汽車發(fā)動機的剖分式連桿裂解機制和過程

馬燕

摘 要：在發(fā)動機中，連桿是十分重要的零部件，其加工手藝和設備很大程度反映了發(fā)動機制造業(yè)的水平。與傳統(tǒng)的汽車發(fā)動機連桿制造工藝相比，剖分式連桿具有更出色的性能。本文主要就汽車發(fā)動機的剖分式連桿裂解機制和過程進行分析，以期為相關的研究帶來啟發(fā)。

關鍵詞：汽車發(fā)動機；連剖分式；連桿；裂解機制

中圖分類號：U464 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）04-0088-04

Abstract： in the engine， the connecting rod is a very important part， and its processing craft and equipment largely reflect the level of the engine manufacturing industry. Compared with the traditional connecting rod manufacturing process， the split connecting rod has better performance. In this paper， we analyze the mechanism and process of dissection connecting rod of automobile engine in order to enlightening the relevant research.

Key Words：automobile engine； Split type； Connecting rod； Pyrolysis mechanism

前 言

連桿是汽車發(fā)動機中具有重要作用的零部件，主要的功能是連接曲軸和活塞。近年來，隨著人們生活水平的提高，汽車的擁有量不斷增加，因此連桿的需求量也不斷增加。以往的連桿加工技術具有廢品率高、成本高、工序復雜等問題，已經不能很好的滿足現(xiàn)代連桿制作的需求。因此，研究低成本、節(jié)材、優(yōu)質價廉、降耗的連桿加工技術具有重要的現(xiàn)實意義。連桿裂解技術是上世紀末發(fā)展起來的的一種新工藝，從根本上改變了連桿加工方式，促進連桿加工工藝發(fā)生了重大的變化。

1 剖分式連桿裂解機制和過程

在分析剖分式連桿裂解機制和過程時，我們可以根據(jù)脆性固體斷裂力學的相關知識：如果存在裂紋，脆性合金材料的應力將會十分集中，這時如果承載在低于材料的強度，那么脆性合金材料將會將會發(fā)生解理型低應力脆斷，進而使塑性變形變小，并且斷口的方向垂直于正應力方向。對剖分式連桿裂解機制進行分析時，主要就是依照上述這一原理[1]，如下圖1所示。在其加工過程中，涉及的內容包括：其一，在整體鍛造的連桿毛坯大頭孔內側，制作出兩條對稱的裂紋槽，初步形成斷裂源；其二，在連桿上施加一個正應力，而且這個正應力應當和斷裂面垂直，然后促使斷裂源可以發(fā)生脆性斷裂分離，形成連桿蓋和連桿體；其三，將脆性分離形成的連桿蓋和連桿體進行精確的復位。

1.1 裂解連桿材料

在進行裂解時，連桿材料應當具有一定的特性，具體來說，它要求連桿材料的脆性比較好，斷裂面可以呈現(xiàn)出犬牙交錯形狀。與此同時，裂解連桿材料應當具有較好的機加工性能和高強度。當前，我們進行連桿裂解時，多采用的材料包括粉末冶金、可鍛鑄鐵、微合金非調制碳鋼以及球墨鑄鐵。其中，微合金非調制碳鋼的使用范圍是最廣的，它的組織和力學性能相對比較好，因此獲得了很廣泛的使用。

1.2 初始裂紋槽的預制

隨著裂解加工技術的不斷發(fā)展變化，裂紋槽的加工位置也不斷發(fā)生變化。當前，我們在預制初始裂紋槽時，多在整體鍛造的連桿毛坯大頭孔內側，加工兩條對稱的裂紋槽，這種制作方法具有連桿承載能力大、工序少的優(yōu)勢。裂紋槽幾何尺寸確定時，主要依據(jù)槽深h、曲率半徑r以及張角α這3個參數(shù)。根據(jù)相關的研究證明，要想使應力集中系數(shù)保持在較大的水平，尖角槽深是一種十分有效的形式。在進行裂解槽加工時，水刀、機械拉削、激光加工以及線切割等都是十分常見的方法，其中激光加工具有易裂解、速度快、切槽深等優(yōu)勢，在汽車發(fā)動機中有廣泛的應用[2]。

1.3 裂紋的受載擴展過程

在連桿的裂解過程中，裂紋受載擴展過程是重要的環(huán)節(jié)之一，具體如下圖2所示，在斷裂力學中，裂紋尖端的受載包括即張開型（I型）、滑開型（II型）以及撕開型（III型）三種。其中，張開型裂紋中，其承受的主要是與裂紋面垂直的正應力，裂紋一般會沿著y方向張開。另外值得注意的是，如果材料的斷裂韌性K1處于一個極限值，那么裂紋的尖端將會失穩(wěn)擴展，一直到整個斷裂面形成將會停止。

2 剖分式連桿裂解加工工藝

2.1 機械式裂解加工設備及工藝

2.1.1 芯軸脹套式

在這個類型中，一般連桿的大頭孔中都會安裝增力機構，這個增力機構是由脹套和楔形芯軸組成的，并通過液壓活塞桿，可以使楔形芯軸轉動起來，進而使其開始有關的脹套運動，在脹套運動的作用下，大頭孔內壁將會承受徑向載荷，經過一定的時間后將發(fā)生脹斷。在對連桿進行分裂時，可以依據(jù)芯軸插入方式，根據(jù)芯軸插入方式的不同，將其分為“下拉式”、“上拉式”、“水平楔入式”、“上楔入式”等。例如，德國ALFING公司制作連桿時，使用的芯軸插入方式就是“上楔入式”[3]（如下圖3），具體在制作時，先將預制有裂解槽的連桿工件放置在工作臺，楔形芯軸將會在一定力的作用下向下運動，并通過楔形面使裂解動套向外運動，最終實現(xiàn)裂解。德國ALFING公司生產出來的這個設備采用準靜態(tài)瞬間加載的方式，因此它的裂解效率十分高。

根據(jù)相關的研究表明，在芯軸脹套式這一類型的工藝中，連桿脹斷后的爆口現(xiàn)象是最主要的問題。導致連桿爆口產生的原因包括裂解槽形狀精度低、脹套磨損、槽深較淺等。在對裂解槽進行加工時，配置的激光切槽機應當具備較高的精度。至于加載速度，液壓系統(tǒng)的工作壓力、泵流量、蓄勢器參數(shù)、管徑、閥通徑、回路、液壓缸參數(shù)等都會對其產生一定的影響。因此對液系統(tǒng)的要求較高，只有高水平的液壓系統(tǒng)才會更好的對加載速度進行控制。

2.1.2 液壓活塞式

在這個類型中，沒有楔形塊結構，而是直接在大頭孔的動套和定套之間設置相關的液壓活塞及油路，然后促使液壓油缸推動活動運動的進行，最終促進連桿實現(xiàn)裂解。下圖4為美國MTS生產的裂解設備，它所采用的生產工藝就是“液壓活塞式”，它需要的裂解力比較小，而且分離面的質量很好，但是這種工藝對于裂解設備的加載速度具有比較高的要求，另外，由于連桿大端孔徑的制約，活塞桿需要承受較高的壓力，而且對設備元件的密封性要求十分嚴格，這將會在一定程度上使設備的成本增加。

2.1.3 水平滑塊式

在這個類型中，進行相關的驅動時，主要是通過驅動滑塊體，將具有裂解動套的滑塊體裝在相關的設備中，實現(xiàn)驅動[4]。下圖5為美國福特公司采用水平滑塊式工藝生產的裂解設備，它的連桿大頭孔中安裝有裂解動套和定套，其中裂解動套和滑塊連接在一起，而裂解定套與定塊連接在一起，連桿進行定位座定位時，主要是借助大端孔和小端孔。在進行裂解工作時，滑塊將會在液壓缸的驅動下，不斷的向外發(fā)生運動，進而使裂解定套可以對大頭孔內壁加載，最終使連桿體和連桿蓋分開。這種方式制作的裂解設備，連桿大端保持有背壓力主要是通過大頭壓塊實現(xiàn)的，并使連桿斷裂面的質量獲得保障，促進設備生產效率和生產質量的提高。但是這種機械系統(tǒng)需要保證桿端和蓋端的定位和導向，而且由于機床定位系統(tǒng)相對比較復雜，裂解設備的設計和加工具有更高的要求。

2.2 熱處理輔助裂解法

2.2.1 局部熱處理式

進行局部加熱加工時，對鋼制連桿大端的分割區(qū)進行相關的照射時多采用等離子體、激光或者高能電子束等方法，并在照射結束后在真空中冷卻，改變其具備組織，變?yōu)轳R氏體組織，以脹斷載荷為基礎，促使連桿實現(xiàn)脆性斷裂分離。另外，改變分割區(qū)材料的特征，使其變化為馬氏體組織，并在脹斷載荷的作用下，使連桿可以很好的實現(xiàn)脆斷分離。但是這種工藝存在一個很大的問題，等離子體、激光或者高能電子束在對分割區(qū)進行照射時，不能很好的把握照射區(qū)域，因此除了斷裂區(qū)域之外，連桿的其他位置也具有脆化風險，這將導致連桿的局部機械強度弱化，并且預定分割部位斷裂也不能獲得很好的保障，這種工藝的適應性比較差。

2.2.2 冷凍脆化式

就冷凍脆化加工方法來說，它認為需要提出，如果將連桿置于-60°C～-90°C的環(huán)境中，時間大致為5min左右，將改變材料的延展性，并進入脆性狀態(tài)，然后發(fā)生脆性斷裂分離。如果連桿材料是易于冷凍脆化的，那么則可以通過乙醇加干冰混合冷凍的方式，將連桿置于-60°C～-90°C的溫度中進行冷凍，這樣會將會成本。如果連桿材料是難以冷脆的，可以使用液氮實現(xiàn)零下190°C的冷凍[5]。在這種連桿制作工藝中，多是對連桿進行整體脆化，這將會降低連桿的機械強度；另外，在連桿脆性不斷增加的情況下，如果要將其大頭部分割開，斷裂載荷必須很大，由此需要斷裂裝置變大，進而需要增加更多的設備投入，使用這種工藝需要對連桿材料進行深入的研究。

2.3 疲勞裂解法

這個類型的裂解方法，其理論依據(jù)是疲勞斷裂原理和應力集中效應，加載過程中，需要使用周期性疲勞載荷，對帶有預制裂解槽的連桿大頭端進行重復加載，直至連桿體和連桿大端分離開來。如下圖6所示，連桿小端在工作臺平面上，將移動芯軸而安裝在連桿大端，并在工作臺面上設置了導軌槽，大端滑動座上下循環(huán)加載，進行促使連桿大端內壁周期加載。

值得注意的是，與以往的加載方式相比，這種工藝可以更好的促進能耗的降低，即便連桿材料是延性材料，斷裂面也不會發(fā)生任何形式的塑性變形，這使得連桿材料可以更程度的擴展，其應用前景也十分的廣泛，它實際上是綠色裂解的代表。但是應該注意，采用疲勞裂解工藝時，加載方式相對比較單一，主要就是采用直線式定向加載，這使得大頭孔不能很好的均勻受載[6]。

3 結語

綜上所述，當前的剖分式連桿裂解主要采用脹套組合和楔形芯軸的加工方式，雖然較傳統(tǒng)工藝進步，但是適用的材料十分有限，有待進一步的研究。隨著新技術的發(fā)展，疲勞裂解、熱處理輔助裂解等成為新的發(fā)展和研究方向。但其適用中仍然存在一些問題，需要進行進一步的研究。

參考文獻：

[1]董淵哲，趙升噸，張超，等. 汽車發(fā)動機用連桿裂解工藝及設備的合理性探討[J]. 機床與液壓，2016，44（5）：33-37.

[2]楊淑霞，賈全倉，李炳鋒. 發(fā)動機連桿接合面裂解加工影響因素分析[J]. 現(xiàn)代制造技術與裝備， 2012（2）：26-27.

[3]趙升噸，董淵哲，朱成成，等. 一種剖分式連桿大端的激光起爆的爆轟裂解加工工藝， CN104668926A[P]. 2015.

[4]趙升噸，董淵哲，景飛，等. 剖分式連桿的端面凸輪推動多芯軸的低周疲勞裂解設備， CN105252241A[P]. 2016.

[5]曹明禮，鄧偉. 脹斷連桿裂解過程受力CAE分析[J].裝備制造業(yè)綠色制造、節(jié)能減排發(fā)展論壇，2012.

[6]劉振. 雙金屬復合裂解連桿的鍛造工藝研究[D]. 江蘇大學，2014.