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(jié)合面具有凹凸不平的三維結(jié)構(gòu)特征，能夠?qū)崿F(xiàn)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(zhì)量大幅度提高。

（4）傳統(tǒng)工藝中連接螺栓孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面加工精度要求高，且螺栓孔的加工要與結(jié)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(shù)中的螺栓僅僅起聯(lián)結(jié)作用，不再有任何定位要求，從而簡化了螺栓孔的結(jié)構(gòu)設(shè)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(diào)質(zhì)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(chǎn)。

粉末鍛造通常是指將粉末燒結(jié)的預(yù)成形坯經(jīng)加熱后，在閉式模中鍛造成零件的成形工藝方法，是將傳統(tǒng)粉末冶金和精密鍛造結(jié)合起來的一種新工藝，并兼兩者的優(yōu)點。粉末鍛造連桿形狀和尺寸精度好、材料力學性能高、生產(chǎn)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(jié)束語

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

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

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