王 曉, 柯慶鏑, 趙倫武, 路蘇君

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

曲軸連桿作為汽車的核心零部件,通過(guò)燃燒室內(nèi)空氣的劇烈膨脹推動(dòng)活塞在活塞缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng),并將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鬏S的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)外界做功。在活塞的往復(fù)運(yùn)行過(guò)程中,連桿大端孔頸和曲軸不斷產(chǎn)生疲勞沖擊導(dǎo)致磨損和疲勞裂紋,引起發(fā)動(dòng)機(jī)整體振動(dòng)破壞失效,因此針對(duì)連桿進(jìn)行再制造修復(fù),使得連桿的性能得到恢復(fù)很有必要[1]。

常見(jiàn)的再制造修復(fù)手段有等離子噴焊、電鍍、激光熔覆、冷焊等增材修復(fù)技術(shù)[2-3]。等離子噴焊使用等離子弧作為熱源,合金粉末作為填充材料,能夠達(dá)到一個(gè)較高的修復(fù)質(zhì)量[4];而電鍍、激光熔覆、冷焊等其他技術(shù)不合適用于修復(fù)連桿孔頸[5-7]。修復(fù)后的檢測(cè)手段有渦流檢測(cè)、弱磁檢測(cè)、超聲檢測(cè)等。渦流檢測(cè)[8]是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ),僅僅能夠檢測(cè)出工件近表面缺陷的存在,有較大的局限性;弱磁檢測(cè)[9]對(duì)于裂紋尖端的檢測(cè)效率較高,適用于微裂紋的檢測(cè),對(duì)于裂紋的長(zhǎng)度和寬度無(wú)法定量;超聲檢測(cè)[10-12]是指采用超聲波作為載體,在傳播中遇到缺陷時(shí)反射波能量的衰減等線性特征進(jìn)行評(píng)價(jià),經(jīng)過(guò)信號(hào)算法處理,在C掃顯示屏上呈現(xiàn)缺陷的具體形狀和大小,比較適合鐵基材料連桿的缺陷檢測(cè)。

目前已有許多關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的研究。文獻(xiàn)[13]使用Workbench對(duì)曲軸連桿進(jìn)行建模和有限元接觸分析,對(duì)曲軸連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)包括沉割圓角、柱銷孔偏心距等;文獻(xiàn)[10]采用小波分析方法配合指數(shù)函數(shù)對(duì)其進(jìn)行擬合,初步實(shí)現(xiàn)缺陷定量的無(wú)損評(píng)價(jià);文獻(xiàn)[14]使用ANASYS仿真得到連桿的局部應(yīng)力應(yīng)變分布,基于Miner疲勞損傷理論分析出連桿的極限疲勞強(qiáng)度,并對(duì)其剩余疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè);文獻(xiàn)[15]運(yùn)用非線性多體動(dòng)力學(xué)軟件Avl-Exctte建立曲軸的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)選擇流程,確定了曲軸的最佳再制造時(shí)機(jī);文獻(xiàn)[16]分析發(fā)電柴油機(jī)連桿大端內(nèi)孔在使用中圓度誤差變大的原因,并檢驗(yàn)該實(shí)踐證明效果良好;文獻(xiàn)[17]分析了不同工序?qū)ぜ庸ぷ冃斡绊懽钚〉淖罴逊桨?并找出該最佳方案下表面壓應(yīng)力和最大變形的出現(xiàn)位置;文獻(xiàn)[18]確定了所有接觸表面之間的接觸應(yīng)力情況,得出連桿失效機(jī)理;文獻(xiàn)[19]研究了對(duì)連桿體大端孔、軸瓦的加工修復(fù)和使用。

上述研究和實(shí)踐探索說(shuō)明，曲軸連桿組件的使用壽命預(yù)判、曲軸連桿的再制造修復(fù)、曲軸連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)、曲軸連桿的最大應(yīng)力分布和薄弱區(qū)域、超聲設(shè)備對(duì)曲軸連桿的缺陷檢測(cè)等在實(shí)際工程中的可行性。本文對(duì)連桿進(jìn)行力學(xué)建模,分析出應(yīng)力集中區(qū)域并進(jìn)行再制造修復(fù),以不同的修復(fù)層深度為控制變量,以修復(fù)后的疲勞壽命來(lái)判斷修復(fù)質(zhì)量。借助超聲相控陣設(shè)備,檢測(cè)不同運(yùn)行時(shí)間后連桿孔頸可能存在的微裂紋和磨損缺陷。

本文試驗(yàn)以不同的疲勞周次和缺陷信號(hào)為指標(biāo),表征不同深度再制造修復(fù)層對(duì)連桿大端孔頸疲勞壽命的影響規(guī)律,建立修復(fù)層深度與缺陷占比、疲勞壽命之間的線性回歸方程,實(shí)現(xiàn)再制造修復(fù)技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大端孔頸方面的應(yīng)用,為科學(xué)預(yù)測(cè)零件的剩余運(yùn)行周期提供一定的參考。

1 力學(xué)分析與建模仿真

1.1 結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

對(duì)曲軸連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)建模分析,如圖1所示,其中F1為氣體燃燒膨脹對(duì)活塞施加的力。

圖1 理論力學(xué)分析簡(jiǎn)圖

由圖1分析可知:

(1)

其中:F為連桿受到的外力大小;F1為氣體燃燒膨脹對(duì)活塞的內(nèi)燃?jí)毫Υ笮?并取一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的平均值;α為連桿與活塞運(yùn)動(dòng)方向的夾角。由(1)式可以得出連桿所受外力與活塞內(nèi)燃?jí)毫Τ蓴D壓交變應(yīng)力的關(guān)系。

在初始安裝時(shí)連桿孔頸與曲軸為柱面結(jié)合,如圖2a所示,服役后如圖2b所示。

圖2 接觸分析簡(jiǎn)圖

在服役過(guò)程中由于長(zhǎng)期磨損,使得軸瓦與連桿孔頸之間的結(jié)合精度下降,產(chǎn)生尺寸空隙，從柱面結(jié)合演變成線結(jié)合,導(dǎo)致疲勞磨損進(jìn)一步加重,見(jiàn)圖2b；同時(shí)曲軸與連桿間存在極大的瞬時(shí)接觸應(yīng)力，容易導(dǎo)致極壓油膜侵入連桿表面微小裂紋和凹坑處并使其進(jìn)一步擴(kuò)展,最終疲勞破壞突然發(fā)生,連桿表面材料脫落，引發(fā)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)破壞。

1.2 連桿簡(jiǎn)化分析

根據(jù)圖2的接觸分析,建立以連桿徑向尺寸為延伸方向的力學(xué)示意圖,如圖3所示。

圖3 徑向應(yīng)力分析

連桿在服役后,結(jié)合性能下降,連桿大端孔頸內(nèi)側(cè)的最底處持續(xù)受到較大擠壓交變應(yīng)力,對(duì)此時(shí)連桿與軸瓦的結(jié)合面狀態(tài)進(jìn)行力學(xué)建模,如圖4所示。

圖4 服役后連桿與軸瓦工程實(shí)際力學(xué)建模

由圖4的最終演化力學(xué)模型可知:

其中:F為曲軸對(duì)連桿的力;F′為燃燒室內(nèi)燃?jí)毫Φ囊隽?Fi(i=1,2,…,n)為分散在連桿大端的不均勻反作用力。

上述理論闡明了連桿與曲軸之間的受力形式,明確了研究對(duì)象的受力狀態(tài)。因此對(duì)連桿和曲軸進(jìn)行建模和仿真來(lái)驗(yàn)證缺陷演化機(jī)理,找出連桿大端孔頸的薄弱區(qū)域。

1.3 仿真分析

采用模擬仿真來(lái)驗(yàn)證上文理論的正確性。取服役后的連桿和曲軸為研究對(duì)象,建立仿真模型,如圖5所示。由于曲軸四周為均勻磨損,將曲軸視為剛體。

圖5 曲軸連桿仿真分析

從仿真結(jié)果可以清楚地看出連桿最底端為應(yīng)力集中區(qū)域，連桿的側(cè)面顯示較低的壓應(yīng)力。這驗(yàn)證了上文的缺陷演化理論，也為下文的裝機(jī)運(yùn)行提供了基礎(chǔ),具體缺陷演生形式在缺陷檢測(cè)章節(jié)詳細(xì)描述。

2 試樣制備

2.1 制備試樣

由上述理論分析可知，連桿大端的應(yīng)力集中在大端孔頸最底處,此區(qū)域在承受最大往復(fù)徑向交變應(yīng)力的同時(shí),還與軸瓦間不斷產(chǎn)生橫向摩擦磨損。

以連桿大端孔頸最底處為研究對(duì)象,人工模擬孔頸表面存在的微小缺陷,再通過(guò)線切割加工去除該區(qū)域微小缺陷。

使用等離子噴焊進(jìn)行再制造修復(fù),之后采用機(jī)加工和研磨技術(shù),去除表面多余材料,恢復(fù)連桿大端的尺寸精度、表面粗糙度、應(yīng)力分布,以及確認(rèn)連桿體的無(wú)缺陷狀態(tài)。

采用數(shù)控電火花線對(duì)連桿大端孔頸應(yīng)力集中區(qū)切割出不同深度的凹槽,精度可達(dá)0.1 mm。凹槽深度h數(shù)據(jù)見(jiàn)表1 所列,制備試樣如圖6所示(單位為mm),將以上不同深度凹槽試樣分別編號(hào)為A、B、C、D共4組。

表1 試樣編號(hào)與深度關(guān)系

圖6 制備試樣

2.2 缺陷的修復(fù)

在目前的等離子噴焊修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域中,根據(jù)基材的屬性選擇不同的合金粉末,該合金粉末應(yīng)自溶性好、熔點(diǎn)較低。本文試驗(yàn)中基材連桿為45鋼,故采用Ni60合金粉末,該粉末具有良好的耐腐蝕、耐高溫氧化、耐磨粒磨損和沖擊磨損等優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于等離子噴焊設(shè)備的工藝參數(shù),采用預(yù)試驗(yàn)研究成果,為了使噴焊層具有較好的耐磨性和較高的硬度,選擇的工藝參數(shù)見(jiàn)表2所列,再制造修復(fù)后效果如圖7所示。

表2 噴焊工藝參數(shù)

圖7 試樣噴焊效果

2.3 機(jī)加工工藝

機(jī)加工為余量切除,保證孔頸的尺寸精度和表面質(zhì)量、連桿體的無(wú)缺陷狀態(tài),消除不均勻的內(nèi)應(yīng)力。

在應(yīng)力方面,采用噴焊前加熱焊后緩冷的方式盡可能降低。在尺寸精度和表面粗糙度方面，采用粗加工,半精加工再精加工3段工序。粗加工采用線切割工藝，以連桿小頭為定位基準(zhǔn)去除大端孔頸多余材料,精度可達(dá)0.1 mm;半精加工使用800 目的外圓砂輪進(jìn)行磨削處理,精度可達(dá)0.04 mm;精加工采用2 000目的外圓砂輪進(jìn)行珩磨處理,精度可達(dá)0.02 mm。

最終成品與原件相比無(wú)明顯差別,成品效果如圖8所示。

圖8 試樣機(jī)加工效果

3 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

3.1 超聲弧面檢測(cè)分析

電流通過(guò)探頭經(jīng)過(guò)晶振轉(zhuǎn)化為超聲波脈沖,超聲波透過(guò)圓弧楔塊上表面后無(wú)偏轉(zhuǎn),進(jìn)入楔塊中沿原路徑繼續(xù)傳播。當(dāng)聲波經(jīng)過(guò)楔塊圓弧面時(shí),折射聲波將呈不同角度的擴(kuò)散。取一個(gè)極小的角度對(duì)聲波進(jìn)行微分分析,當(dāng)角度極小時(shí)，將此角度所對(duì)應(yīng)的圓弧視為直線,忽略聲波的偏轉(zhuǎn),具體如圖9所示。當(dāng)聲波穿過(guò)圓弧面通過(guò)耦合劑第1次作用在孔頸熔覆層表面上被分為2個(gè)部分:一部分反方向傳播，稱為反射波,當(dāng)反射波被探頭接收后便形成一次回波,反應(yīng)了連桿孔頸的熔覆層表面質(zhì)量;另一部分穿過(guò)熔覆層，稱透射波,作用在連桿體外壁上并被反射回來(lái)，被探頭接收后稱一次底波。

圖9 聲波分析

3.2 工況分析

本文所研究的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿在初期磨合階段包括空載和低負(fù)載,逐漸加高負(fù)載到3.0 N·m,轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2 000 r/min;當(dāng)度過(guò)初期磨合階段后,轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2 200 r/min,通過(guò)慢慢增加負(fù)載來(lái)加大發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率。鑒于發(fā)動(dòng)機(jī)安全許用負(fù)載,取勵(lì)磁制動(dòng)20 N·m,如圖10所示。

圖10 功率與負(fù)載分析

連桿在正常磨損階段就會(huì)產(chǎn)生不同程度的點(diǎn)蝕和微裂紋,上文已經(jīng)分析過(guò)產(chǎn)生的原因和生長(zhǎng)規(guī)律。因此在正常磨損階段中后期,理論上用靈敏度較高的儀器就可以定性檢測(cè)出一定程度的缺陷,在從正常磨損過(guò)渡到劇烈磨損階段就能檢測(cè)出可能存在的宏觀缺陷并進(jìn)行定量化分析。

在本次試驗(yàn)中,有2個(gè)缺陷質(zhì)變的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)可以作為失效判據(jù):

(1)運(yùn)行時(shí)間。最初出現(xiàn)磨損、點(diǎn)蝕、微裂紋所運(yùn)行的時(shí)間,這是由連桿表面材料本身的性質(zhì)決定的。當(dāng)長(zhǎng)期受到交變應(yīng)力的擠壓和刮擦導(dǎo)致材料表面金屬溫度升高,在壓力和溫度等多重因素的作用下,連桿表面金屬原子和軸瓦之間發(fā)生原子擴(kuò)散和黏結(jié),連桿表面出現(xiàn)輕微點(diǎn)蝕、劃痕和磨損,連桿孔頸近表面內(nèi)部結(jié)合強(qiáng)度較低的區(qū)域出現(xiàn)空穴移動(dòng)、塌陷等肉眼不可見(jiàn)缺陷。

(2)缺陷信號(hào)強(qiáng)度。由于出現(xiàn)多個(gè)同種類型磨損,原有點(diǎn)蝕缺陷面積擴(kuò)大并伴隨部分材料脫落,微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大成為裂紋和縫隙。缺陷產(chǎn)生的根本原因仍然是長(zhǎng)期受到擠壓交變應(yīng)力和刮擦,連桿接觸表面局部金屬溫度較高,導(dǎo)致同一個(gè)區(qū)域多個(gè)地方產(chǎn)生點(diǎn)蝕。其中一部分點(diǎn)蝕區(qū)域相互融合成為肉眼可見(jiàn)的缺陷,另一部分點(diǎn)蝕區(qū)域和微裂紋融合成為肉眼可見(jiàn)裂紋,近表面以下的空穴和塌陷等缺陷進(jìn)一步擴(kuò)大,超聲檢測(cè)缺陷信號(hào)更為明顯。

3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)標(biāo)定及分析

在本次試驗(yàn)中,一共有4組連桿對(duì)應(yīng)不同再制造修復(fù)層深度。以試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)順利渡過(guò)磨合期后的試驗(yàn)時(shí)間節(jié)點(diǎn)為基準(zhǔn),對(duì)每支連桿進(jìn)行試驗(yàn),每磨合72 h后拆卸檢測(cè)標(biāo)定一次,一共磨合720 h,檢測(cè)10次,每支連桿得到不少于9次的數(shù)據(jù)集合。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)裝備如圖11所示。

圖11 試驗(yàn)設(shè)備

現(xiàn)以A號(hào)連桿為例:記錄A號(hào)連桿磨合時(shí)間結(jié)束為0天0時(shí),在轉(zhuǎn)速2 200 r/min,轉(zhuǎn)矩20 N·m的工況下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)72 h后拆卸檢測(cè)得到數(shù)據(jù)A1,并標(biāo)定缺陷位置、尺寸、深度;再將A號(hào)連桿安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上,調(diào)試到正常狀態(tài),同樣的工況負(fù)載下再次檢測(cè)標(biāo)定得到數(shù)據(jù)A2。將此試驗(yàn)步驟重復(fù)10次以上,去除異常檢測(cè)數(shù)據(jù)后得到9次以上的有效檢測(cè)數(shù)據(jù)集合{A1,A2,A3,…,A8,A9}。

依次進(jìn)行B、C、D連桿的試驗(yàn),得到數(shù)據(jù)如圖12所示。

現(xiàn)對(duì)圖12的C掃數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的缺陷進(jìn)行尺寸標(biāo)定,采用缺積占比來(lái)反應(yīng)缺陷的面積大小,取黃色圈(R113±15,G170±15,B233±15)及其內(nèi)部為特征進(jìn)行測(cè)量。缺陷占比標(biāo)點(diǎn)如圖13所示,將以上A組、B組、C組、D組圖示缺陷面積大小用以下公式來(lái)計(jì)算:

圖12 C掃圖

圖13 缺陷占比標(biāo)定

(2)

其中:p為缺陷占比;s為缺陷面積;l為連桿周長(zhǎng)的1/2;h為連桿的軸向深度。

由(2)式得出A、B、C、D各分組缺陷面積占比的總數(shù)據(jù)集合，繪制缺陷占比演化隨運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系,如圖14所示。

圖14 運(yùn)行時(shí)間與缺陷占比演化圖

由圖12和圖14可知,A號(hào)試樣從A1到A9缺陷面積的占比和缺陷程度不斷增加。從A1可以看出此時(shí)缺陷已經(jīng)萌生,缺陷信號(hào)比較微弱,連桿處于存在輕度點(diǎn)蝕情況,表面組織材料處于結(jié)合狀態(tài)；當(dāng)經(jīng)過(guò)更長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行,如A9,表面組織材料已經(jīng)產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)的空隙,在極壓油膜和交變應(yīng)力的雙重作用下近表面材料和連桿體發(fā)生脫離形成宏觀缺陷，并且由原本的3個(gè)獨(dú)立缺陷融合成1個(gè)大缺陷導(dǎo)致連桿表面局部脫落。

對(duì)比數(shù)據(jù)A1、B1、C1、D1可以明顯看出，連桿孔頸產(chǎn)生了不同形式的缺陷,但是再制造連桿的缺陷面積大小得到一定抑制。其中：C號(hào)和D號(hào)連桿多處缺陷萌生的現(xiàn)象已經(jīng)消失,準(zhǔn)確體現(xiàn)了再制造修復(fù)抑制缺陷產(chǎn)生的效果；從B號(hào)試樣的缺陷演化來(lái)看,存在3處缺陷萌生,結(jié)合對(duì)比A9的缺陷演化,B9的缺陷只是有擴(kuò)大趨勢(shì)并未融合,驗(yàn)證了再制造修復(fù)技術(shù)對(duì)連桿表面質(zhì)量的加強(qiáng)作用。

通過(guò)對(duì)比B組、C組、D組同期試樣可以發(fā)現(xiàn)，C號(hào)和D號(hào)試樣的缺陷面積相較于B號(hào)試樣要小,間接反應(yīng)了更深的修復(fù)層相較于淺的修復(fù)層對(duì)表面缺陷抑制作用更強(qiáng)。

現(xiàn)對(duì)各連桿性能的改進(jìn)進(jìn)行比較:

(1)以運(yùn)行720 h為指標(biāo),研究缺陷面積占比的演化率,結(jié)果如圖15所示。

圖15 不同缺陷占比

(2)以缺陷面積占比達(dá)到0.73%為指標(biāo),研究不同型號(hào)連桿的運(yùn)行時(shí)間,結(jié)果如圖16所示。

圖16 不同運(yùn)行時(shí)間

運(yùn)行時(shí)間改良指標(biāo)為:

(3)

缺陷占比改良指標(biāo)為:

(4)

其中，i表示B、C、D。

由(3)式和(4)式得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3所列。將表3進(jìn)行總結(jié)，繪制得到再制造修復(fù)深度改良指標(biāo)分析,如圖17所示。

表3 缺陷改良指標(biāo) %

圖17 改良指標(biāo)分析

由圖17可知,缺陷面積占比和運(yùn)行時(shí)間改良率分別與再制造修復(fù)層深度在一定范圍內(nèi)呈近似線性關(guān)系。

對(duì)2項(xiàng)指標(biāo)建立回歸方程,并對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，得到的曲線C1和C2分別與(5)式、(6)式對(duì)應(yīng)，即

C1:y1=-14.3x-4.31

(5)

C2:y2=121.1x-10.9

(6)

其中，(5)式、(6)式橫坐標(biāo)x的取值區(qū)間為[0.3,0.9],對(duì)應(yīng)再制造修復(fù)深度范圍。

由(5)式可知，曲線C1的斜率近似于-14.3,即再制造修復(fù)平均每增加0.1 mm,樣件的缺陷面積占比降低1.43%。

由(6)式可知,曲線C2的斜率近似于121.1,即再制造修復(fù)平均每增加0.1 mm,樣件的相對(duì)運(yùn)行壽命增加12.1%。

4 結(jié) 論

本文借助超聲相控陣技術(shù),通過(guò)擬合線性回歸方程,建立了修復(fù)連桿疲勞壽命、磨損缺陷占比和再制造修復(fù)深度的相互關(guān)系，即再制造修復(fù)深度平均每增加0.1 mm,連桿的相對(duì)疲勞壽命增加12.1%,磨損缺陷占比率降低1.43%。鑒于再制造修復(fù)面向近表層,對(duì)較深實(shí)體不做處理,故上述結(jié)果適用于連桿材料近表面1 mm。本文方法實(shí)現(xiàn)了再制造修復(fù)在發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大端孔頸修復(fù)方面的應(yīng)用,提高了零部件的耐磨性,為科學(xué)預(yù)測(cè)零件的剩余運(yùn)行周期提供了一定的參考。