发动机连杆裂解加工的新技术

发动机连杆裂解加工的新技术

一、概述

连杆是发动机中高精度的关键零件，由连杆体、连杆盖共同组成。在传统制造工艺中，连杆体与盖的制造有两种方法：1)连杆体与盖整体锻造→锯切分离→接触面机加工→装配。2)连杆体与盖分别锻造→接触面机加工→装配。采用上述两种工艺，不仅需对连杆体与盖的结合面进行拉削、铣削和磨削，还要钻、铰连杆盖上的定位销孔和连杆的螺纹孔，以实现连杆体与连杆盖精确装配。因此，需要较多精加工机床，复杂的加工工序及大量的加工工时。

发动机连杆裂解（也称“胀断”）加工技术是对连杆体与盖结合面进行无屑断裂剖分加工的新技术，具有加工工序少，设备投资小，制造成本低，产品质量好，装配精度高，承载能力强等诸多优点。从某种意义上讲，连杆裂解新技术已成为一个国家发动机连杆制造业发展水平的重要标志。其原理是通过在连杆大头孔中心处设计并预制缺口(预制裂纹槽)，形成应力集中，再主动施加垂直预定断裂面的载荷进行引裂，在几乎不发生变形的情况下，在缺口处规则断裂，实现连杆体与盖的无屑断裂剖分。

二、连杆裂解加工工艺

锻造的连杆毛坯，在实施裂解之前，先粗镗连杆大头孔，然后在其预定裂解处加工两个对置的沟槽，为应力集中点，见图1a。随后，将连杆大头孔套装到一台进行裂解的装置的两个半芯轴上，并将连杆进行定位和夹紧。然后利用冲击力，将用来胀裂连杆的楔插入上述半芯轴中，此时在楔的冲击下，连杆的大头孔在沟槽处被裂解为连杆体和连杆盖。见图1b

这种新工艺，使分离后的连杆和连杆盖能直接在断裂面处自然精确合装，无需加工配合面，达到了减少加工工序和减少加工机床的目的。此外，除连杆部分面具有较高的配合精度外，还由于其部分接触

面是凸凹不平的，大大提高了接触面积，从而提高了连杆承载能力。

三、裂解加工机理

（一）脆性断裂

该工艺的理论基础是断裂力学中的脆性断裂理论。据断裂力学可知，断裂过程中裂纹表面通常有3种位移形式，即张开型（Ⅰ型）、滑移型（Ⅱ型）、撕开型（Ⅲ型）。当物体受垂直于断裂平面的正应力拉力时，属张开型断裂，这是脆性断裂产生的形式和条件。脆性断裂具有以下发生特点：1)断裂时承受的工作应力较低，通常远远低于材料的屈服强度，塑性变形小；2)断裂受温度影响较大；3)断口方向与正应力相垂直。

连杆裂解正是依照脆性断裂的上述特点，通过在连杆大头内侧开出V型槽，然后施加垂直于预定断裂面的正应力，满足脆性断裂的发生条件，使连杆体与盖在不发生塑性变形的情况下被分离。应关注以下几个问题：连杆材料；V型槽形状与所需应力关系；操作温度。

（二）连杆材料

连杆的材料及其金相组织不仅影响产品性能和切削性，而且还决定可裂开性和断面质量，对裂解工艺起决定作用。为满足裂解加工的质量要求，连杆材料要在保证强韧综合性能指标的前提下，限制连杆的韧性指标，使断口呈现脆性断裂特征。

目前，用于裂解加工的连杆材料主要有粉末冶金材料和锻钢。早期裂解工艺加工连杆广泛采用的是粉末冶金材料，它具有良好的脆性断裂性能。其优点是粉末锻造毛坯的精确度高，可取消连杆毛坯粗加工，粉末冶金锻造连杆甚至在烧结成型时就可预压出裂纹槽，从而可取消初始裂纹槽加工工序。但粉末冶金连杆制坯成本较高，且其抗疲劳强度低于锻钢连杆，这限制了其应用的范围。锻钢连杆尺寸精度高，组织结构与力学性能好，尤其适用于大负荷、高转速的发动机以及对连杆具有高疲劳强度和高可靠性要求的场合。目前应用较广泛的锻钢连杆材料主要的是C70S6高碳微合金非调质钢。

（三）初始裂纹槽加工

初始裂纹槽质量对连杆裂解加工有着决定性的影响。设计初始裂纹槽的目的是制造缺口效应，提高应力集中系数，满足张开型断裂条件，保证断裂发生在预定位置，并有效降低裂解加工载荷，保证裂解加工质量。初始裂纹槽几何尺寸主要由3个参数决定，即槽深h、张角α和曲率半径γ，如图2所示。对于C70S6高碳微合金非调质钢为连杆材料：槽深h为0.4～0.6mm宜。槽深增加，裂解力会减小，但槽深过大，将使裂解后大头孔精镗余量加大，甚至会在精加工后仍存留裂纹槽痕迹。曲率半径γ应选择0.1～0.3mm范围内，当γ过大时将产生撕裂现象，并使连杆大头孔变形增大、断裂面啮合性能降低。在槽深与曲率半径不变条件下，裂纹槽张角α增加，所需的裂解力增加不大。

裂纹槽的加工不仅要保证适当的槽深、张角、曲率半径，而且应保证大头孔中心两侧的裂纹槽位置对称、槽深一致，减少槽深偏差。若两侧槽深不一致，则会产生一边开裂而一边未开裂的“单边断裂”现象。

（四）温度影响

断裂剖面如同冲压面一样，通常分为三区，由断裂源向外依次可分为纤维区、放射区、剪切唇(见图3)。当断面的放射区较宽时，表示材料的塑性差，脆性较大。反之，纤维区较大，表明材料的塑性及韧性较好。如何加大放射区宽度，缩小纤维区宽度，是实现脆性断裂的条件。

图4所示为温度对断口三要素各区大小的影响，材料为40Cr，从图中可见，当温度低于室温时，放射区即已显著增大，这样为室温下实施连杆的断剖工艺提供了实验保障。

四、裂解加工设备及工艺参数的设计

裂解设备是实施连杆裂解新技术的关键因素。其设计原则是：断裂力能瞬时突然作用，这是因为力的施加速度对实现脆性断裂有重要影响。在定向裂解过程中，必须限制大头孔变形，防止单边断裂或撕裂，保证断面啮合性。在这一过程中，连杆要牢固安装不能活动。在

分离过程中，连杆体、盖只能发生相背离的直线运动，任何连杆体、盖之间的相对转动，都会引起不必要的塑性变形导致将来不能进行正常的合装。

具有“背压”裂解功能的连杆定向裂解机床如图5。连杆定向裂解机床具有固定底座、连杆盖支座、连杆体支座，每个支座配有导轨，可使支座在一定范围内，沿导轨做垂直于断裂平面的移动，并采用下拉式楔形裂解机构，通过由液压缸驱动的楔形拉杆沿轴向直线运动，靠楔形的作用迫使专门设计的胀断移动套水平运动，对连杆大头孔施加水平作用力。在瞬时阶跃载荷的作用下完成连杆大头的高精度、高质量、快速裂解过程。

为保证裂解质量，可采用“背压”裂解加工方法。裂解前，向连杆盖端螺栓孔施加背压力р，通过控制、调整背压力р与裂解主动载荷F的大小比例关系，可获得性态优良的断裂面，如图6所示。研究表明，背压力与裂解力的大小比例关系为1：3～1：4为宜。

五、结束语

连杆是发动机上的关键零件，也是锻造与机械加工最为典型的零件。传统的加工方法需要几十道工序，并且加工精度与装配质量的控制难度大、生产率低，制造成本高。连杆裂解加工新技术具有加工工序少，节省精加工设备，产品制造精度高，生产成本低等优点，是发动机连杆制造技术的发展方向。连杆裂解加工技术和装备两个方面的成果转化和生产应用，可推动我国发动机关键零部件制造技术与核心装置的创新与跨越式发展。