影響連桿質量的因素分析

文/馮書華·南宮市精強連桿有限公司

影響連桿質量的因素分析

文/馮書華·南宮市精強連桿有限公司

連桿是汽車發動機（圖1）的“心臟”部件，其精度和性能直接影響著發動機的整體質量。如：功率輸出、油耗多少、噪聲分貝、平穩程度、壽命長短等技術指標都與連桿的質量相關。連桿的質量80%取決于連桿的鍛件質量，本文就以C70S6材質的脹斷連桿（圖2）為例，對影響連桿鍛件質量的因素進行簡單的剖析。

圖1 使用C70S6材質脹斷連桿的發動機

圖2 使用C70S6材質的連桿

連桿材料的影響

連桿的鍛后組織是由材料的化學成分和鍛造工藝所決定的，材料各元素化學成分的含量是保證鍛后金相組織和力學性能的先天條件。如果材料進廠時不嚴格把關，導致某些關鍵微量元素超標或不足，單憑以后鍛造工藝改變是完全不可能的。因此，控制原材料的化學成分含量至關重要。鍛造廠在購料時必須與鋼廠簽訂嚴格的技術協議，使其控制在規定的范圍內，才能為鍛后連桿的質量全面達標奠定可靠的基礎，否則將無法實現。C70S6材料的化學成分含量詳見表1。

另外鋼材的低倍組織、非金屬夾雜物、帶狀組織、晶粒度、熱頂鍛測試、脫碳層、表面質量、機械性能等指標也都要在合同規定的指標范圍之內，否則鍛造連桿的先天條件是不具備的。

表1 C70S6材料的化學成分

鍛造工藝的影響

為了達到連桿的強度要求，保持良好的塑性、韌性和力學性能，在鍛造工藝上應主要控制以下四個方面。

⑴鍛造加熱溫度。

提高鍛造加熱溫度，可使V、Nb、Ti的碳氮化合物逐漸溶入奧氏體中，大量溶解的微合金碳氮化合物在冷卻過程中析出，可提高鋼的強度和硬度；但另一方面，溫度升高，也會帶來一些負面影響，如奧氏體晶粒會長大，組織粗化，韌性下降等。

⑵終鍛溫度。

適當控制較低的終鍛溫度，可使晶粒破碎增加，有效地產生形變，誘發析出彌散質點，同時再結晶驅動力減小，晶粒細化，有利于增加鋼材的韌性。

⑶變形量和變形速率。

當變形量和變形速率較大時，奧氏體晶粒碎化，奧氏體粗晶再結晶成為細晶，由于晶界增多具有大量形核位置，所以形成大量的先共析鐵素體的精細相變組織，均勻的分布在鋼材的組織里，這對鋼的韌性增加十分有利。

⑷鍛后冷卻速度。

鍛后冷卻速度對材料性能影響很大，由于冷卻過程中的相變是復雜的，自然冷卻不能有效地控制非調質鋼的質量，所以設置一個不受季節影響的冷卻裝置進行鍛后冷卻效果最佳。實際上800～500℃之間的冷卻控制，對鋼材的強度與韌性才有效果，而在此溫度范圍以外的冷卻，不能起到應有的作用。因此，冷卻速度的優化控制直接影響鋼的組織性能，必須制定科學、合理的鍛造工藝并嚴格執行，才能達到應有的效果。

連桿外部形狀的影響

連桿是發動機內部復雜系數最高的鍛件，其外部幾何形狀是由多曲面、多個不規則的形體組成。如圖3所示。它對發動機工作時敲缸、碰撞、斷裂以及裝配位置的準確性、合理性有著直接的影響。因此在連桿鍛造時必須著重控制以下幾個關鍵參數，才能使加工后的連桿達到圖紙的各項精度要求，否則靠“后天”機加工是無法進行彌補的。

圖3 連桿示意圖

⑴連桿大小孔中心距。

它是影響大小孔環帶不均勻的主要因素，由于鍛件要求的公差范圍與連桿加工后要求的環帶公差范圍不一致，前者公差要求較大，后者公差要求較小。所以在鍛造時須將中心距控制在公差中值并保持在總公差的1/2范圍內，才能滿足加工后的要求，否則將造成環帶均勻度超差。如圖4所示。

圖4 連桿大小孔環帶不均勻

控制連桿中心距的波動范圍關鍵在于控制好設備自身的溫度和模座溫度要保持在恒定的范圍內。另外根據鍛造的環境不同也要做適當的調整，否則只控制鍛造溫度，同一套模具、同一始鍛溫度，所鍛造的連桿中心距也不相同。

⑵連桿非加工面之間的相對位置。

連桿筋頂部、幅板、螺孔兩側面、異形小孔的端面等這些非加工面（如圖5），單個測量每一處尺寸都在合格范圍內。但有的在公差上限，有的在公差下限，這樣就容易造成相對位置超出圖紙要求的范圍。該現象產生的原因主要與模具設計有關，雖然測量模具的這些部位的相對位置是合格的。

圖5 連桿的非加工面

但是在鍛造過程中，由于種種原因造成金屬的流速、流向不可能與設計者的意愿完全一致。模腔狹窄且較深的、底部圓弧小且過渡不光滑的容易造成金屬流速緩慢，致使鍛件有充不飽滿或勉強充滿的現象。還有的阻料槽位置、尺寸、橋部寬窄、間隙設計不當容易造成金屬流動過快。這些都是設計缺陷，設計者要在實踐中反復跟蹤探討，逐步根據實際鍛造狀況不斷修改模具，才能達到預期的目的。但要遵循模具設計的原則，即模腔的形狀不一定完全與工件“反”形狀完全一致，金屬的流速、流向是可以改變的。

連桿設計的影響

連桿機加工完成后都要按實際重量進行分組（有的連桿孔徑也要分組），每一組重量相差規定的克數，并分成規定的組數。但事實上往往鍛件的重量控制范圍達不到機加工后給定的重量范圍。若達到這個范圍，加工后就會超出給定的組別數，給鍛造增加了不少成本。究其原因主要是連桿圖紙設計的外形尺寸與重量不匹配。

由于連桿圖紙大多數都不是制造廠設計的，而這些圖紙確實存在著非加工面的輪廓尺寸在公差上（下）限時，加工后的連桿成品重量卻已經分布在分組表的中下（上）限了，尺寸和重量參數都不允許修改時，就勢必造成鍛造重量范圍縮小等問題。遇到這種情況，就只能在非加工面自由公差要求的部位微調它們的尺寸上、下限，使重量范圍盡量趨向總成范圍。但最終也達不到機加工后的組數范圍。最好的辦法就是更改一下設計參數使之符合客觀事實。

結束語

綜上所述，要想達到理想的連桿精度，必須從源頭抓起，從設計抓起，抓住影響質量的關鍵環節和關鍵工序，只有這樣才能制造出理想產品。