文／燕來榮·東風汽車公司重型車總裝配廠

探析柴油發(fā)動機連桿的材料及其生產(chǎn)工藝 （下）

文／燕來榮·東風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)動機的性能和可靠性,這就要求連桿應具有高強度、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)動機趨于輕量化、結(jié)構(gòu)簡單化,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)品的競爭力,各大汽車制造商都非常重視高強度、輕量化、低成本的連桿材料及制造技術(shù)的研究和開發(fā)。

《探析柴油發(fā)動機連桿的材料及其生產(chǎn)工藝（上）》見2014年第1期

連桿加工的工藝特點

近些年來，由于傳統(tǒng)連桿材料成本高、工藝復雜、質(zhì)量大,工藝人員對連桿新材料和新工藝的研究一直都在進行，這些開發(fā)研究大致向三個方向發(fā)展:

⑴在原來調(diào)質(zhì)鋼的基礎上,簡化加工工序和提高材料強韌性。

⑵開發(fā)節(jié)約能耗、加工工藝簡單、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開發(fā)質(zhì)量輕、強度高的復合材料。

連桿受到動載荷時，結(jié)合面的歪斜使連桿蓋及連桿體沿著剖分面產(chǎn)生相對錯位,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)條件及采用先進毛坯制造方法的可能性,來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械加工過程中將其切開，為保證切開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。相對于分體鍛造而言，整體鍛造存在所需鍛造設備動力大，金屬纖維會被切斷等問題,但由于整體鍛造的連桿毛坯具有材料損耗少、鍛造工時少、模具少等優(yōu)點,故用得越來越多,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使零件總的生產(chǎn)成本降低、性能提高。目前我國有些生產(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械強度等方面,都可達到模鍛水平，并且設備簡單、勞動條件好、生產(chǎn)效率較高,便于實現(xiàn)機械化、自動化，適用于大批量生產(chǎn)。為了提高毛坯精度,連桿的毛坯尚需進行熱校正。連桿必須經(jīng)過外觀缺陷、內(nèi)部探傷、毛坯尺寸及質(zhì)量等全方面的檢查才能進入機械加工生產(chǎn)線。

連桿裂解加工技術(shù)

發(fā)動機是汽車的心臟,連桿作為發(fā)動機的重要零部件,在工作過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)動機的性能和可靠性,這就要求連桿應具有高強度、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)動機趨于輕量化、結(jié)構(gòu)簡單化,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)品的競爭力,各大汽車制造商都非常重視高強度、輕量化、低成本的連桿材料及制造技術(shù)的研究和開發(fā)。

連桿裂解加工技術(shù)也稱連桿脹斷,作為一項制造技術(shù)于20世紀90年代在汽車工業(yè)發(fā)達國家發(fā)展起來，并逐漸開始廣泛適用。美國通用公司、MTS系統(tǒng)公司、福特汽車公司、德國ALFING公司、EX-CELL-0公司等相繼開發(fā)了生產(chǎn)設備及自動化生產(chǎn)線。目前，國外連桿脹斷技術(shù)已進入大批量生產(chǎn)階段。裂解連桿用鋼要同時滿足以下三個要求：

⑴要保證鍛造空冷后鍛件有足夠的強度，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隨之提高。若保持原來的錳含量不變，鍛造空冷后硬度會提高，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，對毛坯連桿的加工性能要求較高。

20世紀90年代中期，國外鋼廠與汽車廠合作開發(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，鍛造后空冷而無需熱處理，裂解后連桿本體與連桿蓋的接觸面不需要機械加工，節(jié)約了加工費用，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，提高了曲軸零件的剛度，改善了發(fā)動機性能。

裂解加工技術(shù)的優(yōu)勢

裂解加工技術(shù)的應用，可減少機加工工序50%～60%，節(jié)省機床設備投資約25%，減少刀具費用約35%，節(jié)省能源消耗約40%，還可減少占地面積、減少廢品率等等，經(jīng)濟效益十分顯著。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，這對提高發(fā)動機生產(chǎn)技術(shù)水平具有重要作用。

我國自20世紀90年代末開始跟蹤并逐步引入了該工藝，相關(guān)研究和應用正方興未艾。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，材料的選擇對裂解工藝起著決定性的作用。目前多個國家已成功開發(fā)和應用的連桿裂解材料有多種，但在實際使用中應用最為廣泛的主要是在歐洲率先開發(fā)的鍛鋼材料和在北美主推的粉末冶金材料，雙方都開展了深入的研究和開發(fā)，并堅持認為各自的技術(shù)更勝一籌。

發(fā)動機連桿裂解加工技術(shù)是目前國際上連桿生產(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)省精加工設備、節(jié)材節(jié)能、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢。

連桿裂解加工原理是通過在連桿大頭軸承孔適當位置設計并預制缺口（預制裂解槽），形成初始斷裂源，再主動施加垂直于預定斷裂面的載荷，進行引裂時缺口處將產(chǎn)生應力集中，當滿足發(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)則斷裂實現(xiàn)連桿體與連桿蓋的無屑斷裂剖分。由于斷裂面呈犬牙交錯的自然形態(tài)，具有極高的定位與配合精度，因而無需再加工。在后續(xù)的大頭孔精加工及裝配過程中，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，減少了材料費用和加工工序，粉末冶金鍛造連桿甚至在燒結(jié)成形時就可預壓出裂紋槽，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，且其抗疲勞強度低于鍛鋼連桿，這限制了其應用的范圍。鍛鋼連桿尺寸精度高、組織結(jié)構(gòu)與力學性能好，尤其適用于大負荷、高轉(zhuǎn)速的發(fā)動機以及對連桿具有高疲勞強度和高可靠性要求的場合。目前，歐洲和北美很多連桿生產(chǎn)企業(yè)均開發(fā)出用于裂解加工的鍛鋼連桿，應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降低硫含量，使錳和硫結(jié)合，故錳含量又不能過低，至少要為硫含量的3倍，以此確定錳含量的下限。美國福特公司的連桿疲勞試驗表明,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需機械加工，省去了加工費用，可以使生產(chǎn)成本降低25%。

迄今為止，德國有60種發(fā)動機采用裂解連桿用鋼生產(chǎn)連桿，1997年鍛造了600萬件連桿。一汽大眾的捷達轎車發(fā)動機連桿也是用這種鋼生產(chǎn)的。裂解連桿還有一個優(yōu)點，就是尺寸不受限制，從摩托車發(fā)動機連桿到重型載貨車發(fā)動機連桿均可采用不同類型的裂解連桿用鋼。

結(jié)束語

連桿是發(fā)動機的五大關(guān)鍵件之一,其在發(fā)動機中的地位是顯而易見的。它是發(fā)動機傳遞動力的主要運動件。由于汽車工業(yè)的快速發(fā)展,對發(fā)動機零部件的制造提出了更新、更高的要求。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，新材料、新工藝和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，機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)動機連桿裂解加工技術(shù)優(yōu)勢突出，目前這種新工藝在國內(nèi)外連桿生產(chǎn)線中得到迅速推廣。隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，各種先進制造技術(shù)的開發(fā)應用是提高汽車產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本的必然途徑。因此，應在該領(lǐng)域加大研究、開發(fā)力度，為今后在我國推廣這一新工藝做好技術(shù)儲備。