裂解连杆的加工工艺及材料

裂解连杆的加工工艺及材料【摘要】文章总结了国内外裂解连杆的发展现状，主要对裂解连杆的裂解加工原理、工艺及目前存在的材料进行了叙述。同时介绍了MG研制的C70S6，其化学成分及其机械性能满足裂解连杆用材的要求。【关键词】连杆，裂解，材料TheManufactureTechnologyandMaterialofFractureSplittingConnectingRodAbstract:Theemploymentofthefracturesplittingconnectingrodallaroundtheworldwasinvestigatedanddiscribedandanalysedthesplittingprinciple,processingandmaterialsofthefracturesplittingconnectingrod.Simultaneously,thematerialC70S6ofMGwasintroduced,anditschemicalconstitutionandmechanicalpropertyweresuitableforfracturesplittingconnectingrod.Keywords:connectingrod,fractureesplittingprocess,material1引言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的强度、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[1]。连杆裂解加工技术(也称连杆涨断)作为一项制造新工艺,于二十世纪九十年代在汽车工业发达国家发展起来,并逐渐应用于大规模生产领域,以新颖的构思从根本上改变了传统连杆加工方法。由于具有传统工艺无可比拟的优点，连杆裂解新工艺在国外20世纪90年代得到迅速的发展。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。国内也有一汽大众，上海大众，华晨，奇瑞，广东四会实力连杆有限公司，青羊西菱汽车配件有限公司等相继使用了连杆裂解生产线,但是在MG发动机上却没有见到裂解连杆。长期以来发动机装上目前最先进的裂解连杆，在不提高成本的前提下，提高了发动机的性能，提高了产品的竞争力。本文介绍了目前国内外裂解连杆的使用状况，加工原理，加工工艺，连杆材料，以及MG发动机连杆的用材情况，为MG后续开发裂解连杆用材提供了一定的分析。2连杆裂解加工原理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；在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时,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,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，见图1[2]。图1裂解技术加工原理3连杆裂解加工工艺裂解加工工艺流程：粗磨连杆两侧面→精镗大小头孔、半精镗小头孔→钻、攻螺栓孔→钻油道孔→清洗→拉削裂解槽、裂解、装配、压衬套、精整衬套、倒角→精磨两侧面→半精镗、精镗大小头孔→铰珩连杆大小头孔→清洗→称重分组终检[3]。裂解加工与传统切削加工工艺的根本不同之处在于裂解加工技术需有三道关键工序：(1)加工大头孔初始裂解槽；(2)施加径向力裂解以及杆、盖精确复位工序；(3)定扭矩上螺栓工序。三道关键工序的详细描述如下：(1)加工初始裂解槽连杆大头孔初始裂解槽加工工艺、方法、加工质量直接影响裂解加工的成败，对连杆裂解技术的先进性、实用性、产品质量的影响至关重要。在裂解加工技术的早期应用中，采用了机械拉削“V型”裂解槽，槽宽较宽，槽深较浅，且在批量生产过程中会导致拉刀的磨损，使裂纹槽曲率半径增大，进一步导致裂解后大头孔的变形。20世纪90年代后期，国外研究开发了激光加工与高压水加工裂解槽技术。由于激光加工裂解槽具有切缝窄、速度快、无刀具磨损、易裂解、可显著减少裂解力及大头孔裂解变形、大幅度提高裂解质量等优点。因此激光加工裂解槽技术独具优势，正在替代最初的拉削工艺，具有广阔的应用前景。(2)裂解连杆裂解工序是该项新技术的核心，在裂解力的作用下，连杆大头孔裂解槽启裂、快速传播、定向扩展直至连杆盖与连杆本体分离，同时要使分离后的连杆盖精确复位，与连杆本体在断裂面处实现完全啮合，以进行后续加工。连杆裂解工艺方法是否合理、技术装备是否先进、可靠，直接影响连杆裂解质量和大头孔裂解时的变形量。裂解质量主要体现在断面的啮合性、裂解的成功率；而大头孔裂解时变形量太大，将影响精锉大头孔的圆度和工艺性甚至产品质量。一般情况下，裂解前后大头孔直径平均变化量要控制在0.05mm以下。目前在国内，吉林大学研究开发的具有“背压”裂解功能的连杆定向裂解机床，采用下拉式契形裂解机构，靠契形的作用迫使专门设计的胀断移动套水平运动，对连杆大头施加水平作用力。在瞬时阶跃载荷的作用下完成连杆大头的高精度、高质量、快速裂解过程。(3)定扭矩上螺栓在裂解加工后，虽然连杆盖与连杆本体精确复位并实现了杆、盖完全啮合。但为了后续的机械加工，在裂解后需采用螺栓将杆、盖连接起来，并施加一定扭矩。通常为了使裂解后的连杆本体与盖的完全啮合、不松动、不错位，要采用定位精度高的自动上、下料机械手，将连杆由裂解工序传送到定扭矩上螺栓工序[4]。4裂解连杆的材料连杆的材料及其金相组织不仅影响产品性能和切削性，而且还决定可裂开性和断面质量，因此，所用材料对裂解工艺起决定性的作用。为了满足裂解加工的质量要求，连杆材料要在保证强韧综合性能的前提下，限制连杆的韧性，使断口呈脆性断裂特征。目前，裂解连杆的材料主要有粉末冶金，锻钢和球墨铸铁。粉末冶金材料具有良好的脆性断裂性能，连杆裂解加工技术早期广泛采用此种材料。其优点是粉末锻造毛坯的精度高，不需连杆毛坯粗加工，减少材料费用和加工工序。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。铸造连杆的低塑性和易脆断非常适合裂解加工技术的应用。但是铸造连杆重量偏差大，力学性能较差,使其应用受到了限制。锻钢连杆尺寸精度高,组织结构与力学性能好,在传统连杆制造业中应用最为广泛,尤其用于负荷大、转速高的发动机以及要求连杆具有高疲劳强度和可靠性的场合。目前，欧洲、北美和日本已经开发出用于裂解加工的锻钢连杆材料，国内也有类似的材料[5]。（一）C70S6高碳微合金非调质钢德国研究开发的C70S6最早是在室温条件下采用裂解加工的锻钢连杆材料，锻后利用锻造余热控制冷却代替锻后重新调质处理，金相组织为珠光体加断续的铁素体。C70S6钢具有优良的裂解性能,但经大量的生产实际发现,C70S6的可加工性能较差,刀具磨损较快。（二）SPLITASCO系列锻钢法国研究开发的SPLITASCO系列锻钢,牌号为SPLITASCO38，SPLITASCO50和SPLITASCO70。SPLITASCO70具有和C70S6相同的化学成分，但在冶炼工艺中添加了控制合成物，进一步提高了材料的可加工性。（三）RACTIMF锻钢由CES和Bromsgrove联合研制开发的FRACTIM锻钢提高了Mn和S的含量,相应的减少了C的含量，与C70S6相比具有更好的可加工性。研究表明,为了保证裂解过程中连杆大孔的变形尽可能小,珠光体应尽可能的多。FRACTIM的组织几乎为全部的珠光体组织，具有良好的可裂解性和可加工性。（四）S53CV-FS锻钢由日本研制开发的中碳微合金非调质钢S53CV-FS具有良好的抗疲劳性。疲劳极限达到了107次循环,C70S6的疲劳极限大约是350MPa,而S53CV2FS的疲劳极限大约是420MPa,比C70S6的疲劳极限提高了约20%。（五）C70S6BY在国内，由大连钢铁集团公司研制的裂解连杆材料C70S6BY，其组织为珠光体加断续的铁素体，抗拉强度为900＋150MPa，屈服强度为520MPa，最大延伸率为10﹪，该材料的机械性能已接近德国研制的高碳微合金非调质钢C70S6。5MG车发动机连杆现状MG车的发动机连杆使用的是传统的加工工艺，其材料有35CrMoA,40Cr以及43MnS,其中合金钢35CrMoA,40Cr价格高，且需要调质处理，增加了热处理费用，所以连杆成本较高，并且还会增加污染。MG车的发动机尚未见到裂解连杆的踪影，但作为技术储备，裂解连杆用的材料早已于1998年研制完毕并制订出相应的标准RES.23.14.28。MG研制的裂解连杆材料是C70S6，其化学成分如表1所示：表1C70S6的化学成分Element(﹪)MinimumMaximumC0.700.75Mn0.400.60Si0.150.35S0.0550.20V0.0300.060Mo-0.050Cu-0.30Ni-0.20P-0.045Cr-0.075Al-0.010其特点是低硅、低锰、添加微量合金元素钒和易切削元素硫。其中碳的含量接近共析钢的含碳量（0.77﹪），锻造空冷后可得到90﹪以上的珠光体，这保证了材料的脆性，这样裂解后的塑性变形最小，有利于裂解加工。而含碳量又不能太高，亦不能太低。研究表明含C量大于0.75﹪时，锻造空冷后可能出现贝氏体与马氏体组织，提高材料的硬度，恶化切削加工性能；而含碳量过低，锻造空冷后会得到更多的铁素体组织，降低材料的抗拉强度和屈服强度，减小材料的脆性，不利于裂解加工。为了改善可加工性适当地提高了S的含量，但过多的S容易引发热脆，而Mn与S结合生产MnS，可以避免热脆的产生，但Mn含量过高又会造成材料锻造空冷后过高的硬度。而微量细化元素V的加入提高材料的强度和韧性。裂解连杆用钢的成分首先要保证锻造空冷后有足够的强度和疲劳强度以满足连杆使用性能的需要；其次要保证有最小的塑性变形，裂解后装配曲轴孔的圆度满足规定的要求；第三要保证钢材有良好的可加工性。以上MG研制的C70S6实际上是一种含碳量约为0.72﹪的高碳钢，这种钢与中碳合金钢，非调质钢和粉末冶金材料相比在生产成本和使用性能相比都具有优越性，它锻造空冷就可以得到所需要的力学性能，不需要再进行热处理，裂解后连杆与连杆盖的接触面不需要机械加工，节省了加工费用，装配后连杆与连杆盖的断裂面紧密接触并互相锁定，防止他们之间的相互移动，提高了其他系列曲轴零件的刚度，改善了发动机性能。C70S6的机械性能如下：抗拉强度≧850MPa断后伸长率≧10﹪屈服强度（Rp0.2）≧550MPa断面收缩率≧30﹪硬度248-302HBW(10/3000)由此可见，该材料强度较好、脆性适中、又有一定的塑性和韧性，具有良好的强韧综合机械性能，非常适合用来生产裂解连杆。6结语裂解连杆的使用能大大提高整机的性能，其裂解加工技术是一种极具想象力、创造力、影响力和竞争力的连杆加工最新技术，具有加工工序少、设备投资小、制造成本低、产品质量好、装配精度高、承载能力强等诸多优点，是发动机连杆制造技术的发展方向。从某种意义上讲，连杆裂解新技术已成为一个国家发动机连杆制造业发展水平的重要标志。作为一种先进的制造技术，该工艺在国外各大汽车公司得到广泛的推广应用，加工范围涵盖了轿车、轻型车等车辆的小型连杆以及卡车等重型车辆的大型连杆,并且正在逐步取代传统加工工艺，成为连杆加工业的一大趋势。而在我国国内只有一汽大众和上海大众等少数几家公司花巨资从国外引进连杆裂解生产线进行连杆裂解加工,而大多数的汽车公司连杆的生产仍然沿用传统落后的加工方法,不利于产