（机械制造及其自动化专业论文）连杆自然剖分裂解面设置与工艺研究.pdf

江 苏 大 学 硕 士 学位论文 摘要 连杆是发动机中传递动力的重要部件，连杆裂解技术是连杆加工技术中的核 心技术，但是裂解连杆的材料还存在着限制，对于韧性材料，还不能适用于裂解 工艺。亟待寻求新工艺突破连杆材料的限制。 连杆裂解加工技术的原理是通过在连杆大头孔设计并预制缺口( 预制裂纹槽1 ) ， 形成应力集中，施加垂直于预定断裂面的载荷进行引裂，在几乎不发生塑性变形 的情况下，实现连杆体与连杆盖的无屑断裂剖分。 本文提出在金属材料的局部组织中人为的引入沿晶析出相、杂质元素，起到 弱化晶界作用，促使金属在某一局部组织塑性和韧性大大下降，并造成应力集中 产生晶界裂纹，通过施加外载使得裂解面分开，分离后的连杆体和连杆盖能在断 裂面处自然精确合装，无需机加工配合面。从而实现韧性材料连杆的裂解加工。 研究主要内容和结果如下： ( 1 ) 设计组合式铸造试验模具，通过在模具中连杆大头部预置适合的箔材促 使其与熔融的铝液相互作用，实现了冷却后形成脆性界面，再施加外载使得沿着 裂解面分开。在垂直分型面处设置相互配合的台阶与凹腔结构，用于箔材的定位 与固定。采用单浇口双流道的浇注系统，两个分流道对称分布，保证充型时两侧 熔融铝液能同时到达金属薄片，并几乎同时充满两个型腔。 ( 2 ) 进行了大量的工艺试验，以此作为依据，分析了金属箔材的种类、厚度以 及浇注温度对裂解质量的影响，试验证明0 1 2 m m 镁薄材的加入，在7 2 0 浇注温 度条件下得到的样品裂解后，断口呈现脆性，满足试验要求，并对试样开孔涨断 裂解后圆孔的圆度误差进行了分析。 ( 3 ) 应用界面层对材料断裂韧性弱化与局部应力集中的机理，从宏观和微观 的角度研究了裂纹产生的原因，裂纹的性质以及对脆性断口的形成影响，裂解面 的形成机制为：氧化膜搭接裂解面形成机制、液膜裂解面形成机制和显微疏松裂 解面形成机制。 研究表明，采用人为预制裂解面的工艺方法，可以突破裂解工艺对连杆材料 的限制，实现如铝合金、4 0 c r 钢等材料的连杆加工，此项技术的研究对我国汽车 连杆自然剖分裂解面设置与工艺研究 工业、发动机行业提高产品质量和生产率、降低生产成本、增加经济效益、增强 国内外市场竞争能力具有重要意义。 关键词：连杆；自然剖分；裂解面；脆性断裂 江 苏大学 硕 士 学位论文 n ec 0 仰e c t i n g 阳di s 锄i i i l p o r t a i l tp a r tw h i c ht r a n s m i t sp o 、e ri ne n 百n e e r c o m l e c t i n gr o dc r a c l 【i n gp r o c e 豁i st h ec o r et e c h n o l o g y o fm ec o n i l e c t i i l gr o dt e c h i l o l o g y w h i l et h ec r a c l 【i n gt e c l l i l o l o g yi sl i m i t e db ym a t e r i a l s ，i tc a 曲0 tb ef i tf o rd u c t i l e m a t e r i a l s ，i ti su 玛e n tt 0s e e kan e wt e d m o l o g yt ob r e a l 【t h r o u 曲r o dm a t e r i a l l i l l l i t s t h ep r m c i p l e0 fm ec 0 蛐e c t i i l gr o dc r a c 虹n gp r o c e s s i i 玛t c c i l i l o l o g yi sd e 缅e d 弱 d e s i 印锄dp r e f a b r i c a t e dg a p ( n o t c h ) i nt h eb i gh o l eo ft ：h ec o 皿e 曲n gr o d ，w h i c hf o 蛐s 鳓e s sc 0 i l c e m r a d o n e x t e m a lf o r c ei sa p p l i e dp e r p e n d i c u 王a d yt 0t h ep r e - 行a c ：t u r es u r f a c c t oc a u s e1 j r a c t u r e 丽t h o u tp l 嬲t i cd e f 0 仰a t i o n ，w i l i c hm a k c s 也e 川b o d ya n d 川c a p s c p a r a t e w i t h i l os c r a p i l lt t l i sp a p e r ，t l l el o c a lo 曙觚娩a d o no ft h em e t a li sa n i f i c i a l l ya d d e dp f e c i p i t a t i o n a l o i 培t l l e 伊豳a n di i n p u r i 哆e l e m e n t st 0w e a l 【e nt h e 伊a i l l ，p r o m p t i l l gg r e a 吐yd e 伊e 弱e d t h cd u c t n e 雒dt o u g l l i l e 豁o ft h em e t a li i lal o c a l0 唱a i l 也a t i o n s t r e s sc o n c e n t r a t i o n g e n e r a t e s 黟a i l lb o u n d a r yc r ac ：i 【s ，l o a d i s a p p l i e dt 0s e p 腻舰c r a c ：i 【i n gs u m 瞄，a f t e r su _ b d i v i s i o n ，r o db o d y 锄dr o dc a pc a i lb en a t t l r a l l ye x a c tc o - i 1 1 s t a l l e d 丽m o u tm a 蛐g m em a t i i 培s u r f a c e na c t l i e v e sd u c t i l em a t e r i a i l sc a nb e 璐e di l lc r a c k i n gp r o c e s s s t u d y a n dt h er e s u l t sa r ea sf b l l o w e d ( 1 ) d e s i g n 勰s e m b l e dm o l d ，s u i t a _ b l ef o ni sp r e s e ti i l 也eb i gh o l eo fm o l d ，b r i t t l e i i l t e r f a c ec a i lb eg e n e r 砷e da f t e ri i l t e r a c t i i 培w i t hm o l t e na l ，t h e nl o a di s 抽l p o s e dt 0 s 印a m t cc r a c l 【i n gs u 幡a c e s t e p sa n d n o t c h e sa r es e to r d i n a l e 、丽t h 髓c ho t h e rt o 血a i l d p o s i t i 伽m e t a lf o i l n eg a t i i l gs y s t e mw i mo n en l l m e r 觚d 铆os y 珏衄e t r i cd i s t r i b u t i o n n o wc 姐e 璐u r cb o ms i d e so fm o l t e na l l u m i i l 眦c a i lr c a c ht h ef o i la tt l l es a m et i i n e ，锄d a l m o s tm lm e 锕oc a _ v i t i e ss 蛔u l t a i l e o l l s l y ( 2 ) al a 喀en u m b e ro fp r o c e s s t e s t sa r eb a s i sf o ra n a l y z i n gt h ei i n p a 戍0 fm e t a if o n t y p e ，f o nt h i c k n e s s 锄dp o u 血gt c m p e r a t u r e so nc r a 凼n gq u a l i 哆t e s tr e s u l t ss h 佣咖 m eb r i m e 纳c t u r cc o u l dm e e tm ct e s tr e q u i r e m e n t sb ya d d i n go 1 2 蚴m gf o i l 锄d 仰d e r7 2 0 p o u 血gt e m p e r a t i l r e h o l er 0 皿d n e 豁e 盯0 ri s 锄a l y z e da f t e rc r a c l 【i n g s 锄p l e s ( 3 ) b a s e do nw e a k e n 矗a c t i 玳r o u g l l i l e s s 细dl o c a ls 骶豁c o n c c n t r a t i o nc a u s e db y i i l t e 血c el a y e r ，r e s e 种c ho nc r a c kp r o d u c e 锄di t si n l p a c to nb r i m e 丘a c t i l r ei sd o n et 0 f m dm r c ek m d s0 fc r a c 虹i 坞舳r f a c ef o m i i 塔m e c h a i l i s m ：t l l e0 x i d ef i l mo v e d a p c r 础gs u d a c ef o 加i n gm e c h a i l i s l n ，m el i q u i dm e i n b r a n em p t l l f ec r a c l 【i n gs l i r f a c c 连杆自然剖分裂解面设置与工艺研究 f 0 咖i n gm e c h 锄i s ma n dm i c r o 1 0 0 s ec r a c l 【i n gs u 渤c ef 0 肌i n gm e c h a i l i s m 黜u d i i 器t 蜥陀s h o w nt h a tm en e wp r o c e s sw h i c ha d o p t sm e m a i l m a d ep r e f 曲r i c a t c d d e a v a g es u r f a c ec 锄b r e a kt h el i l n i t o ft h ec r a c k i n gm a t e r i a l i tc a i lb ea p p l i e dt o a l 哪i n u ma l l o v 4 0 c rs t e e l 卸do t l l e rr e l a t c dm a t e r i a l s r e s e 砌lo nt h i st e c h n o l o g yi s s i 鲫i f i c a l l t l yf o rc h i i l e s e 撇0 b n ei i l d u s t r i a la i l de n 酉n eh t 0i m p r o v ep r o d u c t q u a l i 哆a i l dp r o d u 嘶i 吼r e d u c ep r o d u c 吐0 nc o s t s ，m c r e a s ce c o n o m i ce f f i c i e n c y ，锄d e i l l l 孤c et h ec o m p e t i t i v e n e s so fd o m e s t i ca i l df 6 r e i 印m a r k e t s k e y w o r d s ：c o m l e c t i i l gr o d ；n a t i l r a lc r a c k i i l g ；c 豫c k i i l gs u r f a c e ；b r i m e f r a c t u r c 江 苏大学 硕 士 学位论 文 第一章绪论 连杆是发动机核心零部件之一，对发动机的性能有较大影响。连杆在复杂的应 力状态时，它受两种应力：交变的拉压应力和弯曲应力【1 1 。为了保证发动机的工作效 率，这就要求连杆的质量尽可能的小，并具有高的强度和硬度【2 】，随着国内汽车产量 的逐年增加，汽车的性能要求也越来越高，为实现高质量、低成本、短周期的汽车 零件的开发来提高汽车的性能，是占领汽车市场的主要因素。新工艺、省材节能工 艺等的开发对于新型汽车零件的生产起着非常重要的作用。 连杆裂解技术是近些年发展起来的一种连杆加工新技术【3 1 ，其工艺流程包括加 工初始裂纹槽、定向裂解、定扭矩装配螺栓等工序组成f 4 】，断裂剖分的结合面是高低 不平的，从而保证了连杆体与连杆盖紧密接触和相互锁定，并提高接触面积，使连 杆承载能力、抗剪切能力、装配质量得到很大的改善，对提高发动机生产技术水平 和整机性能具有重要作用【5 8 4 9 】。发动机连杆裂解加工技术是目前国际上连杆生产的 最新技术，减少了加工工序、减少了精加工设备的使用、减少了生产成本。它是符合 精益生产原则制造工艺，更是连杆制造工艺的未来的发展方向【堋。从某种意义上讲， 连杆裂解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，成为2 1 世纪 连杆制造的发展方向【1 1 】。 1 1 连杆裂解工艺 连杆是各类动力机车上用来传递动力的主要部件，是一种批量生产的重要部件。 涨断连杆要求其材料塑性变形小、强度好、脆性适中、工艺性好，即保证连杆强韧 性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。随着 汽车工业的快速发展，新工艺和省材节能工艺的开发对于汽车零件的生产尤为重要。 1 1 1 连杆的结构及技术要求 汽车发动机中的主要传动部件是连杆，连杆是较细长的非圆形杆件，其杆身截 面从小头到大头逐步变大，这样能更好地承受的急剧变化的动载荷。一般来说，连 杆是由连杆大头、杆身和连杆小头三部分组成，连杆大头不是整体而是分开的，一 半与杆身为一体，一半为连杆盖f 1 2 1 。具体结构如图1 1 所示，连杆体及连杆盖上的大 头孔用螺栓和螺母与曲轴组装在一起。为了使磨损减少和维修方便，连杆的大头孔 连杆自然剖分裂解面设置与工艺研究 内装有金属轴瓦。轴瓦有钢质的底，底的内表面浇有一层耐磨巴氏合金轴瓦金属。 在连杆体大头和连杆盖之问有一组垫片，可以用来补偿轴瓦所受的磨损。连杆小头 通过活塞销与活塞连接，小头孔内压入的青铜衬套可以减少小头孔与活塞销的磨损， 有利于磨损后进行修理和更换，活塞连杆组如图1 2 所示。连杆杆身通常做成“工” 或“l i ”形断面，以满足强度和刚度要求的前提f 减少连杆的质量。连杆大头与连杆 轴颈相连，一般做成分丌式，与杆身切开的一半称为连杆盖，二者靠连杆螺栓连接 组合为一个整体。连杆轴安装在连杆大头孔座中，与曲轴上的连杆轴颈装合在一起， 是发动机中最重要的配合副之一。 甓? j 崩1 勰， 噶 图1 2 活塞连杆组 f i g 1 2p i s t o n “) da s s e m b l y 表1 1 技术参数表 1 a b 1 1t c c h n i c a ld a t as h e e t 连杆的作用是把曲轴和活塞联接起来，使活塞的往复直线运动变为曲柄的往复 回转运动，以输出动力【1 2 1 4 】。因此，影响发动机性能的直接因素是连杆的加工精度， 2 孓 江 苏 大 学 硕士 学位论 文 而影响连杆精度的主要因素是加工工艺的选择。反映连杆精度的参数主要有5 个：( 1 ) 连杆大端中心面和小端中心面相对连杆杆身中心面的对称度；( 2 ) 连杆大、小头孔 中心距尺寸精度；( 3 ) 连杆大、小头孔平行度；( 4 ) 连杆大、小头孔尺寸精度、形 状精度：( 5 ) 连杆大头螺栓孔与接合面的垂直度；其余的技术参数如下表1 1 。 发动机工作过程中连杆受交变压力的作用和惯性力的作用，连杆除应具有足够 的强度和刚度外，还应尽量减小连杆质量，使惯性力的作用减小。 1 1 2 连杆裂解原理概述 裂解加工连杆的思想最早源于1 9 5 1 年美国w m y e a p a n s 【1 5 】等人提出的端面开槽 连杆加工方法。连杆毛坯的大端面的两个圆弧槽是为了保证涨断剖面走向【1 6 1 ，主要 工艺工程是：1 ) 先在连杆毛坯大头孔内侧预置裂解槽，形成初始断裂源；2 ) 在连 杆大头孔内施加垂直于预定断裂面的正压力，在满足脆性断裂的发生条件下完成无 屑断裂剖分；3 ) 利用两断裂面是自然的犬牙交错结构定位，实现连杆体与连杆盖的 精确合装；4 ) 以断裂剖分的三维曲面定位，在断裂面完全啮合的条件下进行后续的 大头孔精加工及上螺栓工序。 连杆裂解加工关键技术是加工预制裂解槽、连杆大头孔裂解加工及定扭矩装配螺 栓三道核心工序【4 j ，此三道核心工序的自动化生产工艺与装备是实施连杆裂解技术和 保障产品质量的基础与前提【1 7 1 。裂解工序是裂解连杆加工工艺过程中的核心工序， 连杆裂解方法对连杆裂解分开面的啮合性质，后续机械加工质量，连杆体与连杆盖 的重装精度会产生影响。在裂解过程中要考虑到施加载荷的大小、方向及速度，加 载装置的结构等因素。必须控制大头孔的塑性变形、单边断裂及弯曲断裂，图1 3 是 连杆裂解装置的力学模型【1 8 1 9 1 。 日 图1 3 连秆襞解装置的力学模型图1 4 裂解连杆样品 f 塘1 3m e c h 觚i c a lm o d c l o fc o 彻e c t i i l gr o dc r a c k e r f i g 1 4c r a c 妯略c o n 眦d i n gr c i ds 锄p l e 与连杆传统机械锯切分离、磨削结合面的方法相比，裂解技术具有减少加工工 序、简化和优化制造工艺流程、提高生产效率、节省设备投入及能源消耗、降低连 杆制造成本等优点【刎。此外，断裂剖分的结合面凹凸不平，确保了连杆体与连杆盖 紧密接触和相互锁定，并提高接触面积，使连杆承载能力、抗剪能力、装配质量大 气 连杆自然剖分裂解面设置与工艺研究 幅度提高，裂解连杆样品如图1 4 所示。 1 1 3 裂解连杆的材料 连杆材料要求在保证力学性能的前提下，限制它的塑性指标，保证裂解时在脆 性状态下断开【2 1 1 。裂解连杆的材料及其金相组织不仅影响连杆产品的性能和切削性， 而且决定可裂开性和断面质量，对裂解工艺起关键的作用【2 2 】，连杆的结构也决定了 其在材料选择上有较高的要求：具有较高的机械强度和刚度；具有较高的抗疲劳强 度；为减小惯性力，尽量减轻杆身重型1 2 1 。下面对两种常用的裂解材料进行论述。 ( 1 ) 非调质钢非调质钢是在中碳钢基础上添加钒、钛、铌等微合金元素，通 过控制轧制或控制锻造过程的冷却速度，使其在基体组织中弥散析出碳、氮的化合 物使其得到强化。非调质钢省略了锻后的热处理，我国研究的非调质钢主要是钒系、 锰钒系、锰钒氮系，每个系列都开发了添加易切削元素的钢种瞄】，用于发动机连杆 的钢种有3 5 m n v s 、3 5 m 1 v n 、4 0 m n v 、4 8 m i l v 等，其强度都在9 0 0 m p a 以下渊。 ( 2 ) 粉末冶金连杆英国、瑞士、德国合作，选用成分为f e 1 5 c 卜0 5 c 的合金 粉末试制发动机连杆，并通过零件拉压疲劳性能试验及发动机台架试验。德国还采 用成分为f c c m n c 卜n i 粉末冶金连杆，用在p o r s c h e9 2 8 发动机上【1 3 ，2 5 】。减少切削加 工与延长刀具的寿命【2 2 1 。粉末冶金连杆的主要优点是便于应用胀断技术，而且形状 尺寸精度高，制造成本低，适合于大批量生产，是一种很有前途的新材料，新工艺闭。 1 1 4 裂解加工与传统工艺的区别 相对于传统的连杆加工技术，连杆大端的裂解加工技术是一种全新的加工方法， 两种加工方法的工艺流程如下图1 5 、1 6 所示。 4 粗磨连li 拉削连杆两ll 拉削连杆体和端il 粗加工ll 粗精 杆两侧卜叫侧面大小头卜叫盖半圆测定位点卜_ 叫连杆小卜| 加工螺 面ll 定位点ll 螺栓座呵分离面ii 头孔l 栓孔 到剿引薹h 兰悸 耋釜h 鎏h 鍪l 图1 5 传统加工工艺流程框图 f 谵1 51 h d i t i o n a lp r o c c 酷n o wd i 雒即m 江 苏大 学 硕 士 学 位论文 副到鎏兰一 图1 6 裂解加工工艺沉程框图 f i g 1 6 吮l 【i i l g p 瑚淄n o wd i a 鲫 经过对两种连杆加工工艺的流程框图进行对比分析，我们发现，两种工艺的主 要区别有以下几个方面： ( 1 ) 大头孔的粗加工传统工艺要在切断后对大头孔进行粗拉，或者在切断前 将它加工成椭圆形( 或者毛坯为椭圆形) ，而涨断工艺将大头孔加工成圆形，所以可 在1 个工位上加工。裂解工艺的生产设备只需要1 个主轴，而传统工艺的生产设备则 需要2 个主轴。 ( 2 ) 连杆体、盖分离方法传统工艺采用拉断( 或铣断、锯断) 法，如图1 7 所示：而裂解工艺是在螺栓孑l 加工以后涨断。采用涨断工艺后，连杆与连杆盖的分 离面完全相互啮合，这样就改善了连杆盖与连杆分离面的结合状况，所以分离面不 需要进行拉削和磨削加工阳，如图1 8 所示。 ( 3 ) 结合面的加工传统工艺是在拉断后还必须磨削结合面，且连杆体盖的装 配定位依靠两个螺栓孔中的定位孔和螺栓的定位部分配合来定位，所以对螺栓孔与 分离面的垂直度与两螺栓孔的中心尺寸都有严格的要求。 ( 4 ) 螺栓孔加工涨断工艺加工的连杆体盖的装配定位是以涨断断面作为定 位，但传统工艺加工的连杆体盖的装配定位要靠两个螺栓孔中的定位孔与螺栓的定 位部分配合来定位，因此对螺栓孔和螺栓的精度要求都非常高。 图1 7 连杆传统分离加工示意图 f i g 1 7 删i t i o n a lc o 皿e c t 啦m d 删i o np m c e 豁i n gd i 粥阳m 一阿 _ _ 旷 |刖 够谬普 缈 图1 8 连杆裂解分离加工示意图 f i 9 1 8c o r u l e c t 吨r 甜c r a c k 吨 s 印a m t i o np r o c e s s i n gd i a g 枷l 5 一匝_ 出 连杆自然剖分裂解面设置与工艺研究 连杆分离面采用涨断工艺取代传统的切割工艺。其经济效益如下【1 3 2 1 ，2 8 1 ： ( 1 ) 可减少设备投资2 5 以上； ( 2 ) 设备占地面积减少3 0 ； ( 3 ) 去除连杆孔内的定位套或者简化螺栓外形，降低外协部件费用，降低单件成 本； ( 4 ) 可节约能耗4 0 以上； ( 5 ) 可节约刀具费用3 5 以上： ( 6 ) 节省量辅具费用3 0 ： ( 7 ) 简化工艺，使废品率得到明显下降。 1 。1 5 连杆裂解加工技术质量要求及控制 裂解加工技术根本地改变了连杆的传统加工方法，是对传统连杆加工技术的重大变 革。该技术属于精密加工技术，裂解加工后大头孔仅需精镗，技术质量要求如下嗍： ( 1 ) 裂解加工后连杆大头孔不能有比较大的失圆和变形，防止造成后续精加工 余量不足。连杆经裂解加工以后大头孔塑性变形较小，可以经过后续精加工消除裂 解加工形成的椭圆大头孔【删。 ( 2 ) 由于断裂面为后续加工及装配的定位基准，要求断裂面具有很好的三维凹 凸曲面形貌，以满足精确啮合的要求，图1 9 为传统连杆和裂解连杆断口对比图。 ( 3 ) 由于连杆工作条件比较恶劣，在高温环境下承受交变载荷的作用且速度极 高，因此要求断裂面( 接触面) 具有较高的强度和承载能力【3 1 1 。 图1 9 传统连杆和裂解连杆断口对比图i 醒1 f i g 1 9f r a c t u r ec o m p 撕s o n c h a f to ft r a d i t i o n a l 刚卸dc r a c k i n gr o d 连杆两端在裂解时一定会存在不同时断裂的现象，这种极端现象就是连杆单边 裂解。在裂解过程中，这种两边不同时裂解现象，很大程度上影响连杆裂解质量， 当连杆侧首先裂解时，由于裂解涨套的裂解压力，会对未裂解的一侧必然产生压 应力。压应力一方面会影响产品组织晶格，产生弹性变形；另一方面将抵消部分裂 6 江苏大 学 硕 士 学位论 文 解力，影响裂解过程p 3 1 。为了保证连杆的裂解质量，采取的技术措施主要有【9 】： ( 1 ) 对裂解连杆材料进行优化选择，以满足连杆力学性能和裂解工艺的要求。 ( 2 ) 对裂解槽形状和尺寸进行优化设计，利于裂纹迅速萌生、扩展并实现脆性 断裂。 ( 3 ) 采用先进加工技术，以保证裂解槽的质量，降低裂解力、减小大头孔变形、 防止撕裂或单边裂解。 ( 4 ) 裂解工艺参数的优化设计，保证裂解力大小和裂解速度的最佳匹配，因此 液压系统及其执行机构的设计极为重要。 ( 5 ) 工装、卡具需具有较高的可靠性和往复精度，裂解力施加机构应有较高的 强度和耐磨性。 ( 6 ) 采用自动化传送系统，以保证工件在各工序间传送精度高、定位准确，尤 其是裂解后移至装配螺栓工序时保持盖、杆完全啮合，不产生松动。 1 1 6 国内外连杆裂解技术的发展及现状 裂解技术作为一种先进的连杆制造技术，该工艺在国外各大汽车公司正得到广 泛应用，加工范围涵盖了轿车、轻型车等车辆的小型连杆以及卡车等重型车辆的大 型连杆，并且正逐步取代传统加工工艺，成为连杆制造业的一大趋势。而国内仅一 汽集团与上汽集团引进了国外公司生产的裂解加工设备【2 9 3 2 掣3 6 1 ：一汽大众汽车公 司耗资亿元以上引进了德国e ) ( c e l l 广om a c t l i n e 公司生产的连杆裂解加工自动化生 产线，现正用于捷达轿车5 气门多点电控燃油喷射发动机连杆的批量生产。 t “霭灞簟 _ q 一 ( a )( b ) 图1 10 广州四会实力连杆有限公司连杆生产设备 f i g1 1 0 ( b 肌e c t i n g 砌p r o d u c t i o ne q u i p m to fg l 姗g z l l o us i h u is h i l ir o dc o 【朋 ( a ) 进口裂解连杆加工中心 ( a )i m p o r tc r a c k i n gc o n n e c t i n g r o dp m c e s s i n gc c n t c r ( b ) 连杆柔性生产线 ( b ) c o 蛐e c t i n g 栅n e x i b l e l i n e 在连杆裂解设备方面以德国的a f i 刷g 公司的技术最为成熟f 3 7 1 ，上海大众汽车 公司引进德国舢f m g 公司生产的连杆裂解自动化生产线，用于帕萨特轿车发动机连 7 连杆自然剖分裂解面设置与工艺研究 杆的生产；一汽发动机分公司引进了德国砧f i n g 公司生产的连杆裂解半自动化生产 线，用于卡车6 d l 系列连杆的生产【3 8 捌；上海通用汽车公司新近也引进了连杆裂解 半自动化生产线，用于粉末锻造连杆的生产，广州四会实力连杆有限公司从德国 a l f i n g 公司引进先进的连杆裂解专用设备，如图1 1 0 所示，大大地提升了核心技术 竞争力和经济效益。 但国内对连杆裂解技术的研究起步较晚，吉林大学辊锻研究所对连杆裂解技术 及其工艺装备作了深入的研究，并已成功研制出了具有自主产权的发动机连杆裂解 设备1 2 1 柏】，可以实现连杆定位、压紧和裂解等工艺并已进入了实际应用阶段【4 1 1 。 中国连杆产业发展出现的问题中，许多情况不容乐观，如产业集中于劳动密集型 产品，这种产业结构是不合理的；技术密集型产品明显落后于发达工业国家；生产 要素决定性作用正在削弱；产业能源消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资 源破坏力大、企业总体规模偏小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。 1 2 本文主要研究内容 1 2 1 研究的目的及意义 在实际生产中，连杆还存在撕裂、裂不开、掉渣、断裂面变形等缺陷，严重影 响了产品的质量稳定性，但目前各种因素对连杆裂解质量的影响机理还不明确，所 以对于连杆裂解技术的探索是很有必要的。 本文涉及的连杆自然剖分加工方法是在现有裂解工艺的基础上，分析连杆裂解 过程，找到连杆裂解断裂的宏观和微观机理，分析对连杆裂解质量产生影响的主要 参数。探究一种新工艺，在连杆体与连杆盖之间设置解理面，开孔并加工裂解槽， 施加垂直于预定断裂面的正应力，涨断样品，满足脆性断裂的发生条件，实现连杆 本体与盖部的自然剖分，断裂面呈犬牙交错的自然状态，具有极高的配合精度。这 种连杆的制造方法能适用于铝合金、4 0 c r 等韧性材料，从而突破连杆材料的限制， 以满足连杆“轻量化、高性能、低成本的要求。 连杆自然剖分新工艺是一种极具想象力、创造力、影响力和竞争力的连杆加工最 新技术，具有加工工序少，突破材料限制，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。此项技术与装备的研究开发及推广应用对我国汽车工业、 发动机行业提高产品质量和生产率、降低生产成本、增加经济效益、增强国内外市 场竞争能力具有重要意义。 r 江苏大学硕 士 学位论文 1 2 2 课题研究的主要内容 连杆毛坯采用铸造生产，在连杆大头部预置适合的箔材，促使其与金属液相互 作用，冷却后形成脆性界面，开孔并通过施加外载以形成裂解面分开，利用裂解界 面上完全啮合的犬牙交错结构，实现连杆体和连杆盖在断裂面处自然精确合装，以代 替连杆大头的传统机械加工工艺。 运用上述机理，连杆坯件铸造时，在连杆大头部放置适合的金属箔材，促使其 与熔融的金属液相互作用，在连杆体与连杆盖的对合平面内引入的杂质元素、气孔 和夹渣物等成分，在该部位形成应力集中，促使微裂纹的形成，为后续的脆性断裂 创造条件。对样品进行热处理，观察断口及其附近的组织，沿晶析出相以及化合物 非均匀形变都弱化了该局部组织内的晶界作用，在断口附近还存在着气孔和央渣物 等缺陷，这些都为连杆大头部形成脆性界面创造条件。连杆大头孔施加垂直于断裂 平面的正应拉力，由于应力集中效应，裂纹由弱化的晶界处萌生，沿预制的脆性界 面定向扩展，直至连杆完全断裂。装配时，连杆体和连杆盖的对合面为整体连杆裂 解后形成的粗糙不平的晶状体面，两断裂面为犬牙交错结构，能够相互完全啮合， 实现精确合装。 ( 1 ) 连杆铸造装置采用组合式模具拼装而成，在连杆大头部的垂直分型面内设 置相互配合的台阶与凹腔结构，用于箔材的定位与固定。 ( 2 ) 对不同材质的箔材铁片，镁片，铜片进行试验，箔材采用金属合金直 接轧制，裂解后取断裂面在显微镜下观察金相组织，选取最佳的箔材材质，使得断 口的脆性最好。 ( 3 ) 选择不同厚度的镁片o 5 衄，0 3 衄，0 1 2 m m 这三种厚度进行试验， 裂解后取断裂面在显微镜下观察，试验结果表明：镁片越薄，与母材的融合越好， 解理面的脆性效果较好。 ( 4 ) 选择不同浇注温度6 7 0 ，7 2 0 和7 7 0 三种浇注温度对加入o 1 2 咖 镁薄片进行试验，试验结果表明：7 2 0 为最佳浇注温度。 ( 5 ) 对添加0 1 2 m m 镁片的样品和添加0 2 咖镁片的样品脆性断口进行微观机 理分析，镁箔片对裂解界面形成的应力集中的机理，采用扫描电子显微镜观察液流 前沿处熔合焊缝的断口组织，发现枝晶顶部有局部断口特征，这很好的解释了铸件 在结合界面处组织的结合是最弱的。 9 连杆自然剖分裂解面设置与工艺研究 ( 6 ) 对添加0 2 咖镁片的样品断口进行微观机理分析，运用线扫描的方法，分 析垂直于解理面的成分分布，发现镁的含量较低，这说明了，镁薄片在浇注的过程 中已经形成镁蒸汽，在结合面处形成气缩孔，弱化了界面层的强度。 1 3 本章小结 连杆是发动机中的重要零部件，连杆的强度和抗疲劳性极大的影响着发动机的 性能。连杆的加工工艺对连杆的质量影响很大，研究连杆的加工工艺可以更好的改 善连杆加工中的某些环节，使其具有更好的竞争力和更大的经济效益。连杆的材料 的选择对连杆质量有很大的影响，对于连杆材料的研究探索从未停止过。多种生产 连杆的制造工艺是为了加工出满足不同性能要求的连杆，这些制造工艺都有自己的 优缺点，对这些工艺进行了对比分析，对连杆加工的现状进行了描述并展望了连杆 加工技术的未来。 连杆裂解技术是连杆加工技术中的核心技术，连杆裂解技术的先进与否极大地 影响着连杆的加工质量，分析连杆裂解与传统工艺的区别，以及国内外在连杆裂解 技术上的现状及发展，对连杆裂解技术的研究重点进行分析，对影响因素进行分析 来控制连杆裂解的质量。 在以上的基础之上，引出本文研究的连杆自然剖分工艺，它的独特之处是设置 了解理面，使得连杆体和连杆盖的断裂是脆性断裂，缩减了工序，提高连杆的质量。 1 0 江 苏 大 学 硕 士 学位论文 第二章自然剖解理论与裂解面设计思想 连杆裂解技术的原理是基于断裂力学和应力集中理论【4 2 l ，是利用材料在应力集 中条件下的脆性断裂特性【4 3 l 。对这些理论进行详细的分析，找出连杆剖分工艺的理 论依据，并以此来研究连杆裂解过程，找到连杆裂解的宏观和微观机理，以及裂解 槽对连杆裂解质量的影响。 2 1 裂解面的剖解断裂机制 2 1 1 剖解断裂类型 根据金属材料或机械构件断裂时在最终分离前所产生的宏观塑性变形量，或明 显或不明显的情况，可将断裂类型分为韧性断裂、脆性断裂和韧性一脆性混合断裂 三种1 4 4 4 5 】。 ( 1 ) 韧性断裂韧性断裂是指金属材料或机械构件断裂时出现较大或明显的塑性 变形，通常指金属材料产生的宏观塑性变形量大于1 0 的断裂。用肉眼或放大镜观 察时，断口表面呈现纤维状或者丝光状，灰色或暗灰色等宏观形貌特征。 ( 2 ) 脆性断裂脆性断裂指金属材料或机械构件断裂时在最终分离前不发生或发 生较小的宏观塑性形变的断裂；通常金属材料的塑性形变量小于2 巧的断裂，均 称之为脆性断裂。脆性断裂形成的断口为脆性断口，其表面形貌较平整，在光照下 具有发亮特性。用肉眼或放大镜观察不到宏观形变量或不明显的形变量，但是在电 子显镜下可观察到局部的塑性形变，即出现韧窝花样形貌特征。 ( 3 ) 塑性一脆性断裂塑性一脆性断裂指金属材料或机械构件断裂时出现韧性和 脆性两种断裂机理的混合断裂特征，又称准脆性断裂或准韧性断裂。在电子显微镜 下，可观察到具有解理断裂与韧窝断裂的两种机制控制下所形成的断口形貌特征。 2 1 2 剖解断裂路径 一般在金属及合金中的断裂路径可分为沿晶断裂、穿晶断裂及混晶断裂三种类 型，如图2 1 所示。 ( 1 ) 穿晶断裂穿晶断裂是指金属材料的裂纹和扩展在晶粒内部发生的断裂， 它的断口为穿晶断口。穿晶断裂可以是韧性，也可以是脆性，从结晶学角度考虑， 可将穿晶断裂分为结晶学断裂和非结晶学断裂两类。 1 1 连杆自然剖分裂解面设置与工艺研究 ( 2 ) 沿晶断裂沿晶断裂是指多晶体材料或者机械构件的裂纹萌生与扩展沿晶 粒边界上发生的分离过程，其断口称为沿晶断口。沿晶断裂，又可分为沿晶脆性断 裂和沿晶韧性断裂两类，沿晶断裂一般为脆性断裂。 ( 3 ) 混晶断裂在多晶体材料的断裂过程之中，很少只发生一种穿晶断裂或沿晶 断裂，大多数情况下具有这两种混合的断裂机理所控制的断裂过程，它的断裂路径 既有穿晶断裂，又有沿晶断裂。 圆圆。$ ( a )( b )( c ) 图2 1 按断裂路径分类的示意图 f 远2 1s c h e m a t i co ft l l e 饷c t i 鹏p a md a 豁i f i c a t i o n ( a ) 穿晶断裂( b ) 沿晶断裂( c ) 混晶断裂 ( a ) t m s g f a n u l a ff r t i i m ( b ) i i l t c f 舯n i i l a rf i a c m 他( c ) m i x c dn e r 謦锄l l l 孤f 髓c n l 根据金属材料的断裂力学理论，金属材料的断裂包括应力裂纹的拉伸断裂与疲 劳断裂，以及塑性变形的颈缩断裂。连杆裂解工艺理论正是建立在脆性断裂基础上 的，其断裂特征从微观上看主要分为穿晶断裂与沿晶断裂。穿晶断裂需要的外部力 大于材料的拉伸极限，必然造成裂解变形较大，但是穿晶断裂裂纹扩展的方向性 好，裂解面质量好。沿晶格方向的断裂对于应力槽要求较高，裂纹异向扩展概率较 大，但要求的裂解力小，裂解后变形也小【4 6 1 。 2 2 剖解静态断裂力学分析 断裂力学是研究含有缺陷的结构与材料力学行为的一门学科【钥。断裂力学的发 展主要包括线弹性断裂力学、弹塑性断裂力学、断裂动力学这三种【钙】。 作为断裂力学理论的基础思想一能量理论，早在1 9 2 0 年就由g r i f f i m 【4 9 】提出了。当 时g r i f f i t h 针对玻璃、陶瓷等脆性材料，从能量的观点提出了断裂应力和裂纹尺寸的 关系： 一 盯c 口2 常数 ( 2 - 1 ) 其中以为断裂应力，口为裂纹长度。 对金属材料而言，由于存在塑性，因而在裂纹扩展过程中不可避免的产生塑性应 变，消耗一定量的形变功。为此，1 9 4 9 年0 r o w a n f 4 9 】提出了修正公式： 江 苏大学硕 士 学位论 文 吒石- j 掣 ( 2 - 2 ) 其中u 。为裂纹在扩展中消耗的塑性变形功，助材料的弹性模量，t 为材料的 表面能。 理论上裂纹启裂后，能不能快速扩展直至断裂，取决于裂纹扩展时的弹性释放能 不能满足裂纹扩展对表面能的要求刚。假如弹性释放能大于表面能，裂纹能够自动扩 展；反之，则必须提高外力克服表面能，裂纹才能自动扩展。可知裂解力达到裂解力 阈值时，不一定能够保证裂纹的自动扩展，这是由材料的性能所决定的。 2 2 1 线弹性断裂 裂纹的存在大幅度降低了构件的承载能力，它会在较低的载荷水平下，从裂纹尖 端裂纹开始扩展，最后导致物体的断裂。因此，裂纹尖端邻域内裂纹表面的变形情 况对含裂纹构件强度的影响是很大的。可从裂纹表面的变形情况把裂纹的扩展分成 三种基本类型【5 1 5 2 1 如图2 2 所示。 眵彩硕 ( b )( c ) 图2 2 裂纹扩展模型 f 培2 2c r 扯kg r o w t l lm o d e l ( a ) 张开型裂纹( b ) 滑开型裂纹( c ) 撕开型裂纹 ( a ) o p e n i n gl n o d e lc r a c k ( b ) s l i d i n g0 p e nc 础( - ) p e c j 叫c i a c k 图2 2 ( a ) 为张开型( 或拉伸型) 裂纹，在垂直裂纹面的外加正应力作用下，裂纹尖 端张开，扩展方向与正应力方向垂直；图2 2 m ) 为滑开型( 或剪切型) 裂纹，在平行于 裂纹面的剪切应力作用下，裂纹滑开扩展；图2 2 ( c ) 为撕开型( 或反剪切型) 裂纹，在 剪切应力作用下，一裂纹面在另一裂纹面上滑移，裂纹前缘与滑移方向平行。对于 一般受力情况则为复合型裂纹，为以上三种基本断裂类型的组合。张开型断裂为连 杆裂解加工的断裂形式【5 3 j 。 线弹性断裂力学是断裂力学中比较成熟的部分，它是用线弹性理论来研究物体 裂纹扩展规律与断裂准则的。线弹性断裂力学能解决脆性材料的平面应变断裂的问 题，适用于大型结构件和脆性材料的断裂分析。实际上，裂纹尖端附近总是存在塑 连杆自然剖分裂解面设置与工艺研究 性区域，若塑性区很小，则可采用线弹性断裂力学理论进行分析。 应力强度因子的表达式是不同的，其通式可以表示为： 巧= y 仃万口( 2 - 3 ) 其中y 为几何形状因子，它是与裂纹形状、加载方式和试件几何形状有关的几 何校正因数。蜀与外界施加应力及裂纹长度有关，当k 增大到足够使裂纹尖端材料 分离并进入失稳扩展，引起试件的断裂，即达到临界状态。该最高应力强度因子的 值称为i 临界应力强度因子【5 4 】，用磁表示为： k i c = y a f 、3 冗n o1 2 - q 其中仃，和口。为临界状态的应力与裂纹长度。当试件内部裂纹长度一定，经过增 大外界作用载荷，达到i 临界应力盯，。蜀增大到临界应力强度因子如，仃就为试件 的断裂应力，上式中口0 是试件的原始裂纹长度。假如应力一定，增长裂纹长度，蜀 就会增大至临界值翰。 材料的断裂韧性指材料抵抗裂纹扩展的能力，记为如。原则上讲，断裂韧性是 材料的一个特性常数，即它与加载方式和试件几何形状没有关系。但是它强烈地依 赖于裂纹的应力状态：平面应力状态、平面应变状态或者过渡状态。在工程中通常 所称的断裂韧性为平面应变断裂韧性。另外，断裂韧性和材料的其它特性相似，与 屈服强度、极限强度、温度等因素有关系。对于含有裂纹的构件，其线弹性断裂准 则f 5 6 】就称为： 蟛= ( 2 - 5 ) 即应力强度因子随着载荷仃的增大而增大，当墨到达某一临界值时，材料发生 断裂，也就是裂纹端部的应力强度因子与材料的断裂韧性时裂纹相等，裂纹开始扩 展。这就是张开型裂纹的断裂判据。 砭是张开型裂纹在平面应变的应力条件下的断裂韧性。砭是张开型裂纹在平面 应力条件下的断裂韧性，表示材料在平面应力条件下抵抗裂纹失稳扩展的能力。因 为平面应变状态是一种三向应力状态，对应变的约束比较大，易使材料容易产生脆 化的趋判5 1 1 。对于同一材料有： k 如( 2 - 6 ) 1 4 江 苏大学 硕士 学位论 丈 2