连杆裂解加工技术的现状与展望

姜银方 龙 昆 何 艺

（江苏大学机械工程学院，江苏镇江 212013）

连杆是发动机中高精度的关键零部件，承受着周期性冲击力、惯性力和弯曲力作用，疲劳、磨损、振动等影响连杆的使用寿命。随着汽车工业的发展，现代高性能发动机对连杆要求越来越高，拘泥于传统、落后加工技术的生产模式难以满足日益发展的汽车制造行业对连杆批量和精度的要求［1］。

连杆裂解（也称“胀断”）是国际上20世纪90年代初发展起来的一种全新的连杆大端分离精密加工技术，是采用无屑断裂方法完成连杆体和盖结合面剖分加工。主要工艺流程是:（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［2－3］。

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、优化制造工艺、节省设备投入及能源消耗、降低连杆制造成本等优点。此外，断裂形成的分离面是宏观形态参差、微观互耦合的三维凹凸曲面，可实现连杆结合面3个方向上的精确定位，装配后连杆体与连杆盖可紧密接触并互相锁定，使连杆承载能力、抗剪能力、连杆组件刚度大幅度提高［4－5］。

目前裂解连杆已成为国内连杆加工行业的发展趋势。一汽大众、上海大众、上海通用、奇瑞发动机厂等多家公司相继采用连杆裂解工艺，专业的连杆生产厂家采用此技术的有四会实力、西仪、银河等公司，其中四会实力分别采用进口、国产、自制胀断机组建了符合中国特色的5条裂解连杆生产线［6］。连杆裂解已处于大批量生产应用阶段，因此对于连杆裂解技术的研究重点转移到连杆裂解质量的控制上来，裂解质量主要体现在断裂面的啮合性、连杆大头孔变形量、裂解成功率和重装精度等方面。现阶段存在的主要缺陷是杆、盖分离过程中有撕裂、掉渣、单边裂解或裂不开、大头孔变形及断裂面扭曲变形等。为解决和改善上述存在的问题，继续系统、深入研究裂解技术显得尤为迫切。

1 连杆裂解工艺的进展

1.1 基础研究

连杆裂解是依据断裂力学理论，当物体受垂直于断裂平面的正拉应力时，将发生低应力脆性断裂，即张开型断裂，这是连杆裂解产生的形式与条件。裂解技术的基础是裂纹技术，通过主动设计敏感应力场，施加载荷充分引裂和催裂，控制裂纹走向并实现连杆规则断裂［6］。

赵立新等［7］研究C70S6以沿晶脆性断裂方式断裂，在快速断裂情况下，由应力集中作用沿珠光体晶界附近的弱相处形成准裂纹，并在载荷作用下迅速扩展，裂纹可以是单独的，也可以是多发的，当裂纹汇集到一起时便造成断裂，其断裂面呈锯齿状，显示出良好的断裂啮合定位性。

为确保连杆裂解加工质量，需满足以下技术要求:（1）保证连杆强韧综合性能指标，以满足连杆使用性能的要求;（2）保证连杆具有良好的断裂性能，断口呈现脆性断裂特征，连杆裂解后塑性变形小、装配时大头孔的圆度符合规定的要求;（3）断裂面具有良好的凹凸曲面形态，其强度与承载能力要高，以满足精确啮合的要求。

1.2 裂解连杆材料的研究

常用的裂解连杆材料有粉末锻造材料、高碳钢、球墨铸铁和可锻铸铁。粉末锻造是由粉末冶金与锻造相结合形成的一种新材料技术，最初广泛用于裂解连杆的制造。常见的粉末冶金材料有 2Cu5C、3Cu5C，WSEM10A69－B等［6］，其特点是具有良好的脆性断裂特性。粉末锻造连杆在烧结成形时就可预压出裂纹槽，从而省去缺口加工工序。而铸铁连杆的低塑性和易脆断非常适合裂解加工技术的应用，但是铸造连杆重量偏差大，力学性能较差，使其应用受到了限制。

锻钢连杆尺寸精度高，组织结构与力学性能好，适用于负荷大，转速高的发动机及要求连杆具有高疲劳强度和可靠性的场合。在日本、欧洲和北美很多连杆生产企业开发出用于裂解加工的锻钢连杆。应用较广泛的锻钢材料有C70S6B Y（德国）、36MnVS4（法国）、70MnSV4、80MnS5 等，其中 C70S6 使用最为广泛［6，8］。国产裂解用材已日渐成熟，主要有 C70S6BY和36MnVS4，材料成分和性能均符合国际标准。生产此类材料的钢厂有东北特钢、江阴兴澄、宝钢、鄂钢等。

吴顺达等［9］研究了微量合金元素的控制对裂解连杆材料质量稳定性的影响。氮可提高材料的强度和硬度，同时使材料韧性下降，缺口敏感性增加，这对激光刻痕后的胀断是很有利的。微量的钒使材料晶粒细化，碳化物较细小和分布较均匀韧性增大，但钒含量过高将导致碳化物在晶内析出，降低材料室温韧性与强度，另外，钒形成稳定难熔的碳化物，使钢在较高温度时仍保持细晶组织，减低钢的过热敏感性。提高材料中含S量，可改善切削加工性。锰使钢中的硫形成较高熔点的MnS，避免了晶界上的FeS薄膜，消除钢的热脆性，改善热加工性能。锰可细化珠光体，并强化铁素体和珠光体，显著提高珠光体钢的强度。锰含量不能降低，但也不要过高，因为过高会使延展性有所降低。表1列举了部分裂解连杆用非调质钢材料成分。

表1 裂解连杆用调质钢的材料成分 （%）

裂解材料决定裂解加工的可裂开性和断面质量，因此，不仅要对现有的裂解材料化学成分组成及微量元素比例进行优化，还需继续研究开发技术上更先进与经济上更合理的新工艺、新材料。

1.3 连杆毛坯的成形

目前，连杆成形工艺有粉末锻造工艺、常规粉末冶金工艺、粉末热挤压、模锻工艺、锻造工艺、模铸工艺、碳纤维强化工艺等。

20世纪90年代中期，发展出采用常规粉末冶金工艺（即一次烧结法:配粉－压制－烧结－精整）制造连杆毛坯，取消了模锻工序，降低了成本［10］。美国Hoeganaes Corp.等［11］引出一种粉末温压成形的连杆制造工艺，其工艺路线为:原料粉末→温压→钻孔与攻螺纹→烧结→回火→断裂剖分。Gerald Martino等［12］提出采用粉末冶金技术加工钛合金连杆的方法，钛合金粉末平均粒子尺寸在1～20 μm，将粉末原料挤压入模具后高温烧结完成连杆成形。S.Craig Bergsma等［13］公开了一种采用半固态成型技术制造的铝合金连杆毛坯的方法，通过合理调整铝合金材料成分与热处理工艺，使铝合金连杆具有低延展性和良好的力学性能，且经裂解技术将连杆体、盖断裂剖分后，能实现精确合装。

目前使用最广泛的是模锻成形工艺，其几何形状和尺寸精度、力学性能、疲劳强度和可靠性高，适用于负荷大、转速高的发动机。常见的连杆模锻工艺流程为:下料—加热—辊锻制坯—预锻与终锻—切边与冲孔—预热淬火—回火—喷丸—清校、探伤。

吴顺达等［9］对锻造工艺参数开展了研究，锻造加热温度决定晶粒度，影响伸长率和断面收缩率，为防止连杆裂解面出现掉渣现象，胀断部位晶粒度控制不得低于3级;根据连杆表面技术要求，要控制脱碳层厚度应合理控制坯料加热时间与加热次数;锻造结束后需要控制冷却速度，有效控制铁素体的析出。铁素体含量太高将导致强度下降。

王强等［14］研发了连杆精密锻造工艺及其生产线，采用了楔横轧机自动制坯，感应加热炉自动上料，坯料温度自动分选，切边、冲连皮、热校复合模具等多项新技术。可生产各类高精度的连杆锻件，提高了生产率和产品质量。

1.4 裂解槽设计及其加工技术

裂解槽的几何参数及加工质量对提高断裂效率与裂解质量、降低裂解载荷有着决定性的影响。

杨慎华等［15］对激光切割工位对裂解质量的影响展开了研究，连杆大头孔两侧开设的裂解槽形状与尺寸应具有一致性，且调整裂解槽的切割位置应接近于连杆大头的理论中心线。阎洪涛等［8］对具有不同几何形状裂纹槽的连杆进行了裂解过程数值分析，研究表明随槽深增大裂解力锐减，提高锐度及减小张角可减小裂解力，减少裂解缺陷。

连杆裂解槽加工方法主要有机械拉削、线切割加工和激光加工。

机械拉削是裂解加工早期采用的方法，其设备投资少，加工成本低，但是刀具易磨损，造成连杆加工质量不稳定。线切割加工是瞬间放电熔化加工，不受材料的硬度、韧性和脆性的限制。但加工效率过低，不适合大批量连杆的生产。专利文献［16］研制出裂解槽的双向线切割装置，由PLC控制伺服电动机带动丝杆上的两导轮同时反向移动，能同步切割连杆内孔表面对称位置的两条裂解槽。

激光加工裂解槽是目前应用最多的加工方法，由于无刀具磨损、加工速度快、重复精度高，该方法加工的矩形槽尺寸稳定，同时槽宽很窄，可控制在0.15 mm之内，应力集中系数大，从而提高裂解质量，降低裂解力，减小大头孔的变形。但激光器的对焦繁琐、费时，当对焦不精确时，对槽宽均匀性、槽深一致性及槽面质量产生很大影响，裂解时易产生爆口缺陷。自1995年以来，德国Alfing、Mauser公司、美国通用公司研究开发了先进的激光加工裂解槽技术，瑞士LASAG公司开发了采用超大能量脉冲YAG激光器进行裂解槽的预制［17］。国内上海大众和沈阳华晨均采用光纤导光YAG固体激光切割方式加工裂解槽，奇瑞汽车公司则采用常规光束传输YAG固体激光加工裂解槽。

寇淑清等［17］研究了裂解槽加工方式对裂解质量的影响规律，采用激光预置裂纹槽试样的断口具有最小的裂尖塑性变形区域，与相同裂纹槽深度的线切割和拉削加工裂纹槽试样相比，其拉伸断裂载荷分别小20%和30%左右。

1.5 连杆脆化裂解工艺

日本本田公司［18］研究了在连杆裂解槽底部采用激光或等离子照射，使连杆裂解区局部奥氏体组织相变为马氏体组织，裂解时以马氏体组织为启裂点，而马氏体组织以外的部位不会引起脆性破坏，保证连杆在较小的载荷下从分割预定部位断裂。对于制造大功率发动机连杆的合金钢，其拉伸时断面收缩率可以达到45%，室温条件下无法采用裂解技术加工。刘劲松等［19］提出采用深冷脆化技术，改变连杆材料的延展性，在保证深冷前后的机械性能不改变的前提下，使连杆进入脆性状态，实现连杆的脆性断裂。日本研究者提出通过氢在连杆裂解槽凹口附近扩散，以使凹口附近产生氢脆化，由此在裂解过程中使凹口附近容易产生脆性断裂。

由于上述脆化处理对连杆裂解区附近组织也会有脆化作用，使得连杆面临机械强度降低的危险，因而，此类工艺不适合小尺寸连杆的制造，对于大功率发动机的连杆制造有较明显的优势。另外，连杆脆化裂解工艺可提高裂解效率，改善裂解面质量，但是从根本上解决不了裂解技术对连杆材料的局限。

1.6 裂解力能参数选择

裂解加工过程中的力能参数主要包括裂解载荷、加载速率和背压力等。研究各参数的合理选择及参数间的最佳匹配，对提高连杆裂解效率，减少裂解缺陷有着重要的意义。

张志强等［20］对捷达轿车连杆起裂过程进行数值分析，依据裂解力与J积分的关系曲线、冲击韧性与断裂韧性的关系，确定不同类型和不同材料的连杆裂解时的裂解力。裂解载荷过大将带来较大的残余应力，连杆装机后残余应力的释放将影响发动机的工作性能。而裂解载荷过小，会产生裂不开的现象，严重的还会损害裂解加工设备。

加载速率是影响裂解质量的重要因素，合理的的加载速率可提高材料的脆性。何东野等［21］对固定缺口尺寸、材质相同的模型在不同中等加载速率下缺口前端的应力、应变分布进行分析，研究发现加载速率提高后使得的屈服区域变小，脆性提高，其裂解质量有大幅度提高。杨慎华等［22］研究得出随着加载时间的减少，应力强度因子下降，临界起裂应力值降低，材料更容易实现脆性断裂，产生的塑性变形量小。适合的加载速率使得连杆断裂时应力波动幅度减小，防止因裂纹扩展不同步所造成的裂纹缺陷。

对于“背压”裂解加工方法，通过控制、调整背压力与裂解主动载荷的关系，达到断裂面平整均匀和大头孔塑性变形减小的效果。张志强等［22－23］研究了背压力与裂解载荷的关系及背压力对断面塑性变形区与变形量的影响规律，研究表明裂解力随背压力的增大而增大，二者近似呈线性关系，且断口塑性区宽度随背压力的增大而减小，当背压力大到一定值时，塑性区宽度减小放缓。

1.7 裂解加工设备

裂解连杆产品质量好坏直接决定于各工序工艺参数和裂解设备的合理结构与功能，其中定向裂解是连杆裂解加工技术的核心技术。裂解时应该保证裂解槽快速启裂、裂纹定向扩展并最后闭合，形成脆性断裂面。

德国ALFING、日本本田、丰田公司等均相继研制了包括激光加工裂解槽、裂解、定扭矩装配螺栓的核心裂解设备与生产线。吉林大学研制了采用“液压式”楔形拉杆裂解的自动化生产设备，包括完成加工预制切口、定向裂解、自动上螺栓与定扭矩装配螺栓等工序［6，8］。奇瑞汽车公司［24］研制了一种简易的“楔形块上压入式”裂解设备，将连杆座上设置可滑动的定位板，调节定位销与裂解座之间的距离，实现不同中心距、不同孔径的连杆的裂解加工。云南西仪公司［25］研制出“下压入式”裂解装置，可用在普通冲床上实现连杆的裂解加工。德国AFLING公司［26］还提出了采用水平楔入式的裂解方法对连杆大头孔进行裂解加工，直接将液压油缸及活塞安置在动、定套块内，通过活塞运动产生的力实现连杆裂解［27］。德国宝马公司、美国GIDDINGS＆LEWIS公司均采用“装有液压活塞的裂解块”对连杆大头孔进行裂解加工。

谢冰冰等［28］研究了裂解夹具对裂解质量的影响，裂解夹具应保证连杆各工序间传送精度、定位精度，连杆体与连杆盖间只能有背离直线运动，不能有任何相对转动。另外，裂解夹具的结构设计与制造时考虑拉杆与胀套的同轴度要求、胀套与连杆大头孔之间的间隙、拉杆和胀套的侧边尺寸、胀套根部的过渡圆角等因素，以提高裂解质量，延长夹具使用寿命。

在现实生产中，裂解设备对连杆裂解质量的影响是复杂的，应根据实际问题不断对设备调整与技术改进，裂解设备的柔性化、简单化是其发展的必然趋势。

2 未来发展趋势

连杆裂解技术思路新颖、方法独特、具有传统技术无法比拟的优点，适合于大批量生产，具有广阔的推广应用前景。连杆裂解已处于大批量生产应用阶段，但是在连杆裂解质量的控制方面有待提高。目前连杆裂解加工常出现的缺陷是杆、盖分离过程中有撕裂、掉渣、单边裂解或裂不开、大头孔变形及断裂面扭曲变形等，导致裂解缺陷的因素众多，影响规律复杂，有待继续深入研究。

为推动我国发动机关键零部件制造技术与核心装置的发展，提高连杆裂解技术在国内的应用水平，后续研究应重点做好以下几方面的工作:

（1）加强裂解技术的基础理论研究。应对断裂剖分动态行为、应力集中、断裂韧度以及裂纹扩展方向控制等问题进行系统的、深入的研究。

（2）开发出新的裂解连杆用材料。加快对粉末锻造、温压成形、高密度烧结工艺、注射成形等高新技术的研究;针对铝合金、钛合金、40Cr等材质的连杆制造，探索材料复合技术、连杆大头人为预制裂解层、局部组织脆化工艺等方法，突破裂解技术对连杆材料局限的瓶颈，拓展裂解连杆用材料的可选范围。

（3）探索将计算机模拟技术与实体试验相结合的研究方法。应用计算机上对不同材料、不同规格的连杆裂解力能参数进行选择，以模拟指导实践，不断调整，实现裂解载荷、加载速率、背压力等重要工艺参数达到最佳匹配，从而降低研究成本，提高研究效率。

（4）开发新型的连杆裂解设备，实现连杆的柔性化、简单化生产模式。

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