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发动机连杆断裂剖分新技术

作者: 来源: 发布时间:2018-2-11 16:12:47  点击数:368
一、引言
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,连杆体和盖的制造依赖两种方法:1)连杆体和盖整体锻造→锯切分离→接触面机加工→装配。2)连杆体—盖分别锻造→接触面机加工→装配。采用上述两种工艺,不仅需对连杆体和盖的联接面进行铣削和磨削,并且在该联接面上还要钻铰螺栓定位孔和攻螺纹孔,或者切制端面齿,钻铰定位销孔和钻螺栓孔等,以便将来能使连杆体—盖实现精确合装。为此,需要较多的加工机床,经过十几道工序,耗费大量的加工工时。
针对连杆传统制造工艺中的缺点,为了降低制造费用和工时,提高配合精度,连杆断裂剖分工艺被提出,并首先于80年代中,由alfling公司在德国申请专利。其后,有关研究不断在美、德获得进展。进入90年代,该工艺在工业发达国家进入实际应用生产阶段。适用的毛坯由最初的粉末锻造连杆,发展到中高碳钢锻造连杆,使用的厂家覆盖了美国三大汽车公司,以及德国奔驰、宝马等著名企业。目前国内应用该技术的厂家是一汽大众发动机厂,引进德国技术装备,适用于每缸五气门新型发动机连杆。
二、连杆断裂剖分工艺
锻造的连杆毛坯,在实施断裂剖分之前,先粗镗连杆大头孔,然后在其预定断裂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断裂剖分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断裂剖分为连杆体和连杆盖,见图1b。

a)开槽的连杆 b)断裂剖分工艺示意
图 1 连杆断裂剖分工艺示意图
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,除连杆剖分面具有较高的配合精度外,还由于其剖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、断裂剖分机理
1.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三种位移形式,即张开型、前后滑移型、平面剪切型。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。
连杆断剖工艺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,使连杆体一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:1)毛坯材料;2)v型槽形状与所需应力关系;3)操作温度。
2.毛坯材料
由于脆性材料更易发生脆性断裂,适于采用断剖工艺制造的连杆,主要采用下述三种材料的毛坯:1)粉末锻造毛坯;2)可锻铸铁;3)70高碳钢。这三种材质的毛坯,室温下可实现脆性断裂,连杆大头孔不产生明显塑性变形,其变形量≤40μm,经机加工后,其圆度误差可减为3μm。此外,45~55锻钢毛坯也可使用断剖技术进行连杆制造,但必须保证在-40℃时,才可实现脆性断裂,保证胀裂后的变形足够小。
3.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 2)。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 2 断口剖面示意

图3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。力学性能与40cr相近的70以上碳钢,同样符合图 4所显示的温度分区趋势。

图 3 温度对脆性断裂的影响

图 4 断裂强度与裂纹深度的关系曲线
4.沟槽深度a与断裂强度的关系

由图4可见,裂纹(v形槽)深度与断裂强度σc成反比,即对于一定的应力值,存在着一个临界的裂纹深度ac,当裂纹深度小于此值时,裂纹是稳定的,只有大于此值时,裂纹失稳,裂纹愈深,材料的临界断裂应力愈低。深度a与σ的关系如下:

当带缺口的结构受外力时,在裂纹尖端附近产生一应力强度因子kic(又称材料断裂韧性值)控制的应力。当外力增加时,裂纹尖端的应力强度因子随之增加,当ki达到某一临界值kic时,裂纹发生失稳,结构脆性断裂,即ki≥kic。
对于一定的材料,kic为一常值,可查表求出,也可通过测试方法确定(更加精确)。kic值越低,越易发生脆性断裂。因而对kic值的测试计算,应是研究断剖机理的重点。
根据kic原理,对于一个给定尺寸的缺口可以计算出作用应力。反之,对于给定作用应力的构件,可以预测临界裂纹尺寸。这一原理为连杆断裂剖分提供了设计依据。
四、断剖装置的设计
设计合理的断裂剖分装置是实施断裂剖分的关键因素。其设计原则是:1)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。2)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。
断剖装置主要包括: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,还具有可插入楔块进行分离的分瓣芯轴等。
五、结束语
由于连杆剖分新工艺具有后续加工工序少,制造成本低、连杆体、盖装配精度高、剖分面承载能力高等优点,目前这种新工艺在国外连杆生产线中得到迅速推广。随着我国汽车工业的发展,各种先进制造技术的开发应用是提高汽车产品质量、降低成本的必然途径。因此,应在这一领域加大研究开发力度,为今后在我国推广这一新工艺做好技术储备。

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