探析柴油发动机连杆的材料及其生产工艺 （下）

文／燕来荣·东风汽车公司重型车总装配厂

探析柴油发动机连杆的材料及其生产工艺 （下）

文／燕来荣·东风汽车公司重型车总装配厂

连杆的制造质量直接影响到发动机的性能和可靠性,这就要求连杆应具有高强度、高韧性和耐疲劳性能，以及很高的重量精度。随着汽车制造技术的发展,发动机趋于轻量化、结构简单化,连杆制造技术和工艺也随之发生了很大的变化。为提高产品的竞争力,各大汽车制造商都非常重视高强度、轻量化、低成本的连杆材料及制造技术的研究和开发。

《探析柴油发动机连杆的材料及其生产工艺（上）》见2014年第1期

连杆加工的工艺特点

近些年来，由于传统连杆材料成本高、工艺复杂、质量大,工艺人员对连杆新材料和新工艺的研究一直都在进行，这些开发研究大致向三个方向发展:

⑴在原来调质钢的基础上,简化加工工序和提高材料强韧性。

⑵开发节约能耗、加工工艺简单、成本低廉的新材料,如易切削钢、粉末冶金和微合金非调质钢等。

⑶开发质量轻、强度高的复合材料。

连杆受到动载荷时，结合面的歪斜使连杆盖及连杆体沿着剖分面产生相对错位,影响到曲轴连杆轴颈和轴瓦结合不良,从而产生不均匀磨损。结合面的平行度将影响到连杆体、连杆盖和垫片贴合的紧密程度，因而也影响到螺栓的受力情况和曲轴、轴瓦的磨损情况。

连杆毛坯制造方法的选择主要根据生产工艺、材料的可塑性和可锻性及零件对材料组织性能的要求,零件的形状及其外形尺寸,毛坯车间现有生产条件及采用先进毛坯制造方法的可能性,来确定毛坯的制造方法。

连杆模锻形式有两种，一种是体和盖分开锻造，另一种是将体和盖锻成一体。整体锻造的毛坯需要在以后的机械加工过程中将其切开，为保证切开后粗镗孔余量的均匀性，最好将整体连杆大头孔锻成椭圆形。相对于分体锻造而言，整体锻造存在所需锻造设备动力大，金属纤维会被切断等问题,但由于整体锻造的连杆毛坯具有材料损耗少、锻造工时少、模具少等优点,故用得越来越多,成为锻造连杆毛坯的主要形式。

总之，毛坯的种类和制造方法的选择应使零件总的生产成本降低、性能提高。目前我国有些生产连杆的工厂采用了连杆辊锻工艺，该工艺生产的连杆锻件在表面质量、内部金属组织、金属纤维方向以及机械强度等方面,都可达到模锻水平，并且设备简单、劳动条件好、生产效率较高,便于实现机械化、自动化，适用于大批量生产。为了提高毛坯精度,连杆的毛坯尚需进行热校正。连杆必须经过外观缺陷、内部探伤、毛坯尺寸及质量等全方面的检查才能进入机械加工生产线。

连杆裂解加工技术

发动机是汽车的心脏,连杆作为发动机的重要零部件,在工作过程中承受着很高的周期性冲击力、惯性力和弯曲力。连杆的制造质量直接影响到发动机的性能和可靠性,这就要求连杆应具有高强度、高韧性和耐疲劳性能，以及很高的重量精度。随着汽车制造技术的发展,发动机趋于轻量化、结构简单化,连杆制造技术和工艺也随之发生了很大的变化。为提高产品的竞争力,各大汽车制造商都非常重视高强度、轻量化、低成本的连杆材料及制造技术的研究和开发。

连杆裂解加工技术也称连杆胀断,作为一项制造技术于20世纪90年代在汽车工业发达国家发展起来，并逐渐开始广泛适用。美国通用公司、MTS系统公司、福特汽车公司、德国ALFING公司、EX-CELL-0公司等相继开发了生产设备及自动化生产线。目前，国外连杆胀断技术已进入大批量生产阶段。裂解连杆用钢要同时满足以下三个要求：

⑴要保证锻造空冷后锻件有足够的强度，以满足连杆使用性能的需要。

⑵要保证连杆裂解后有最小的塑性变形和装配时曲轴孔的圆度符合规定的要求。

⑶要保证有良好的切削加工性能,可切削加工性能不能低于以前使用的中碳钢。因此，裂解连杆用钢的碳含量要从一般连杆用钢的0.45%提高到0.7%左右。

这样锻造空冷后的金相组织全部为珠光体，而且裂解后的塑性变形最小。但碳含量提高后，钢材的淬透性能也会随之提高。若保持原来的锰含量不变，锻造空冷后硬度会提高，而且金相组织中还可能出现贝氏体，增加切削加工的难度。现代连杆加工多为用拉床拉削，对毛坯连杆的加工性能要求较高。

20世纪90年代中期，国外钢厂与汽车厂合作开发了裂解连杆用钢。这种钢在成本与性能方面都有较大的优越性，锻造后空冷而无需热处理，裂解后连杆本体与连杆盖的接触面不需要机械加工，节约了加工费用，装配后连杆本体与连杆盖的裂解面紧密接触并互相锁定，防止它们之间的相互移动，提高了曲轴零件的刚度，改善了发动机性能。

裂解加工技术的优势

裂解加工技术的应用，可减少机加工工序50%～60%，节省机床设备投资约25%，减少刀具费用约35%，节省能源消耗约40%，还可减少占地面积、减少废品率等等，经济效益十分显著。此外，连杆裂解技术还可使连杆承载能力、抗剪能力及杆、盖的定位精度、装配质量大幅度提升，这对提高发动机生产技术水平具有重要作用。

我国自20世纪90年代末开始跟踪并逐步引入了该工艺，相关研究和应用正方兴未艾。为了满足裂解加工的要求，连杆的材料需要在保证强韧综合性能的前提下，限制连杆的韧性，使断口呈现出脆性断裂的特征。因此，材料的选择对裂解工艺起着决定性的作用。目前多个国家已成功开发和应用的连杆裂解材料有多种，但在实际使用中应用最为广泛的主要是在欧洲率先开发的锻钢材料和在北美主推的粉末冶金材料，双方都开展了深入的研究和开发，并坚持认为各自的技术更胜一筹。

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。连杆裂解工艺与传统加工工艺的区别主要体现在断裂面呈现犬牙交错的自然断裂表面，由此使其具有加工工序少、节省精加工设备、节材节能、生产成本低等优势。

连杆裂解加工原理是通过在连杆大头轴承孔适当位置设计并预制缺口（预制裂解槽），形成初始断裂源，再主动施加垂直于预定断裂面的载荷，进行引裂时缺口处将产生应力集中，当满足发生脆性断裂的条件并且在几乎不发生塑性变形的情况下，连杆于缺口处规则断裂实现连杆体与连杆盖的无屑断裂剖分。由于断裂面呈犬牙交错的自然形态，具有极高的定位与配合精度，因而无需再加工。在后续的大头孔精加工及装配过程中，以断裂剖分的三维曲面定位分离后的连杆盖与连杆体在断裂面处自然啮合、精确合装，确保了后续连杆大头轴承孔的精加工及连杆装配质量。

裂解加工所需的材料

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。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形时就可预压出裂纹槽，从而可取消初始裂纹槽加工工序。

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。

为了改善可切削加工性能又必须适当降低硫含量，使锰和硫结合，故锰含量又不能过低，至少要为硫含量的3倍，以此确定锰含量的下限。美国福特公司的连杆疲劳试验表明,用裂解连杆用钢制作的连杆疲劳性能与中碳合金钢连杆的疲劳性能几乎相同。而不同材料连杆的疲劳试验结果表明,裂解连杆用钢的疲劳性能高于微合金中碳钢、调质中碳钢和锻造粉末冶金。用裂解连杆用钢生产连杆，由于锻后空冷省去了淬火和高温回火工序，再加上连杆本体与连杆盖装配面无需机械加工，省去了加工费用，可以使生产成本降低25%。

迄今为止，德国有60种发动机采用裂解连杆用钢生产连杆，1997年锻造了600万件连杆。一汽大众的捷达轿车发动机连杆也是用这种钢生产的。裂解连杆还有一个优点，就是尺寸不受限制，从摩托车发动机连杆到重型载货车发动机连杆均可采用不同类型的裂解连杆用钢。

结束语

连杆是发动机的五大关键件之一,其在发动机中的地位是显而易见的。它是发动机传递动力的主要运动件。由于汽车工业的快速发展,对发动机零部件的制造提出了更新、更高的要求。随着科学技术的发展，新材料、新工艺和新技术不断涌现，机械制造工艺正向高质量、高生产率和低成本方向发展。裂解工艺改变了连杆加工的关键生产工序，以整体加工代替分体加工，省去分离面的拉削与磨削等工艺，降低了螺栓孔的加工精度要求，从而显著地提高了生产效率。

由于发动机连杆裂解加工技术优势突出，目前这种新工艺在国内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，应在该领域加大研究、开发力度，为今后在我国推广这一新工艺做好技术储备。