发动机连杆裂解加工关键技术的研究

发动机连杆裂解加工关键技术的研究

Abstract：This paper introduced the principle of fracture splitting of connecting rod and quality demands for fracture splitting．Materials of connecting rod suitable for fracture splitting and their functions and scope of application were presented．Fracture splitting experiments on the connecting rods with different forge technological parameters were carried out．The material of those connecting rods was C70S6．The forge technological parameters for splitting were determined．This paper also analyzed the effects of shapes of fracture section on the quality of fracture splitting and gave the shape of fracture section helpful to fracture splitting .A great number of fracture splitting experiments and numerical analyses were made to determine the range of three geometry parameters of starting notch，depth h， angle a and curvature radius r．In the 1ast part of this paper，the fracture splitting machine and its technological parameters were introduced and“inverse pressure”fracture splitting method was put forward to improve the quality and got better fracture section．

摘 要：介绍了连杆裂解加工原理与连杆裂解加工后的质量要求，在此基础上介绍了适合于裂解加工的连杆材料及各种材料的性能和应用范围；对采用不同锻造工艺参数的C70S6连杆进行了裂解加工试验，最终确定了适合于裂解加工的该种材料的连杆锻造工艺；分析了连杆断裂截面形状对裂解加工质量的影响，给出有利于裂解加工的断裂截面形状；通过大量的裂解试验与数值分析确定了初始裂纹槽3个几何参数槽深h、张角α和曲率半径γ的取值范围；最后介绍了定向裂解设备及工艺参数，并提出了“背压”裂解加工方法可提高裂解加工质量，获得性态优良的断裂面。

1 概述

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，具有传统连杆加工方法无可比拟的优越性，其加工工序少、节省精加工设备、节材节能、生产成本低[1、2]。此外，连杆裂解加工技术还可使连杆承载能力、抗剪能力、杆和盖的定位精度及装配质量大幅度提高，对提高发动机生产技术水平和整机性能具有重要作用。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，实现连杆体与连杆盖的无屑断裂剖分[3]。

连杆裂解加工技术属于精密加工技术，其影响因素众多，裂解加工质量不易控制。本文以大量的下艺试验作为依据，分析了连杆材料、连杆锻造工艺、连杆断裂截面形状、初始裂纹槽及连杆裂解设备等因素对裂解加丁质量的影响，从而为连杆裂解技术的应用提供了依据。

2 连杆裂解加工质量要求

由于裂解加工后连杆大头孔仅需精镗加工，因此对裂解加工有以下的质量要求：(1)连杆大头孔不能有较大的失圆与变形，以免造成后续精加工的余量不足，一般情况下，裂解前后大头孔直径平均变化量要控制在0.05mm以下。(2)由于断裂面将作为后续加工及装配的基准，所以要求断裂面具有较好的三维凹凸曲面形态，以满足精确啮合的要求。(3)由于连杆工作条件恶劣，在高温环境下承受交变载荷的作用，运动速度极高，因此要求断裂面(接触面)强度高、承载能力强。

3 连杆裂解加工关键技术

3．1 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[4]。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。粉末冶金材料具有良好的脆性断裂性能，早期裂解工艺加工连杆广泛采用此种材料。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，减少了材料费用和加工工序，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[5]。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，欧洲和北美很多连杆生产企业均开发出用于裂解加工的锻钢连杆，应用较广泛的锻钢连杆材料主要有C70S6高碳微合金非调质钢、SPLITASCO系列锻钢、FRACTIM锻钢和S53CV-FS锻钢等。

德国研制的C70S6连杆材料是最早在室温条件下采用裂解加工的锻钢连杆，它利用锻后控制冷却速度的方法代替锻后重新调质处理，其金相组织为珠光体加断续的铁素体，如图1所示。其成分特点是低硅、低锰、添加微量合金元素钒及易切削的元素硫，合金元素的范围较窄[6]。法国开发的SPLITASC070～38系列锻钢中，SPLITASC070具有和C70S6相同的化学组成，在熔炼工艺中添加了控制合成物，进一步提高了材料的可加工性，目前SPLITASCO70可以应用在所有C70S6所应用的场合；SPLITASC050的硫元素大于0.15%，该材料的机械加工性能更好，已用于一系列小型发动机连杆的生产上；SPLITASCO38有和传统的连杆材料38MnSiV5基本相同的化学组成，具有良好的抗疲劳性能，从而广泛用于轻型车和卡车发动机的连杆锻件[7]，由CES和Bromsgrove联合研制开发的FRACTIM锻钢，其金相组织几乎为全部的珠光体结构，试验表明其具有良好的可裂解性和可加工性[8]。目前，日本又开发出了疲劳寿命更高的S53CV-FS中碳微合金非调质钢[9]。图1 略。

3．2 连杆锻造工艺

除了连杆的材料及其金相组织，连杆的锻造工艺对裂解质量也有很大影响。一汽集团工艺处研究了始锻温度和锻造后冷却速度对连杆力学性能的影响[6]，试验通过将材料为C70S6棒料分别加热至1150℃、1200℃、1250℃、1300℃锻造，分别用强风冷、弱风冷、空冷3种不同的冷却方式对锻件进行冷却，检验了其硬度和锻件的整体拉伸强度。其试验结果表明：由于锻造加热温度增高使其晶粒尺寸增大、珠光体团尺寸增大，在同—锻造加热温度下，冷却速度越快，连杆的硬度、强度越高；冷却速度相同，随锻造加热温度的增高，硬度、强度降低，但锻造的加热温度超出1250℃时，其硬度、强度略有增高。

根据始锻温度与锻后冷却方式对连杆力学性能影响的试验结果，为了确定有利于连杆裂解加工的始锻温度与锻后冷却方式，本文对广州四会10B5F斜切口连杆(材料为C70S6)，进行了裂解加工试验。始锻温度分别为1250℃和1150℃，冷却方式为强风冷和空冷，并统计了在各种始锻温度与冷却方式条件下裂解后的无缺陷率，结果如图2所示。

　　　　　　　　图2 加热温度、冷却速度对裂解质量的影响

试验结果表明，采用始锻温度为1150℃，冷却方式为强风冷的连杆裂解质量要优于其他三种锻造工艺。其原因为在1150℃强风冷条件下连杆具有比较高的硬度与抗拉强度，从而在裂解加丁过程中塑性变形小，更有利于实现脆性断裂。

3．3 断裂截面设计

连杆断裂截面的形状影响裂解的结果。裂纹首先在连杆大头孔内表面开始起裂，然后向两侧的螺栓孔及外侧表面扩展，当裂纹扩展至螺栓孔处时由一条裂纹分成上下两条裂纹，越过螺栓孔后上下两条裂纹重新汇合。接近于圆形的截面有利于上下两条裂纹在同一点汇合，从而提高裂解质量。相反，断裂截面越接近于矩形，上下两条裂纹不在同一点汇合的风险就越大，结果会产生暴口缺陷，如图3所示。所以断裂截面的设计要尽量接近于圆形而避免矩形截面，如图4所示。

　　　　　　　　图3 矩形断裂截面所产生的暴口缺陷

3．4 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5所示。

为了研究裂纹槽几何参数对裂解质量的影响，本文采用保证两个参数不变改变另一个参数的试验方法，对不同几何参数的裂纹槽进行了裂解工艺试验及数值分析。试验结果表明：(1)张角与曲率半径不变条件下，槽深h减小，将使裂解加工过程中的裂解力增大，同时会导致裂解后连杆大头孔圆度变化增加，而且较大的裂解力必然带来较大的残余应力，使连杆装机后残余应力的释放影响发动机的工作性能；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，造成废品。试验证明，槽深在0.4～0.6mm适宜。(2)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，α从0°增加至90°的裂解力仅增加为5.34%。(3)槽深与张角不变时，曲率半径γ越小．应力集中系数越大，裂解力越小，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。γ应0.1～0.3mm范围内。

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，以保证最终获得两个高质量的断裂剖分面。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。图6为产生单边断裂连杆的不对称的裂纹槽形貌。图6a为未裂开一侧，其槽深为0.44mm，图6b为裂开一侧，槽深为0.86mm。

目前，在批量生产中，初始裂纹槽的加工工艺主要有机械拉削与激光加工。用拉削方法加工出的裂纹槽，槽宽较宽，槽深较浅，且在批量生产过程中会导致拉刀的磨损，使裂纹槽曲率半径γ增大，进一步导致裂解后大头孔的变形。与拉削加工相比，激光加工具有槽宽较窄、槽深较深、切割速度快、无刀具磨损、易裂解、重复精度高的特点，而且激光可对裂解槽根部进行淬火处理[10]，进一步提高缺口根部的应力集中系数，保证脆性断裂。因此激光加工裂解槽方法具有广阔的应用前景。

3．5 裂解设备及工艺参数

定向裂解是连杆裂解新技术的核心工序，它不仅要以一定的加载速度施加载荷，对初始裂纹槽充分引裂和催裂，使裂纹定向扩展直至连杆盖与连杆本体分离，而且裂解分离后的连杆盖必须精确复位，与连杆本体在断裂面处完全啮合，以进行后续加工。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。设计合理的裂解设备是实施断裂剖分的关键环节。裂解设备需实现连杆定位、压紧、裂解、连杆体和连杆盖精确复位的功能。在裂解过程中，连杆体、盖只能发生反向直线运动，连杆体、盖之间的任何相对转动都会引起不必要的塑性变形而导致连杆体、盖无法进行正常的合装。此外，液压系统及执行机构的设计需充分考虑满足裂解速度的要求。试验证明，当裂解速度>100mm/s后，其对断面质量的影响趋于稳定。

图7为吉林大学自行研究开发的具有“背压”裂解功能的连杆定向裂解机床。连杆定向裂解机床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，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8所示。试验研究表明，背压力与裂解力的大小比例关系为1：3～1：4为宜。

4 结论

(1)连杆材料应该在保证强韧综合性能的指标前提下，呈现脆性断裂特征，断裂面具有良好的啮合特性。

(2)连杆锻造工艺应控制始锻温度与冷却速度，保证锻造加工后连杆内部组织为珠光体组织，尽量减少铁素体组织，从而有利于脆性断裂的实现。

(3)连杆断裂截面的设计应尽量采用圆弧过渡，避免矩形截面及尖角过渡，以保证上下两侧裂纹汇合于一点，减少暴口缺陷。

(4)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(I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。

(5)“背压”裂解方法对提高裂解加工质量较有效，在瞬时阶跃载荷作用下，合理调整背压力与裂解力比值，可获得性态优良的断裂面。

参考文献：

[1] Weber M．Cost effective finishing of power forged connecting rods with the fracture splitting method[C]．SAE 9l0157．

[2] Repgen B．Optimized connecting rods to enable higher engine performance and cost reduction[C]．SAE 9800882．

[3] 寇淑清，杨慎华，赵 勇，等．发动机连杆裂解加工及其关键技术LJ]．吉林大学学报(工学版)，2004，34(1)：85～90．

[4] 于永仁．连杆裂解工艺[J]．汽车工艺与材料，1998，9：9～11

[5] Whittaker D．The competition for automotive connecting rod markets[J]．Metal Powder Report，2001，56(5)：32～37．

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[9] Fukuda S，Eto H．Development of fracture splitting connecting rod[J]．JSAE Review，2002，23(1)：101～104．

[10] 龚俊，芮执元，郎福元等．激光催裂的初步研究[J]．甘肃工业大学学报，1994，21(12)：44～48．

[11] 杨慎华，寇淑清，金文明．发动机连杆裂解加工装置[P]．中国专利：01271935．8，2002-09-18．

注：

基金项目：国家863计划项目(2002AA421140)；国家自然科学基金项目(50375066)；吉林大学“985”工程二期建设项目科技创新平台资助。

作者简介：杨慎华(1949-)，男，教授，主要研究方向为发动机连杆裂解加工及精密锻造技术，E-mail：shhyane@163．com。

作者：[杨慎华\张志强\寇淑清] 来源：[吉林大学]