馬燕

摘 要：在發(fā)動(dòng)機(jī)中，連桿是十分重要的零部件，其加工手藝和設(shè)備很大程度反映了發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)的水平。與傳統(tǒng)的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的剖分式連桿裂解機(jī)制和過(guò)程進(jìn)行分析，以期為相關(guān)的研究帶來(lái)啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)；連剖分式；連桿；裂解機(jī)制

中圖分類(lèi)號(hào)：U464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)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(lái)，隨著人們生活水平的提高，汽車(chē)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(shù)具有廢品率高、成本高、工序復(fù)雜等問(wèn)題，已經(jīng)不能很好的滿(mǎn)足現(xiàn)代連桿制作的需求。因此，研究低成本、節(jié)材、優(yōu)質(zhì)價(jià)廉、降耗的連桿加工技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。連桿裂解技術(shù)是上世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的的一種新工藝，從根本上改變了連桿加工方式，促進(jìn)連桿加工工藝發(fā)生了重大的變化。

1 剖分式連桿裂解機(jī)制和過(guò)程

在分析剖分式連桿裂解機(jī)制和過(guò)程時(shí)，我們可以根據(jù)脆性固體斷裂力學(xué)的相關(guān)知識(shí)：如果存在裂紋，脆性合金材料的應(yīng)力將會(huì)十分集中，這時(shí)如果承載在低于材料的強(qiáng)度，那么脆性合金材料將會(huì)將會(huì)發(fā)生解理型低應(yīng)力脆斷，進(jìn)而使塑性變形變小，并且斷口的方向垂直于正應(yīng)力方向。對(duì)剖分式連桿裂解機(jī)制進(jìn)行分析時(shí)，主要就是依照上述這一原理[1]，如下圖1所示。在其加工過(guò)程中，涉及的內(nèi)容包括：其一，在整體鍛造的連桿毛坯大頭孔內(nèi)側(cè)，制作出兩條對(duì)稱(chēng)的裂紋槽，初步形成斷裂源；其二，在連桿上施加一個(gè)正應(yīng)力，而且這個(gè)正應(yīng)力應(yīng)當(dāng)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(jìn)行精確的復(fù)位。

1.1 裂解連桿材料

在進(jìn)行裂解時(shí)，連桿材料應(yīng)當(dāng)具有一定的特性，具體來(lái)說(shuō)，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(cuò)形狀。與此同時(shí)，裂解連桿材料應(yīng)當(dāng)具有較好的機(jī)加工性能和高強(qiáng)度。當(dāng)前，我們進(jìn)行連桿裂解時(shí)，多采用的材料包括粉末冶金、可鍛鑄鐵、微合金非調(diào)制碳鋼以及球墨鑄鐵。其中，微合金非調(diào)制碳鋼的使用范圍是最廣的，它的組織和力學(xué)性能相對(duì)比較好，因此獲得了很廣泛的使用。

1.2 初始裂紋槽的預(yù)制

隨著裂解加工技術(shù)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(dāng)前，我們?cè)陬A(yù)制初始裂紋槽時(shí)，多在整體鍛造的連桿毛坯大頭孔內(nèi)側(cè)，加工兩條對(duì)稱(chēng)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(shì)。裂紋槽幾何尺寸確定時(shí)，主要依據(jù)槽深h、曲率半徑r以及張角α這3個(gè)參數(shù)。根據(jù)相關(guān)的研究證明，要想使應(yīng)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(jìn)行裂解槽加工時(shí)，水刀、機(jī)械拉削、激光加工以及線(xiàn)切割等都是十分常見(jiàn)的方法，其中激光加工具有易裂解、速度快、切槽深等優(yōu)勢(shì)，在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中有廣泛的應(yīng)用[2]。

1.3 裂紋的受載擴(kuò)展過(guò)程

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

2 剖分式連桿裂解加工工藝

2.1 機(jī)械式裂解加工設(shè)備及工藝

2.1.1 芯軸脹套式

在這個(gè)類(lèi)型中，一般連桿的大頭孔中都會(huì)安裝增力機(jī)構(gòu)，這個(gè)增力機(jī)構(gòu)是由脹套和楔形芯軸組成的，并通過(guò)液壓活塞桿，可以使楔形芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，進(jìn)而使其開(kāi)始有關(guān)的脹套運(yùn)動(dòng)，在脹套運(yùn)動(dòng)的作用下，大頭孔內(nèi)壁將會(huì)承受徑向載荷，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后將發(fā)生脹斷。在對(duì)連桿進(jìn)行分裂時(shí)，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(guó)ALFING公司制作連桿時(shí)，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(shí)，先將預(yù)制有裂解槽的連桿工件放置在工作臺(tái)，楔形芯軸將會(huì)在一定力的作用下向下運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)楔形面使裂解動(dòng)套向外運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)裂解。德國(guó)ALFING公司生產(chǎn)出來(lái)的這個(gè)設(shè)備采用準(zhǔn)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(guān)的研究表明，在芯軸脹套式這一類(lèi)型的工藝中，連桿脹斷后的爆口現(xiàn)象是最主要的問(wèn)題。導(dǎo)致連桿爆口產(chǎn)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(duì)裂解槽進(jìn)行加工時(shí)，配置的激光切槽機(jī)應(yīng)當(dāng)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(shì)器參數(shù)、管徑、閥通徑、回路、液壓缸參數(shù)等都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的影響。因此對(duì)液系統(tǒng)的要求較高，只有高水平的液壓系統(tǒng)才會(huì)更好的對(duì)加載速度進(jìn)行控制。

2.1.2 液壓活塞式

在這個(gè)類(lèi)型中，沒(méi)有楔形塊結(jié)構(gòu)，而是直接在大頭孔的動(dòng)套和定套之間設(shè)置相關(guān)的液壓活塞及油路，然后促使液壓油缸推動(dòng)活動(dòng)運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，最終促進(jìn)連桿實(shí)現(xiàn)裂解。下圖4為美國(guó)MTS生產(chǎn)的裂解設(shè)備，它所采用的生產(chǎn)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(zhì)量很好，但是這種工藝對(duì)于裂解設(shè)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(duì)設(shè)備元件的密封性要求十分嚴(yán)格，這將會(huì)在一定程度上使設(shè)備的成本增加。

2.1.3 水平滑塊式

在這個(gè)類(lèi)型中，進(jìn)行相關(guān)的驅(qū)動(dòng)時(shí)，主要是通過(guò)驅(qū)動(dòng)滑塊體，將具有裂解動(dòng)套的滑塊體裝在相關(guān)的設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)[4]。下圖5為美國(guó)福特公司采用水平滑塊式工藝生產(chǎn)的裂解設(shè)備，它的連桿大頭孔中安裝有裂解動(dòng)套和定套，其中裂解動(dòng)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(jìn)行定位座定位時(shí)，主要是借助大端孔和小端孔。在進(jìn)行裂解工作時(shí)，滑塊將會(huì)在液壓缸的驅(qū)動(dòng)下，不斷的向外發(fā)生運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使裂解定套可以對(duì)大頭孔內(nèi)壁加載，最終使連桿體和連桿蓋分開(kāi)。這種方式制作的裂解設(shè)備，連桿大端保持有背壓力主要是通過(guò)大頭壓塊實(shí)現(xiàn)的，并使連桿斷裂面的質(zhì)量獲得保障，促進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量的提高。但是這種機(jī)械系統(tǒng)需要保證桿端和蓋端的定位和導(dǎo)向，而且由于機(jī)床定位系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜，裂解設(shè)備的設(shè)計(jì)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(jìn)行局部加熱加工時(shí)，對(duì)鋼制連桿大端的分割區(qū)進(jìn)行相關(guān)的照射時(shí)多采用等離子體、激光或者高能電子束等方法，并在照射結(jié)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(chǔ)，促使連桿實(shí)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(shí)現(xiàn)脆斷分離。但是這種工藝存在一個(gè)很大的問(wèn)題，等離子體、激光或者高能電子束在對(duì)分割區(qū)進(jìn)行照射時(shí)，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(fēng)險(xiǎn)，這將導(dǎo)致連桿的局部機(jī)械強(qiáng)度弱化，并且預(yù)定分割部位斷裂也不能獲得很好的保障，這種工藝的適應(yīng)性比較差。

2.2.2 冷凍脆化式

就冷凍脆化加工方法來(lái)說(shuō)，它認(rèn)為需要提出，如果將連桿置于-60°C～-90°C的環(huán)境中，時(shí)間大致為5min左右，將改變材料的延展性，并進(jìn)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(guò)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(jìn)行冷凍，這樣會(huì)將會(huì)成本。如果連桿材料是難以冷脆的，可以使用液氮實(shí)現(xiàn)零下190°C的冷凍[5]。在這種連桿制作工藝中，多是對(duì)連桿進(jìn)行整體脆化，這將會(huì)降低連桿的機(jī)械強(qiáng)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(kāi)，斷裂載荷必須很大，由此需要斷裂裝置變大，進(jìn)而需要增加更多的設(shè)備投入，使用這種工藝需要對(duì)連桿材料進(jìn)行深入的研究。

2.3 疲勞裂解法

這個(gè)類(lèi)型的裂解方法，其理論依據(jù)是疲勞斷裂原理和應(yīng)力集中效應(yīng)，加載過(guò)程中，需要使用周期性疲勞載荷，對(duì)帶有預(yù)制裂解槽的連桿大頭端進(jìn)行重復(fù)加載，直至連桿體和連桿大端分離開(kāi)來(lái)。如下圖6所示，連桿小端在工作臺(tái)平面上，將移動(dòng)芯軸而安裝在連桿大端，并在工作臺(tái)面上設(shè)置了導(dǎo)軌槽，大端滑動(dòng)座上下循環(huán)加載，進(jìn)行促使連桿大端內(nèi)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(jìn)能耗的降低，即便連桿材料是延性材料，斷裂面也不會(huì)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(kuò)展，其應(yīng)用前景也十分的廣泛，它實(shí)際上是綠色裂解的代表。但是應(yīng)該注意，采用疲勞裂解工藝時(shí)，加載方式相對(duì)比較單一，主要就是采用直線(xiàn)式定向加載，這使得大頭孔不能很好的均勻受載[6]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，當(dāng)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(jìn)步，但是適用的材料十分有限，有待進(jìn)一步的研究。隨著新技術(shù)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(wèn)題，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

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