汽车发动机的剖分式连杆裂解机制和过程

马燕

摘 要：在发动机中，连杆是十分重要的零部件，其加工手艺和设备很大程度反映了发动机制造业的水平。与传统的汽车发动机连杆制造工艺相比，剖分式连杆具有更出色的性能。本文主要就汽车发动机的剖分式连杆裂解机制和过程进行分析，以期为相关的研究带来启发。

关键词：汽车发动机；连剖分式；连杆；裂解机制

中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2018）04-0088-04

Abstract： in the engine， the connecting rod is a very important part， and its processing craft and equipment largely reflect the level of the engine manufacturing industry. Compared with the traditional connecting rod manufacturing process， the split connecting rod has better performance. In this paper， we analyze the mechanism and process of dissection connecting rod of automobile engine in order to enlightening the relevant research.

Key Words：automobile engine； Split type； Connecting rod； Pyrolysis mechanism

前 言

连杆是汽车发动机中具有重要作用的零部件，主要的功能是连接曲轴和活塞。近年来，随着人们生活水平的提高，汽车的拥有量不断增加，因此连杆的需求量也不断增加。以往的连杆加工技术具有废品率高、成本高、工序复杂等问题，已经不能很好的满足现代连杆制作的需求。因此，研究低成本、节材、优质价廉、降耗的连杆加工技术具有重要的现实意义。连杆裂解技术是上世纪末发展起来的的一种新工艺，从根本上改变了连杆加工方式，促进连杆加工工艺发生了重大的变化。

1 剖分式连杆裂解机制和过程

在分析剖分式连杆裂解机制和过程时，我们可以根据脆性固体断裂力学的相关知识：如果存在裂纹，脆性合金材料的应力将会十分集中，这时如果承载在低于材料的强度，那么脆性合金材料将会将会发生解理型低应力脆断，进而使塑性变形变小，并且断口的方向垂直于正应力方向。对剖分式连杆裂解机制进行分析时，主要就是依照上述这一原理[1]，如下图1所示。在其加工过程中，涉及的内容包括：其一，在整体锻造的连杆毛坯大头孔内侧，制作出两条对称的裂纹槽，初步形成断裂源；其二，在连杆上施加一个正应力，而且这个正应力应当和断裂面垂直，然后促使断裂源可以发生脆性断裂分离，形成连杆盖和连杆体；其三，将脆性分离形成的连杆盖和连杆体进行精确的复位。

1.1 裂解连杆材料

在进行裂解时，连杆材料应当具有一定的特性，具体来说，它要求连杆材料的脆性比较好，断裂面可以呈现出犬牙交错形状。与此同时，裂解连杆材料应当具有较好的机加工性能和高强度。当前，我们进行连杆裂解时，多采用的材料包括粉末冶金、可锻铸铁、微合金非调制碳钢以及球墨铸铁。其中，微合金非调制碳钢的使用范围是最广的，它的组织和力学性能相对比较好，因此获得了很广泛的使用。

1.2 初始裂纹槽的预制

随着裂解加工技术的不断发展变化，裂纹槽的加工位置也不断发生变化。当前，我们在预制初始裂纹槽时，多在整体锻造的连杆毛坯大头孔内侧，加工两条对称的裂纹槽，这种制作方法具有连杆承载能力大、工序少的优势。裂纹槽几何尺寸确定时，主要依据槽深h、曲率半径r以及张角α这3个参数。根据相关的研究证明，要想使应力集中系數保持在较大的水平，尖角槽深是一种十分有效的形式。在进行裂解槽加工时，水刀、机械拉削、激光加工以及线切割等都是十分常见的方法，其中激光加工具有易裂解、速度快、切槽深等优势，在汽车发动机中有广泛的应用[2]。

1.3 裂纹的受载扩展过程

在连杆的裂解过程中，裂纹受载扩展过程是重要的环节之一，具体如下图2所示，在断裂力学中，裂纹尖端的受载包括即张开型（I型）、滑开型（II型）以及撕开型（III型）三种。其中，张开型裂纹中，其承受的主要是与裂纹面垂直的正应力，裂纹一般会沿着y方向张开。另外值得注意的是，如果材料的断裂韧性K1处于一个极限值，那么裂纹的尖端将会失稳扩展，一直到整个断裂面形成将会停止。

2 剖分式连杆裂解加工工艺

2.1 机械式裂解加工设备及工艺

2.1.1 芯轴胀套式

在这个类型中，一般连杆的大头孔中都会安装增力机构，这个增力机构是由胀套和楔形芯轴组成的，并通过液压活塞杆，可以使楔形芯轴转动起来，进而使其开始有关的胀套运动，在胀套运动的作用下，大头孔内壁将会承受径向载荷，经过一定的时间后将发生胀断。在对连杆进行分裂时，可以依据芯轴插入方式，根据芯轴插入方式的不同，将其分为“下拉式”、“上拉式”、“水平楔入式”、“上楔入式”等。例如，德国ALFING公司制作连杆时，使用的芯轴插入方式就是“上楔入式”[3]（如下图3），具体在制作时，先将预制有裂解槽的连杆工件放置在工作台，楔形芯轴将会在一定力的作用下向下运动，并通过楔形面使裂解动套向外运动，最终实现裂解。德国ALFING公司生产出来的这个设备采用准静态瞬间加载的方式，因此它的裂解效率十分高。

根据相关的研究表明，在芯轴胀套式这一类型的工艺中，连杆胀断后的爆口现象是最主要的问题。导致连杆爆口产生的原因包括裂解槽形状精度低、胀套磨损、槽深较浅等。在对裂解槽进行加工时，配置的激光切槽机应当具备较高的精度。至于加载速度，液压系统的工作压力、泵流量、蓄势器参数、管径、阀通径、回路、液压缸参数等都会对其产生一定的影响。因此对液系统的要求较高，只有高水平的液压系统才会更好的对加载速度进行控制。

2.1.2 液压活塞式

在这个类型中，没有楔形块结构，而是直接在大头孔的动套和定套之间设置相关的液压活塞及油路，然后促使液压油缸推动活动运动的进行，最终促进连杆实现裂解。下图4为美国MTS生产的裂解设备，它所采用的生产工艺就是“液压活塞式”，它需要的裂解力比较小，而且分离面的质量很好，但是这种工艺对于裂解设备的加载速度具有比较高的要求，另外，由于连杆大端孔径的制约，活塞杆需要承受较高的压力，而且对设备元件的密封性要求十分严格，这将会在一定程度上使设备的成本增加。

2.1.3 水平滑块式

在这个类型中，进行相关的驱动时，主要是通过驱动滑块体，将具有裂解动套的滑块体装在相关的设备中，实现驱动[4]。下图5为美国福特公司采用水平滑块式工艺生产的裂解设备，它的连杆大头孔中安装有裂解动套和定套，其中裂解动套和滑块连接在一起，而裂解定套与定块连接在一起，连杆进行定位座定位时，主要是借助大端孔和小端孔。在进行裂解工作时，滑块将会在液压缸的驱动下，不断的向外发生运动，进而使裂解定套可以对大头孔内壁加载，最终使连杆体和连杆盖分开。这种方式制作的裂解设备，连杆大端保持有背压力主要是通过大头压块实现的，并使连杆断裂面的质量获得保障，促进设备生产效率和生产质量的提高。但是这种机械系统需要保证杆端和盖端的定位和导向，而且由于机床定位系统相对比较复杂，裂解设备的设计和加工具有更高的要求。

2.2 热处理辅助裂解法

2.2.1 局部热处理式

进行局部加热加工时，对钢制连杆大端的分割区进行相关的照射时多采用等离子体、激光或者高能电子束等方法，并在照射结束后在真空中冷却，改变其具备组织，变为马氏体组织，以胀断载荷为基础，促使连杆实现脆性断裂分离。另外，改变分割区材料的特征，使其变化为马氏体组织，并在胀断载荷的作用下，使连杆可以很好的实现脆断分离。但是这种工艺存在一个很大的问题，等离子体、激光或者高能电子束在对分割区进行照射时，不能很好的把握照射区域，因此除了断裂区域之外，连杆的其他位置也具有脆化风险，这将导致连杆的局部机械强度弱化，并且预定分割部位断裂也不能获得很好的保障，这种工艺的适应性比较差。

2.2.2 冷冻脆化式

就冷冻脆化加工方法来说，它认为需要提出，如果将连杆置于-60°C～-90°C的环境中，时间大致为5min左右，将改变材料的延展性，并进入脆性状态，然后发生脆性断裂分离。如果连杆材料是易于冷冻脆化的，那么则可以通过乙醇加干冰混合冷冻的方式，将连杆置于-60°C～-90°C的温度中进行冷冻，这样会将会成本。如果连杆材料是难以冷脆的，可以使用液氮实现零下190°C的冷冻[5]。在这种连杆制作工艺中，多是对连杆进行整体脆化，这将会降低连杆的机械强度；另外，在连杆脆性不断增加的情况下，如果要将其大头部分割开，断裂载荷必须很大，由此需要断裂装置变大，进而需要增加更多的设备投入，使用这种工艺需要对连杆材料进行深入的研究。

2.3 疲劳裂解法

这个类型的裂解方法，其理论依据是疲劳断裂原理和应力集中效应，加载过程中，需要使用周期性疲劳载荷，对带有预制裂解槽的连杆大头端进行重复加载，直至连杆体和连杆大端分离开来。如下图6所示，连杆小端在工作台平面上，将移动芯轴而安装在连桿大端，并在工作台面上设置了导轨槽，大端滑动座上下循环加载，进行促使连杆大端内壁周期加载。

值得注意的是，与以往的加载方式相比，这种工艺可以更好的促进能耗的降低，即便连杆材料是延性材料，断裂面也不会发生任何形式的塑性变形，这使得连杆材料可以更程度的扩展，其应用前景也十分的广泛，它实际上是绿色裂解的代表。但是应该注意，采用疲劳裂解工艺时，加载方式相对比较单一，主要就是采用直线式定向加载，这使得大头孔不能很好的均匀受载[6]。

3 结语

综上所述，当前的剖分式连杆裂解主要采用胀套组合和楔形芯轴的加工方式，虽然较传统工艺进步，但是适用的材料十分有限，有待进一步的研究。随着新技术的发展，疲劳裂解、热处理辅助裂解等成为新的发展和研究方向。但其适用中仍然存在一些问题，需要进行进一步的研究。

参考文献：

[1]董渊哲，赵升吨，张超，等. 汽车发动机用连杆裂解工艺及设备的合理性探讨[J]. 机床与液压，2016，44（5）：33-37.

[2]杨淑霞，贾全仓，李炳锋. 发动机连杆接合面裂解加工影响因素分析[J]. 现代制造技术与装备， 2012（2）：26-27.

[3]赵升吨，董渊哲，朱成成，等. 一种剖分式连杆大端的激光起爆的爆轰裂解加工工艺， CN104668926A[P]. 2015.

[4]赵升吨，董渊哲，景飞，等. 剖分式连杆的端面凸轮推动多芯轴的低周疲劳裂解设备， CN105252241A[P]. 2016.

[5]曹明礼，邓伟. 胀断连杆裂解过程受力CAE分析[J].装备制造业绿色制造、节能减排发展论坛，2012.

[6]刘振. 双金属复合裂解连杆的锻造工艺研究[D]. 江苏大学，2014.