探析柴油發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的材料及其生產(chǎn)工藝 （下）

文／燕來(lái)榮·東風(fēng)汽車公司重型車總裝配廠

探析柴油發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的材料及其生產(chǎn)工藝 （下）

文／燕來(lái)榮·東風(fēng)汽車公司重型車總裝配廠

連桿的制造質(zhì)量直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性,這就要求連桿應(yīng)具有高強(qiáng)度、高韌性和耐疲勞性能，以及很高的重量精度。隨著汽車制造技術(shù)的發(fā)展,發(fā)動(dòng)機(jī)趨于輕量化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化,連桿制造技術(shù)和工藝也隨之發(fā)生了很大的變化。為提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力,各大汽車制造商都非常重視高強(qiáng)度、輕量化、低成本的連桿材料及制造技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)。

《探析柴油發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的材料及其生產(chǎn)工藝（上）》見(jiàn)2014年第1期

連桿加工的工藝特點(diǎn)

近些年來(lái)，由于傳統(tǒng)連桿材料成本高、工藝復(fù)雜、質(zhì)量大,工藝人員對(duì)連桿新材料和新工藝的研究一直都在進(jìn)行，這些開(kāi)發(fā)研究大致向三個(gè)方向發(fā)展:

⑴在原來(lái)調(diào)質(zhì)鋼的基礎(chǔ)上,簡(jiǎn)化加工工序和提高材料強(qiáng)韌性。

⑵開(kāi)發(fā)節(jié)約能耗、加工工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的新材料,如易切削鋼、粉末冶金和微合金非調(diào)質(zhì)鋼等。

⑶開(kāi)發(fā)質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的復(fù)合材料。

連桿受到動(dòng)載荷時(shí)，結(jié)合面的歪斜使連桿蓋及連桿體沿著剖分面產(chǎn)生相對(duì)錯(cuò)位,影響到曲軸連桿軸頸和軸瓦結(jié)合不良,從而產(chǎn)生不均勻磨損。結(jié)合面的平行度將影響到連桿體、連桿蓋和墊片貼合的緊密程度，因而也影響到螺栓的受力情況和曲軸、軸瓦的磨損情況。

連桿毛坯制造方法的選擇主要根據(jù)生產(chǎn)工藝、材料的可塑性和可鍛性及零件對(duì)材料組織性能的要求,零件的形狀及其外形尺寸,毛坯車間現(xiàn)有生產(chǎn)條件及采用先進(jìn)毛坯制造方法的可能性,來(lái)確定毛坯的制造方法。

連桿模鍛形式有兩種，一種是體和蓋分開(kāi)鍛造，另一種是將體和蓋鍛成一體。整體鍛造的毛坯需要在以后的機(jī)械加工過(guò)程中將其切開(kāi)，為保證切開(kāi)后粗鏜孔余量的均勻性，最好將整體連桿大頭孔鍛成橢圓形。相對(duì)于分體鍛造而言，整體鍛造存在所需鍛造設(shè)備動(dòng)力大，金屬纖維會(huì)被切斷等問(wèn)題,但由于整體鍛造的連桿毛坯具有材料損耗少、鍛造工時(shí)少、模具少等優(yōu)點(diǎn),故用得越來(lái)越多,成為鍛造連桿毛坯的主要形式。

總之，毛坯的種類和制造方法的選擇應(yīng)使零件總的生產(chǎn)成本降低、性能提高。目前我國(guó)有些生產(chǎn)連桿的工廠采用了連桿輥鍛工藝，該工藝生產(chǎn)的連桿鍛件在表面質(zhì)量、內(nèi)部金屬組織、金屬纖維方向以及機(jī)械強(qiáng)度等方面,都可達(dá)到模鍛水平，并且設(shè)備簡(jiǎn)單、勞動(dòng)條件好、生產(chǎn)效率較高,便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，適用于大批量生產(chǎn)。為了提高毛坯精度,連桿的毛坯尚需進(jìn)行熱校正。連桿必須經(jīng)過(guò)外觀缺陷、內(nèi)部探傷、毛坯尺寸及質(zhì)量等全方面的檢查才能進(jìn)入機(jī)械加工生產(chǎn)線。

連桿裂解加工技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟,連桿作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件,在工作過(guò)程中承受著很高的周期性沖擊力、慣性力和彎曲力。連桿的制造質(zhì)量直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性,這就要求連桿應(yīng)具有高強(qiáng)度、高韌性和耐疲勞性能，以及很高的重量精度。隨著汽車制造技術(shù)的發(fā)展,發(fā)動(dòng)機(jī)趨于輕量化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化,連桿制造技術(shù)和工藝也隨之發(fā)生了很大的變化。為提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力,各大汽車制造商都非常重視高強(qiáng)度、輕量化、低成本的連桿材料及制造技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)。

連桿裂解加工技術(shù)也稱連桿脹斷,作為一項(xiàng)制造技術(shù)于20世紀(jì)90年代在汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展起來(lái)，并逐漸開(kāi)始廣泛適用。美國(guó)通用公司、MTS系統(tǒng)公司、福特汽車公司、德國(guó)ALFING公司、EX-CELL-0公司等相繼開(kāi)發(fā)了生產(chǎn)設(shè)備及自動(dòng)化生產(chǎn)線。目前，國(guó)外連桿脹斷技術(shù)已進(jìn)入大批量生產(chǎn)階段。裂解連桿用鋼要同時(shí)滿足以下三個(gè)要求：

⑴要保證鍛造空冷后鍛件有足夠的強(qiáng)度，以滿足連桿使用性能的需要。

⑵要保證連桿裂解后有最小的塑性變形和裝配時(shí)曲軸孔的圓度符合規(guī)定的要求。

⑶要保證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鋼。因此，裂解連桿用鋼的碳含量要從一般連桿用鋼的0.45%提高到0.7%左右。

這樣鍛造空冷后的金相組織全部為珠光體，而且裂解后的塑性變形最小。但碳含量提高后，鋼材的淬透性能也會(huì)隨之提高。若保持原來(lái)的錳含量不變，鍛造空冷后硬度會(huì)提高，而且金相組織中還可能出現(xiàn)貝氏體，增加切削加工的難度。現(xiàn)代連桿加工多為用拉床拉削，對(duì)毛坯連桿的加工性能要求較高。

20世紀(jì)90年代中期，國(guó)外鋼廠與汽車廠合作開(kāi)發(fā)了裂解連桿用鋼。這種鋼在成本與性能方面都有較大的優(yōu)越性，鍛造后空冷而無(wú)需熱處理，裂解后連桿本體與連桿蓋的接觸面不需要機(jī)械加工，節(jié)約了加工費(fèi)用，裝配后連桿本體與連桿蓋的裂解面緊密接觸并互相鎖定，防止它們之間的相互移動(dòng)，提高了曲軸零件的剛度，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

裂解加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

裂解加工技術(shù)的應(yīng)用，可減少機(jī)加工工序50%～60%，節(jié)省機(jī)床設(shè)備投資約25%，減少刀具費(fèi)用約35%，節(jié)省能源消耗約40%，還可減少占地面積、減少?gòu)U品率等等，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。此外，連桿裂解技術(shù)還可使連桿承載能力、抗剪能力及桿、蓋的定位精度、裝配質(zhì)量大幅度提升，這對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)技術(shù)水平具有重要作用。

我國(guó)自20世紀(jì)90年代末開(kāi)始跟蹤并逐步引入了該工藝，相關(guān)研究和應(yīng)用正方興未艾。為了滿足裂解加工的要求，連桿的材料需要在保證強(qiáng)韌綜合性能的前提下，限制連桿的韌性，使斷口呈現(xiàn)出脆性斷裂的特征。因此，材料的選擇對(duì)裂解工藝起著決定性的作用。目前多個(gè)國(guó)家已成功開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的連桿裂解材料有多種，但在實(shí)際使用中應(yīng)用最為廣泛的主要是在歐洲率先開(kāi)發(fā)的鍛鋼材料和在北美主推的粉末冶金材料，雙方都開(kāi)展了深入的研究和開(kāi)發(fā)，并堅(jiān)持認(rèn)為各自的技術(shù)更勝一籌。

發(fā)動(dòng)機(jī)連桿裂解加工技術(shù)是目前國(guó)際上連桿生產(chǎn)的最新技術(shù)，具有傳統(tǒng)連桿加工方法無(wú)可比擬的優(yōu)越性。連桿裂解工藝與傳統(tǒng)加工工藝的區(qū)別主要體現(xiàn)在斷裂面呈現(xiàn)犬牙交錯(cuò)的自然斷裂表面，由此使其具有加工工序少、節(jié)省精加工設(shè)備、節(jié)材節(jié)能、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢(shì)。

連桿裂解加工原理是通過(guò)在連桿大頭軸承孔適當(dāng)位置設(shè)計(jì)并預(yù)制缺口（預(yù)制裂解槽），形成初始斷裂源，再主動(dòng)施加垂直于預(yù)定斷裂面的載荷，進(jìn)行引裂時(shí)缺口處將產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)滿足發(fā)生脆性斷裂的條件并且在幾乎不發(fā)生塑性變形的情況下，連桿于缺口處規(guī)則斷裂實(shí)現(xiàn)連桿體與連桿蓋的無(wú)屑斷裂剖分。由于斷裂面呈犬牙交錯(cuò)的自然形態(tài)，具有極高的定位與配合精度，因而無(wú)需再加工。在后續(xù)的大頭孔精加工及裝配過(guò)程中，以斷裂剖分的三維曲面定位分離后的連桿蓋與連桿體在斷裂面處自然嚙合、精確合裝，確保了后續(xù)連桿大頭軸承孔的精加工及連桿裝配質(zhì)量。

裂解加工所需的材料

連桿裂解加工技術(shù)屬于精密加工技術(shù)，其影響因素眾多，裂解加工質(zhì)量不易控制。目前，用于裂解加工的連桿材料主要有粉末冶金材料和鍛鋼。粉末冶金材料具有良好的脆性斷裂性能，早期裂解工藝加工連桿廣泛采用此種材料。其優(yōu)點(diǎn)是粉末鍛造毛坯的精確度高，可取消連桿毛坯粗加工，減少了材料費(fèi)用和加工工序，粉末冶金鍛造連桿甚至在燒結(jié)成形時(shí)就可預(yù)壓出裂紋槽，從而可取消初始裂紋槽加工工序。

但粉末冶金連桿制坯成本較高，且其抗疲勞強(qiáng)度低于鍛鋼連桿，這限制了其應(yīng)用的范圍。鍛鋼連桿尺寸精度高、組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能好，尤其適用于大負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速的發(fā)動(dòng)機(jī)以及對(duì)連桿具有高疲勞強(qiáng)度和高可靠性要求的場(chǎng)合。目前，歐洲和北美很多連桿生產(chǎn)企業(yè)均開(kāi)發(fā)出用于裂解加工的鍛鋼連桿，應(yīng)用較廣泛的鍛鋼連桿材料主要有C70S6高碳微合金非調(diào)質(zhì)鋼、SPLITASCO系列鍛鋼、FRACTIM鍛鋼和S53CV-FS鍛鋼等。

為了改善可切削加工性能又必須適當(dāng)降低硫含量，使錳和硫結(jié)合，故錳含量又不能過(guò)低，至少要為硫含量的3倍，以此確定錳含量的下限。美國(guó)福特公司的連桿疲勞試驗(yàn)表明,用裂解連桿用鋼制作的連桿疲勞性能與中碳合金鋼連桿的疲勞性能幾乎相同。而不同材料連桿的疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明,裂解連桿用鋼的疲勞性能高于微合金中碳鋼、調(diào)質(zhì)中碳鋼和鍛造粉末冶金。用裂解連桿用鋼生產(chǎn)連桿，由于鍛后空冷省去了淬火和高溫回火工序，再加上連桿本體與連桿蓋裝配面無(wú)需機(jī)械加工，省去了加工費(fèi)用，可以使生產(chǎn)成本降低25%。

迄今為止，德國(guó)有60種發(fā)動(dòng)機(jī)采用裂解連桿用鋼生產(chǎn)連桿，1997年鍛造了600萬(wàn)件連桿。一汽大眾的捷達(dá)轎車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿也是用這種鋼生產(chǎn)的。裂解連桿還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是尺寸不受限制，從摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿到重型載貨車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿均可采用不同類型的裂解連桿用鋼。

結(jié)束語(yǔ)

連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)的五大關(guān)鍵件之一,其在發(fā)動(dòng)機(jī)中的地位是顯而易見(jiàn)的。它是發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞動(dòng)力的主要運(yùn)動(dòng)件。由于汽車工業(yè)的快速發(fā)展,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的制造提出了更新、更高的要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新材料、新工藝和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，機(jī)械制造工藝正向高質(zhì)量、高生產(chǎn)率和低成本方向發(fā)展。裂解工藝改變了連桿加工的關(guān)鍵生產(chǎn)工序，以整體加工代替分體加工，省去分離面的拉削與磨削等工藝，降低了螺栓孔的加工精度要求，從而顯著地提高了生產(chǎn)效率。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)連桿裂解加工技術(shù)優(yōu)勢(shì)突出，目前這種新工藝在國(guó)內(nèi)外連桿生產(chǎn)線中得到迅速推廣。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展，各種先進(jìn)制造技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用是提高汽車產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本的必然途徑。因此，應(yīng)在該領(lǐng)域加大研究、開(kāi)發(fā)力度，為今后在我國(guó)推廣這一新工藝做好技術(shù)儲(chǔ)備。