降低連桿裂解工藝廢品率的探索和實踐

郭水明

（上海大眾汽車有限公司，上海201805）

降低連桿裂解工藝廢品率的探索和實踐

郭水明

（上海大眾汽車有限公司，上海201805）

介紹了連桿裂解技術在大批量生產應用中的一些經驗，探究了連桿激光加工裂解工藝的一些技術細節，對解決連桿爆口、錯位、變形、夾渣等問題給出了具體的方法和建議。

連桿裂解激光加工爆口

1 前言

連桿是發動機上的關鍵零件，在高頻率疲勞載荷下工作，對強度有較高的要求，對其制造方法及技術，國內外都給予了極大的關注，連桿裂解（也稱連桿漲斷、撐斷）加工工藝是20世紀90年代初發展起來的一種連桿加工新技術[1]。該技術從根本上改變了傳統的連桿加工方法，是對傳統連桿加工的一次重大變革。在加工實踐中發現，裂解工藝存在廢品率較高的缺陷。本文在分析廢品類型的基礎上，通過長時間在生產實際中的探索和實踐，給出了針對性的解決方法，有效地降低了裂解工藝的廢品率。

2 連桿裂解裝置原理

圖1為連桿裂解裝置原理圖。圖中1為漲斷斜鍥，2為半圓形漲斷套，3為半圓形定位套。定向裂解時，漲斷斜鍥1在油缸壓力的作用下，沿箭頭方向移動，擠壓漲斷套2向右移動，在擠壓力的作用下，連桿大頭孔沿預先加工好的應力槽裂解為兩半。

圖1 裂解裝置原理圖

3 缺陷類型分析

通過分析連桿裂解工藝的產品，發現裂解工藝連桿報廢的缺陷類型主要有以下4種：連桿斷裂面的爆口、錯位、夾渣和連桿大孔的變形。

（1）爆口。連桿裂解工藝的最主要缺陷表現為連桿裂解斷裂面的大面積掉渣，這會減少結合面的面積，影響連桿結合面的結合強度，降低連桿的力學性能。生產中規定爆口面積超過3×2.5 mm2，即為廢品，參見圖2。圖中左側2根連桿爆口面積大于3×2.5 mm2為廢品，右側2根連桿爆口面積小于3×2.5 mm2為合格品。

（2）錯位。連桿桿身和蓋的結合面有明顯錯位，側向錯位大于0.02 mm，徑向錯位大于0.03 mm，即為廢品，如圖3所示。

（3）夾渣。連桿桿身和蓋結合面之間夾有裂解表面掉落的金屬顆粒，這會導致結合面失去結合力，見圖4中箭頭所指處。

（4）大孔變形。漲斷后，重新裝配好的連桿大孔，沿桿身方向變形過大，導致后續連桿大頭孔精鏜工序出現鏜孔黑疤而報廢，或者在發動機裝配環節再次拆裝時，沿桿身方向變形過大而報廢，見圖5。

圖2 連桿裂解斷裂面的爆口缺陷

圖3 桿身和蓋結縫處有明顯的錯位痕跡

造成這4種缺陷的原因主要集中在連桿毛坯、應力槽加工、夾具定位、設備等4個方面。以下分別介紹了這4個方面對連桿裂解報廢缺陷的影響和解決方法。

4 缺陷的影響因素和解決方法

4.1 連桿毛坯的影響和解決方法

圖4 結合面處有金屬顆粒

圖5 連桿大孔變形的測量情況

裂解加工對毛坯材料有較高要求[2]，上海大眾公司EA113發動機連桿毛坯采用添加硫和錳等元素的C70S6BY高碳鋼，經過鍛造加工處理。對材料中各元素的比例應嚴格監控，如果比例超差，很容易發生掉渣、爆口等缺陷；毛坯要經過足夠長時間的時效處理，消除內應力，如毛坯存在內應力，裂解時很容易發生連桿大孔錯位、變形等缺陷。

在發動機廠剛開始引進裂解技術時，連桿爆口率居高不下。通過對爆口連桿和未爆口連桿的材料成分進行分析，發現爆口連桿存在元素含量超標的情況。表1為部分元素的對比結果。

表1 爆口和未爆口連桿的材料成分對比

上表中，連桿1沒有出現爆口，連桿2～4均出現爆口，且爆口連桿均有元素超標。未爆口連桿的化學成分在有效范圍之內，而爆口連桿的成分則有一定偏差，C、Mn、S元素的含量超出了有效范圍。這3種元素對爆口影響最大，其含量的增加均增大了材料的脆性，是造成爆口的一個重要原因。經過嚴格控制連桿毛坯的化學元素成分，爆口率由4.02%降低到3.14%。

影響連桿毛坯的另一個因素是，若連桿毛坯內應力沒有完全消除，則裂解后，就會發生嚴重的連桿大孔變形，導致廢品。為了避免連桿毛坯內部應力對變形的影響，抽取若干連桿毛坯，沿與連桿中心線垂直的連桿大孔直徑方向，用線切割方法切開，測量變形量，經過足夠長時效處理的連桿發生的變形量見表2。

表2 經時效處理后連桿的變形量

滿足上述變形量要求的連桿毛坯不會對大孔變形造成不良影響，沒有經過足夠長時效處理、沒有有效消除內應力的連桿，切開時變形量一般要大于0.5 mm。在嚴格控制毛坯質量、消除內應力的情況下，連桿大孔變形可完全控制在公差范圍之內，連桿大孔精鏜不會出現鏜孔黑疤。

4.2 應力槽的影響和解決方法

圖6為激光加工應力槽示意圖。激光槍可以是單頭也可以是雙頭。單頭激光槍需來回擺動，連桿不動；雙頭槍連桿動，槍不動。

應力槽的加工質量直接影響到連桿裂解時爆口的多少。為減少裂解時所需的漲斷力，理論上割槽深度盡可能的深，但因鏜孔余量的限制，割槽深度不能太深，但槽太淺，連桿漲斷時會爆口，所以激光割槽深度一般應控制在0.5 mm之內。

在投產后不久，排除連桿毛坯因素，連桿漲斷的爆口發生率還是保持在較高的水平，基本在3%～4%之間徘徊。經過一段時間的觀察和分析，發現其主要原因是應力槽的加工質量沒有得到有效的保證。

圖6 激光加工示意圖

為了保證應力槽的加工質量，采取了4項改進措施：加強對激光割槽的監控、調整激光參數、調整焦點位置、保證保護氣壓力。

4.2.1 對激光割槽監控

為了有效監控激光割槽的效果，生產現場專門配置了專用的電子顯微鏡，以輔助激光槍的調整。每次調整激光參數后，試驗加工2至3根連桿，觀察激光調整后的割槽效果。激光割槽深度一般應控制在0.5 mm之內。兩邊槽深越對稱越好，兩邊槽的深度偏差應控制在0.1 mm之內，這樣基本可以避免單邊斷裂和爆口。

要達到上述指標，需要對激光噴嘴和連桿大孔內壁之間的距離做調節。割槽時，激光噴嘴和加工面的距離應保持在0.5 mm左右，兩邊的距離誤差應控制在0.05 mm之內，這樣兩邊的割槽深度才能基本一致。

應力槽割線的位置在沿大、小頭孔中心線連線方向的偏移量要加以控制，往桿身方向的偏移量不大于0.3 mm，往蓋側的偏移量不大于0.7 mm，割線位置落在此范圍內，可有效控制大孔變形。

4.2.2 激光參數的選擇

上海大眾發動機廠采用的是德國ALFING公司漲斷專機，使用TRUMPF公司的HL 62P激光器。激光束在工件表面的聚焦直徑、切割速度、脈沖功率、脈沖時間這4個加工參數，對裂解槽深度、寬度、脈沖打孔連續性、裂解槽尖角處圓角半徑有直接顯著的影響。要達到良好的割槽效果，各激光參數的選擇，需要根據加工時的實際情況作一定的調整。使用YAG激光源的HL 62P激光器，其各項性能參數允許的調整范圍及最終選擇的激光參數見表3[3]。在這樣的參數條件下，可以得到較好的割槽效果，從而保證割槽深度達到0.5 mm。

表3 激光參數范圍表

4.2.3 焦點位置的選擇

除了激光參數的設定，激光焦點離切割表面的距離也需要仔細調整，一般以焦點剛好落在被切割零件表面為好。若焦點在零件表面上方或在零件表面下方，都會引起槽孔變淺變細。圖7給出了激光焦點位于不同位置時激光割槽的效果。

根據實際加工試驗，圖7(a)和(c)所示焦點位置，都需要更大的漲斷力，并且更容易發生爆口和大孔變形；圖7(b)所示焦點位置，是比較理想的焦點位置。

圖7 焦點落在不同位置時的激光割槽深度

4.2.4 保護氣壓力設定

要達到理想的割槽效果，保護氣體壓力的設定同樣重要。吹氣壓力基本上要達到1 000 kPa，否則，熔化的金屬液體不能被有效吹凈，冷卻后，會形成馬氏體凝結塊，嚴重影響割槽質量，會導致連桿不易漲斷和易撕裂掉渣。

保護氣體壓力不足，也容易導致金屬霧氣通過激光噴嘴孔，粘附到防護鏡片上，影響激光通過，同樣會導致割槽失敗。為防止吹散的金屬液四濺到周圍，以及蒸發的金屬霧氣粘附到防護鏡片上，割槽工位還設置了專門的吸氣裝置。吸氣裝置的吸氣量應大于吹氣量，以保證吸走氣霧和飛濺的金屬液。

通過調整合適的激光參數、焦點位置、保持足夠保護氣壓力，再借助于電子顯微鏡對割槽深度位置等進行監控，有效地保證了應力槽的加工質量，連桿漲斷時爆口的發生率大幅度降低。目前，已可以保持在0.6%的較低水平。

4.3 蓋和桿身錯位解決方法

裂解后的桿身和蓋，因后續加工的需要，要用螺栓按一定扭矩裝配在一起。在實際加工中，會發生桿身和蓋的結合面錯位，這會導致連桿漲斷面不能精確嚙合，影響連桿性能，導致出現廢品。

4.3.1 定期檢查更換夾具

經過仔細的觀察和比較發現，加工時由于桿身和蓋所受的壓緊力不一樣，桿身被壓塊緊緊壓住，而蓋不受壓力，可以前后移動，如果定位夾具的定位面磨損嚴重，導致蓋和桿身的夾具定位面有落差。當落差達到0.05 mm以上時，桿身和蓋的上下錯位的現象會很嚴重，發生的比例可達80%以上，會嚴重影響生產。用于連桿大孔內定位的L型夾具磨損也是不均勻的，擰緊螺栓時，桿身是不動的，蓋在移動，與蓋接觸的一側夾具磨損比較快。當加工數量達到90萬根連桿后，L型夾具磨損已相當嚴重，會出現蓋和桿身的左右錯位。為避免這種錯位現象，定位夾具要及時更換。一般每半年要更換一次，進口夾具的更換時間可延長到一年，甚至2年。此外，要嚴格控制好國產夾具的加工精度和硬度，桿身和蓋夾具定位面之間的上下偏差應控制在0.01 mm之內，L型夾具兩圓弧定位面之間的落差應控制在0.01 mm之內，夾具硬度應達到HRC 60±2。

通過嚴格控制定位夾具的加工質量和定期檢查更換夾具，徹底解決了蓋和桿身錯位的問題。

4.3.2 定位夾具的保養

因激光熔化金屬后，金屬氣霧凝結在夾具體上，會造成連桿定位偏斜，引起激光割槽深淺不一，質量下降，甚至導致激光噴嘴和連桿的碰撞，撞毀噴嘴和激光槍，因此，必須定期對夾具進行清理。根據大批量生產積累的經驗，一般同一個夾具加工500至600根連桿后，就要對夾具做清理，清除上面的熔渣凝結塊。在制訂和執行這個標準之前，由于對夾具溶渣清理不及時，每年要發生1～2次激光槍頭的碰撞事故，造成較長時間的停機，以及備件損失。

圖8 磨損的平面定位夾具

圖9 磨損的L型定位夾具

4.4 夾渣問題解決方法

連桿裂解后，在連桿漲斷面會留下少量的細小顆粒，會對后續的裝配造成不良影響。若顆粒進入油道和軸承間隙，還會引起發動機軸瓦拉毛，影響發動機的使用壽命，引發嚴重的質量問題。必須采取相應的措施，除去漲斷面留的顆粒狀碎屑。比較可行的方法是增加吹氣裝置、吸氣裝置和振動裝置。吹氣壓力一般在500 kPa以上，對著斷裂面吹，吹氣角度最好是45°；為防止吹落碎屑飛濺，吸氣裝置的吸氣量應大于吹氣量；還有部分的碎屑，則需要依靠振動裝置，將桿身和蓋結合面上的碎屑振落下來。在振動過程中，不允許桿身和蓋的漲斷面有接觸，以免破壞結合面的狀態。在早期，發動機制造廠家還沒有認識到這個問題的嚴重性，設備一般不帶振動裝置，近期的設備都帶有振動裝置。在連桿爆口得到較好控制的情況下，帶有吸氣裝置和振動裝置的設備，已能較好地解決夾渣問題。

5 結論

連桿裂解加工工藝，加工廢品的類型主要有4種：連桿斷裂面的爆口、錯位、夾渣和連桿大孔的變形，造成這4種類型廢品的原因，與連桿毛坯、應力槽加工、定位夾具、設備等方面有關。通過對上述幾個方面的分析研究和試驗，采取了相應的措施，通過控制毛坯質量、改善應力槽加工、保證夾具加工精度、定期更換夾具、改進設備裝置等方法，通過長期的實踐檢驗，有效降低了工廢。連桿裂解加工工藝的廢品率從開始的4%降低到目前的0.6%，顯著地降低了發動機的制造成本，提升了發動機的制造質量。

1 Becker L T.Method of Cracking a Connecting Rod[P]: US,5,274,919[P/OL].1994-01-04.http://patft.uspto. gov/netacgi/nph-Parser?Sect2=PTO1&Sect2= HITOFF&p=1&u=/netahtml/PTO/search-bool. html&r=1&f=G&l=50&d=PALL&RefSrch=yes&Query =PN/5274919.

2 Robat D.Steels for Connecting Rod Forgings with Optimum Splittability[C].16th International Forging Congress,Beijing,1999.

3 Manual of Laser Device HL 62P.Edition:November 1996.

圖13 應用機械挺桿后的機油壓力曲線

圖14 優化方案機油壓力曲線

（2）對發動機潤滑系統的改進能夠改善機油供應的分配矛盾。經過潤滑系統的重新匹配試驗，取得了良好的結果，在最小的代價下同時滿足VCT裝置和缸蓋對機油的需求。

（3）在頂置凸輪軸發動機上較小的改進代價，引入VCT裝置。通過重新匹配潤滑系統等改善工作和試驗，順利得到了一款動力性能、經濟性及排放性能，包括平順性大大提高的改進款發動機，滿足市場需求。

（4）該改進和匹配過程可為其他發動機引入VCT系統，在潤滑系統的改善工作方面提供參考，以期能節省大量的時間和費用。

參考文獻

1王立彪，何邦全，謝輝等．發動機可變氣門技術的研究進展，天津大學內燃機燃科學國家重點實驗室。

2董敬，莊志，常思勤．汽車拖拉機發動機[M]．北京：機械工業出版社，1999．

3林秉華．最新汽車設計實用手冊[M]．黑龍江：黑龍江人民出版社，2005．

4童寶宏，桂長林，陳華等．發動機潤滑系的研究與進展[J]．車用發動機，2007（4）．

5談建，童寶宏．發動機潤滑系統典型組成部件工作性能的試驗研究[J]．小型內燃機與摩托車，2006（12）．

Research and Practice of Reducing Scrap Rate in Cracking Process of Connecting Rod

Guo Shuiming
（Shanghai Volkswagen Automotive Co.,Ltd.,Shanghai 201805,China）

Some experience of applying cracking technology of connecting rod in mass production is, introduced.Some technical details of the cracking process of connecting rod is studied,and then proposals and methods are given of dealing with the problems of separated surface,mismatch,deformation and slag in the assemble of connecting rod.

cracking of the connecting rod,laser processing,separated surface

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.03.010

來稿日期：2012-03-09

郭水明（1967-），男，高級工程師，主要研究方向為發動機連桿的制造工藝和加工設備。