发动机连杆断裂剖分新技术

1、发动机连杆断裂剖分新技术一、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T锯切分离T接触面机加工T装配。2）连杆体一盖分别锻造T接触 面机加工T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铳削和磨削，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一盖实现精确合装。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

2、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

3、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

4、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

5、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ki。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,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- so o so3温度

6、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be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b的关系如下：40cr相近的以上碳钢，同样符合图4所显示的温度分区趋势。片尸|什1匚a翌栽背廉A 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