文/馮書華·南宮市精強(qiáng)連桿有限公司

影響連桿質(zhì)量的因素分析

文/馮書華·南宮市精強(qiáng)連桿有限公司

連桿是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)（圖1）的“心臟”部件，其精度和性能直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的整體質(zhì)量。如：功率輸出、油耗多少、噪聲分貝、平穩(wěn)程度、壽命長短等技術(shù)指標(biāo)都與連桿的質(zhì)量相關(guān)。連桿的質(zhì)量80%取決于連桿的鍛件質(zhì)量，本文就以C70S6材質(zhì)的脹斷連桿（圖2）為例，對影響連桿鍛件質(zhì)量的因素進(jìn)行簡單的剖析。

圖1 使用C70S6材質(zhì)脹斷連桿的發(fā)動(dòng)機(jī)

圖2 使用C70S6材質(zhì)的連桿

連桿材料的影響

連桿的鍛后組織是由材料的化學(xué)成分和鍛造工藝所決定的，材料各元素化學(xué)成分的含量是保證鍛后金相組織和力學(xué)性能的先天條件。如果材料進(jìn)廠時(shí)不嚴(yán)格把關(guān)，導(dǎo)致某些關(guān)鍵微量元素超標(biāo)或不足，單憑以后鍛造工藝改變是完全不可能的。因此，控制原材料的化學(xué)成分含量至關(guān)重要。鍛造廠在購料時(shí)必須與鋼廠簽訂嚴(yán)格的技術(shù)協(xié)議，使其控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，才能為鍛后連桿的質(zhì)量全面達(dá)標(biāo)奠定可靠的基礎(chǔ)，否則將無法實(shí)現(xiàn)。C70S6材料的化學(xué)成分含量詳見表1。

另外鋼材的低倍組織、非金屬夾雜物、帶狀組織、晶粒度、熱頂鍛測試、脫碳層、表面質(zhì)量、機(jī)械性能等指標(biāo)也都要在合同規(guī)定的指標(biāo)范圍之內(nèi)，否則鍛造連桿的先天條件是不具備的。

表1 C70S6材料的化學(xué)成分

鍛造工藝的影響

為了達(dá)到連桿的強(qiáng)度要求，保持良好的塑性、韌性和力學(xué)性能，在鍛造工藝上應(yīng)主要控制以下四個(gè)方面。

⑴鍛造加熱溫度。

提高鍛造加熱溫度，可使V、Nb、Ti的碳氮化合物逐漸溶入奧氏體中，大量溶解的微合金碳氮化合物在冷卻過程中析出，可提高鋼的強(qiáng)度和硬度；但另一方面，溫度升高，也會(huì)帶來一些負(fù)面影響，如奧氏體晶粒會(huì)長大，組織粗化，韌性下降等。

⑵終鍛溫度。

適當(dāng)控制較低的終鍛溫度，可使晶粒破碎增加，有效地產(chǎn)生形變，誘發(fā)析出彌散質(zhì)點(diǎn)，同時(shí)再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力減小，晶粒細(xì)化，有利于增加鋼材的韌性。

⑶變形量和變形速率。

當(dāng)變形量和變形速率較大時(shí)，奧氏體晶粒碎化，奧氏體粗晶再結(jié)晶成為細(xì)晶，由于晶界增多具有大量形核位置，所以形成大量的先共析鐵素體的精細(xì)相變組織，均勻的分布在鋼材的組織里，這對鋼的韌性增加十分有利。

⑷鍛后冷卻速度。

鍛后冷卻速度對材料性能影響很大，由于冷卻過程中的相變是復(fù)雜的，自然冷卻不能有效地控制非調(diào)質(zhì)鋼的質(zhì)量，所以設(shè)置一個(gè)不受季節(jié)影響的冷卻裝置進(jìn)行鍛后冷卻效果最佳。實(shí)際上800～500℃之間的冷卻控制，對鋼材的強(qiáng)度與韌性才有效果，而在此溫度范圍以外的冷卻，不能起到應(yīng)有的作用。因此，冷卻速度的優(yōu)化控制直接影響鋼的組織性能，必須制定科學(xué)、合理的鍛造工藝并嚴(yán)格執(zhí)行，才能達(dá)到應(yīng)有的效果。

連桿外部形狀的影響

連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部復(fù)雜系數(shù)最高的鍛件，其外部幾何形狀是由多曲面、多個(gè)不規(guī)則的形體組成。如圖3所示。它對發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)敲缸、碰撞、斷裂以及裝配位置的準(zhǔn)確性、合理性有著直接的影響。因此在連桿鍛造時(shí)必須著重控制以下幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，才能使加工后的連桿達(dá)到圖紙的各項(xiàng)精度要求，否則靠“后天”機(jī)加工是無法進(jìn)行彌補(bǔ)的。

圖3 連桿示意圖

⑴連桿大小孔中心距。

它是影響大小孔環(huán)帶不均勻的主要因素，由于鍛件要求的公差范圍與連桿加工后要求的環(huán)帶公差范圍不一致，前者公差要求較大，后者公差要求較小。所以在鍛造時(shí)須將中心距控制在公差中值并保持在總公差的1/2范圍內(nèi)，才能滿足加工后的要求，否則將造成環(huán)帶均勻度超差。如圖4所示。

圖4 連桿大小孔環(huán)帶不均勻

控制連桿中心距的波動(dòng)范圍關(guān)鍵在于控制好設(shè)備自身的溫度和模座溫度要保持在恒定的范圍內(nèi)。另外根據(jù)鍛造的環(huán)境不同也要做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，否則只控制鍛造溫度，同一套模具、同一始鍛溫度，所鍛造的連桿中心距也不相同。

⑵連桿非加工面之間的相對位置。

連桿筋頂部、幅板、螺孔兩側(cè)面、異形小孔的端面等這些非加工面（如圖5），單個(gè)測量每一處尺寸都在合格范圍內(nèi)。但有的在公差上限，有的在公差下限，這樣就容易造成相對位置超出圖紙要求的范圍。該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要與模具設(shè)計(jì)有關(guān)，雖然測量模具的這些部位的相對位置是合格的。

圖5 連桿的非加工面

但是在鍛造過程中，由于種種原因造成金屬的流速、流向不可能與設(shè)計(jì)者的意愿完全一致。模腔狹窄且較深的、底部圓弧小且過渡不光滑的容易造成金屬流速緩慢，致使鍛件有充不飽滿或勉強(qiáng)充滿的現(xiàn)象。還有的阻料槽位置、尺寸、橋部寬窄、間隙設(shè)計(jì)不當(dāng)容易造成金屬流動(dòng)過快。這些都是設(shè)計(jì)缺陷，設(shè)計(jì)者要在實(shí)踐中反復(fù)跟蹤探討，逐步根據(jù)實(shí)際鍛造狀況不斷修改模具，才能達(dá)到預(yù)期的目的。但要遵循模具設(shè)計(jì)的原則，即模腔的形狀不一定完全與工件“反”形狀完全一致，金屬的流速、流向是可以改變的。

連桿設(shè)計(jì)的影響

連桿機(jī)加工完成后都要按實(shí)際重量進(jìn)行分組（有的連桿孔徑也要分組），每一組重量相差規(guī)定的克數(shù)，并分成規(guī)定的組數(shù)。但事實(shí)上往往鍛件的重量控制范圍達(dá)不到機(jī)加工后給定的重量范圍。若達(dá)到這個(gè)范圍，加工后就會(huì)超出給定的組別數(shù)，給鍛造增加了不少成本。究其原因主要是連桿圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的外形尺寸與重量不匹配。

由于連桿圖紙大多數(shù)都不是制造廠設(shè)計(jì)的，而這些圖紙確實(shí)存在著非加工面的輪廓尺寸在公差上（下）限時(shí)，加工后的連桿成品重量卻已經(jīng)分布在分組表的中下（上）限了，尺寸和重量參數(shù)都不允許修改時(shí)，就勢必造成鍛造重量范圍縮小等問題。遇到這種情況，就只能在非加工面自由公差要求的部位微調(diào)它們的尺寸上、下限，使重量范圍盡量趨向總成范圍。但最終也達(dá)不到機(jī)加工后的組數(shù)范圍。最好的辦法就是更改一下設(shè)計(jì)參數(shù)使之符合客觀事實(shí)。

結(jié)束語

綜上所述，要想達(dá)到理想的連桿精度，必須從源頭抓起，從設(shè)計(jì)抓起，抓住影響質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和關(guān)鍵工序，只有這樣才能制造出理想產(chǎn)品。