虞積民

（上海交運(yùn)集團(tuán)股份有限公司汽車零部件制造分公司，上海 201206）

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件，連桿受到復(fù)雜變化的交變載荷的作用，因此發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的的生產(chǎn)質(zhì)量直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能和可靠性[1]。因?yàn)檫B桿是發(fā)動(dòng)機(jī)重要的運(yùn)動(dòng)部件，所以要求連桿有很高的加工質(zhì)量精度，必須保證連桿表面無折疊、裂紋和橫向磨痕等缺陷，這就意味著對(duì)連桿的設(shè)計(jì)和加工有更高的要求。隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，連桿的需求量在不斷增加，許多新的制造加工工藝也在不斷應(yīng)運(yùn)而生，連桿作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件，其加工技術(shù)一直受到廣泛的關(guān)注。如何提高連桿的生產(chǎn)效率，提高加工精度，降低成本，延長連桿的使用壽命對(duì)現(xiàn)今各大汽車制造商具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)連桿制造技術(shù)的發(fā)展

1.1 連桿制造工藝的發(fā)展

表1 不同連桿制造工藝比較

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，連桿的需求量在不斷增加，因此出現(xiàn)了許多不同的加工制造工藝。目前，連桿坯料制造工藝主要有鑄造工藝、模鍛工藝、粉末鍛造工藝、常規(guī)粉末冶金工藝等，表1為連桿各種坯料工藝的比較。

從連桿的生產(chǎn)發(fā)展歷程可看出，粉末冶金零件的開發(fā)與應(yīng)用，和汽車制造業(yè)所追求的輕量化、改進(jìn)零件性能、降低生產(chǎn)成本、保護(hù)環(huán)境等目標(biāo)息息相關(guān)。因此汽車制造業(yè)中，粉末冶金連桿的生產(chǎn)與發(fā)展已得到越來越廣泛的應(yīng)用。

1.2 連桿加工工藝

連桿作為發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵零部件，其加工技術(shù)一直受到廣泛的關(guān)注。隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展，許多制造加工的新工藝新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。連桿裂解工藝就是上世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一項(xiàng)連桿加工新技術(shù)。圖1為傳統(tǒng)工藝與裂解工藝的比較。

圖1 傳統(tǒng)連桿加工與裂解工藝比較

1.3 粉末鍛造與裂解工藝相結(jié)合

LDK發(fā)動(dòng)機(jī)連桿坯料制造采用粉末鍛造工藝，連桿體與連桿蓋分離面的制造采用裂解加工工藝，由于制造 LDK發(fā)動(dòng)機(jī)連桿采用了粉末鍛造與裂解工藝相結(jié)合的工藝，故其相對(duì)于傳統(tǒng)連桿很大的優(yōu)勢。

2 分析連桿的結(jié)構(gòu)工藝性

連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)中主要傳動(dòng)部件之一，它的功用是將活塞承受的力傳給曲軸，并將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。它主要由小頭、桿身和大頭組成。大頭為分開式結(jié)構(gòu)，連桿體與連桿蓋用螺栓連接，并與曲軸裝配在一起。連桿的結(jié)構(gòu)形式，直接影響機(jī)械加工工藝的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。LDK汽油機(jī)連桿為大量生產(chǎn)，因此其在結(jié)構(gòu)工藝方面有很高的合理性。

3 研究連桿加工工藝路線

制定工藝路線的出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)是使零件的幾何形狀、尺寸精度及位置精度等技術(shù)要求能得到合理的保證。由于發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的加工為大批大量生產(chǎn)，應(yīng)該廣泛采用先進(jìn)工藝和高生產(chǎn)率的專用機(jī)床，實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工、連桿蓋和連桿體裝配、稱重、檢驗(yàn)、清洗和包裝等工序自動(dòng)化。除此以外，還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)效果，以便降低生產(chǎn)成本。加工工藝路線考慮的因素可歸納為表2：

表2 加工工藝路線考慮的因素

綜上所述，并根據(jù)機(jī)加工順序原則“先粗后精、先主后次，先面后孔、基面先行”對(duì)連桿加工進(jìn)行合理的工藝路線的設(shè)計(jì)，連桿加工工藝流程圖如下：

圖2 LDK 2.0T發(fā)動(dòng)機(jī)連桿加工工藝流程圖

4 連桿裂解有限元分析

連桿裂解加工工藝與傳統(tǒng)的連桿加工工藝相比有很明顯的優(yōu)勢，也是連桿制造技術(shù)的發(fā)展方向。但是，生產(chǎn)制造企業(yè)非常關(guān)注預(yù)留裂解槽尺寸與裂解力大小對(duì)連桿裂解的影響，采用有限元仿真分析方法試圖解決并了解兩者之間的關(guān)系對(duì)制造企業(yè)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4.1 連桿模型的建立與導(dǎo)入

為提高有限元的分析和計(jì)算效率，最終取連桿大頭端的二分之一作為有限元分析對(duì)象。為了便于清理和導(dǎo)入，LDK發(fā)動(dòng)機(jī)連桿模型直接在UG中進(jìn)行了簡化處理，處理結(jié)果模型如圖3所示，導(dǎo)入HyperMesh中的連桿模型如圖4所示。

圖3 連桿三維模型

圖4 連桿有限元模型

在導(dǎo)入HyperMesh之后，接下來就是對(duì)連桿模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于有限元將一個(gè)連續(xù)的整體離散成不連續(xù)的個(gè)體單元，因此，將單元?jiǎng)澐值迷郊?xì)誤差會(huì)越小。但事實(shí)上考慮到計(jì)算資源的限制，不可能無限小的細(xì)化網(wǎng)格。最終網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 連桿有限元網(wǎng)格劃分圖

連桿材料為粉末冶金材料，洛氏硬度為 21-30，屈服強(qiáng)度為601MPa，抗拉強(qiáng)度為947MPa。定義材料屬性時(shí)輸入彈性模量E與泊松比ν。

根據(jù)裂解過程中的受力分析，可以對(duì)裂解進(jìn)行合理簡化：假定連桿在起裂解前受到的是靜力作用，可以忽略速度、動(dòng)量的影響；把蓋端所受到的作用力和預(yù)緊力的合力設(shè)為裂解力。

最終施加約束和載荷的模型圖如圖6所示。

圖6 連桿有限元載荷約束圖

4.2 連桿仿真計(jì)算結(jié)果

4.2.1 連桿裂解力大小

在不同大小的裂解力作用下對(duì)連桿漲斷效果進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖7所示：

已知粉末冶金材料抗拉極限值，由圖7可看出，當(dāng)裂解力為65KN時(shí)，裂解槽區(qū)域的應(yīng)力正好大于連桿的抗拉極限，即當(dāng)裂解力為65KN時(shí)連桿正好漲斷，為最佳漲斷力。

圖7 不同漲斷力下連桿應(yīng)力分布云圖

4.1.2 裂解槽對(duì)塑性區(qū)的影響

（1）當(dāng)連桿漲斷力為65KN時(shí)，將無裂解槽的模型與有裂解槽的模型進(jìn)行分析比較，其結(jié)果如圖8所示：

圖8 連桿漲斷應(yīng)力分布云圖

（2）當(dāng)連桿漲斷力為65KN時(shí)，將不同槽深的連桿有限元模型進(jìn)行分析比較，其結(jié)果如圖9所示：

圖9 不同裂解槽連桿應(yīng)力分布云圖

4.3 仿真結(jié)論分析

由以上有限元仿真分析結(jié)果可知：

（1）當(dāng)裂解力為65KN時(shí)，裂解槽區(qū)域的應(yīng)力正好大于連桿的抗拉極限，即當(dāng)裂解力為65KN時(shí)LDK發(fā)動(dòng)機(jī)連桿正好漲斷，為最佳漲斷力。

（2）通過有限元分析，分析裂解區(qū)應(yīng)力狀態(tài)，得出有裂解槽的模型在裂解槽處有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其相對(duì)于未預(yù)制裂解槽的連桿，能保證更高的裂解質(zhì)量。

（3）通過對(duì)不同槽深的有限元模型比較分析，可知裂解槽深度對(duì)裂解塑性區(qū)域影響很大，隨著槽深的增大對(duì)裂解區(qū)的影響也增大。

5 結(jié)論

本文對(duì) LDK發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的機(jī)械加工工藝完全符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與使用要求。連桿的制造加工通過運(yùn)用粉末鍛造和裂解新工藝相結(jié)合，大幅度減少了連桿加工工序，大大降低了整個(gè)生產(chǎn)成本。

本課題首次探索性地使用的有限元軟件，仿真模擬分析了連桿裂解時(shí)的漲斷力與裂解槽尺寸對(duì)裂解的影響，為企業(yè)今后粉末冶金毛坯制造裂解槽尺寸的預(yù)留及漲斷工藝及機(jī)床的選擇設(shè)計(jì)，以及CAE分析奠定了基礎(chǔ)。