發(fā)動機(jī)連桿斷裂剖分新技術(shù)

1、發(fā)動機(jī)連桿斷裂剖分新技術(shù) 北京機(jī)電研究所 謝談余寧蔣鵬邊詡9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)摘要介紹了國外用于汽車連桿制造的斷裂剖分新技術(shù)，分析了斷裂剖分的機(jī)理和發(fā)生條件，探討了應(yīng)用該技術(shù)時需要考慮的一些關(guān)鍵問題，最后介紹了連桿斷裂剖分裝置。9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)關(guān)鍵詞：連桿斷裂剖分機(jī)理裝置9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)一、引言9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)連桿是發(fā)動機(jī)中高精度的關(guān)鍵零件，由連桿體、連桿蓋共同組成。在傳統(tǒng)制造工藝中，連桿體和蓋的制造依賴兩種方法：1)連桿體和蓋整體鍛造鋸切分離接觸面機(jī)加工裝配。2)連桿體蓋分別鍛造接觸面機(jī)加工裝

2、配。采用上述兩種工藝，不僅需對連桿體和蓋的聯(lián)接面進(jìn)行銑削和磨削，并且在該聯(lián)接面上還要鉆鉸螺栓定位孔和攻螺紋孔，或者切制端面齒，鉆鉸定位銷孔和鉆螺栓孔等，以便將來能使連桿體蓋實現(xiàn)精確合裝。為此，需要較多的加工機(jī)床，經(jīng)過十幾道工序，耗費大量的加工工時。9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)針對連桿傳統(tǒng)制造工藝中的缺點，為了降低制造費用和工時，提高配合精度，連桿斷裂剖分工藝被提出，并首先于80年代中，由Alfling公司在德國申請專利。其后，有關(guān)研究不斷在美、德獲得進(jìn)展。進(jìn)入90年代，該工藝在工業(yè)發(fā)達(dá)國家進(jìn)入實際應(yīng)用生產(chǎn)階段。適用的毛坯由最初的粉末鍛造連桿，發(fā)展到中高碳鋼鍛造連桿，使用的廠家覆蓋

3、了美國三大汽車公司，以及德國奔馳、寶馬等著名企業(yè)。目前國內(nèi)應(yīng)用該技術(shù)的廠家是一汽大眾發(fā)動機(jī)廠，引進(jìn)德國技術(shù)裝備，適用于每缸五氣門新型發(fā)動機(jī)連桿。9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)二、連桿斷裂剖分工藝9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)鍛造的連桿毛坯，在實施斷裂剖分之前，先粗鏜連桿大頭孔，然后在其預(yù)定斷裂處加工兩個對置的溝槽，為應(yīng)力集中點，見圖 1a。隨后，將連桿大頭孔套裝到一臺進(jìn)行斷裂剖分的裝置的兩個半芯軸上，并將連桿進(jìn)行定位和夾緊。然后利用沖擊力，將用來脹裂連桿的楔插入上述半芯軸中，此時在楔的沖擊下，連桿的大頭孔在溝槽處被斷裂剖分為連桿體和連桿蓋，見圖1b。9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)

4、-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)a)開槽的連桿b)斷裂剖分工藝示意9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)圖 1連桿斷裂剖分工藝示意圖9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)這種新工藝，使分離后的連桿和連桿蓋能直接在斷裂面處自然精確合裝，無需加工配合面，達(dá)到了減少加工工序和減少加工機(jī)床的目的。此外，除連桿剖分面具有較高的配合精度外，還由于其剖分接觸面是凸凹不平的，大大提高了接觸面積，從而提高了連桿承載能力。9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)三、斷裂剖分機(jī)理9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)1.脆性斷裂9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)該工藝的理論基礎(chǔ)是斷裂力學(xué)中的脆性斷裂理論

5、。據(jù)斷裂力學(xué)可知，斷裂過程中裂紋表面通常有三種位移形式，即張開型、前后滑移型、平面剪切型。當(dāng)物體受垂直于斷裂平面的正應(yīng)力拉力時，屬張開型斷裂，這是脆性斷裂產(chǎn)生的形式和條件。脆性斷裂具有以下發(fā)生特點：1)斷裂時承受的工作應(yīng)力較低，通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，塑性變形小；2)斷裂受溫度影響較大；3)斷口方向與正應(yīng)力相垂直。9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)連桿斷剖工藝正是依照脆性斷裂的上述特點，通過在連桿大頭內(nèi)側(cè)開出V型槽，然后施加垂直于預(yù)定斷裂面的正應(yīng)力，滿足脆性斷裂的發(fā)生條件，使連桿體一蓋在不發(fā)生塑性變形的情況下被分離。應(yīng)關(guān)注以下幾個問題：1)毛坯材料；2)V型槽形狀與所需應(yīng)力關(guān)系；3

6、)操作溫度。9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)2.毛坯材料9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)由于脆性材料更易發(fā)生脆性斷裂，適于采用斷剖工藝制造的連桿，主要采用下述三種材料的毛坯：1)粉末鍛造毛坯；2)可鍛鑄鐵；3)70高碳鋼。這三種材質(zhì)的毛坯，室溫下可實現(xiàn)脆性斷裂，連桿大頭孔不產(chǎn)生明顯塑性變形，其變形量40m，經(jīng)機(jī)加工后，其圓度誤差可減為3m。此外，4555鍛鋼毛坯也可使用斷剖技術(shù)進(jìn)行連桿制造，但必須保證在40時，才可實現(xiàn)脆性斷裂，保證脹裂后的變形足夠小。9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)3.溫度影響9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)斷裂剖面如同沖壓面一樣，通常

7、分為三區(qū)，由斷裂源向外依次可分為纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇(見圖 2)。當(dāng)斷面的放射區(qū)較寬時，表示材料的塑性差，脆性較大。反之，纖維區(qū)較大，表明材料的塑性及韌性較好。如何加大放射區(qū)寬度，縮小纖維區(qū)寬度，是實現(xiàn)脆性斷裂的條件。9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)圖 2斷口剖面示意9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)圖3所示為溫度對斷口三要素各區(qū)大小的影響，材料為40Cr，從圖中可見，當(dāng)溫度低于室溫時，放射區(qū)即已顯著增大，這樣為室溫下實施連桿的斷剖工藝提供了實驗保障。力學(xué)性能與40Cr相近的70以上碳鋼，同樣符合圖 4所顯示的溫度分區(qū)趨勢。9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)圖 3溫

8、度對脆性斷裂的影響9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)圖 4斷裂強(qiáng)度與裂紋深度的關(guān)系曲線9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)4.溝槽深度a與斷裂強(qiáng)度的關(guān)系9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)由圖4可見，裂紋(V形槽)深度與斷裂強(qiáng)度c成反比，即對于一定的應(yīng)力值，存在著一個臨界的裂紋深度ac，當(dāng)裂紋深度小于此值時，裂紋是穩(wěn)定的，只有大于此值時，裂紋失穩(wěn)，裂紋愈深，材料的臨界斷裂應(yīng)力愈低。深度a與的關(guān)系如下：9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)當(dāng)帶缺口的結(jié)構(gòu)受外力時，在裂紋尖端附近產(chǎn)生一應(yīng)力強(qiáng)度因子KIC(又稱材料斷裂韌性值)控制的應(yīng)力。當(dāng)外力增加時，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨

9、之增加，當(dāng)KI達(dá)到某一臨界值KIC時，裂紋發(fā)生失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)脆性斷裂，即KIKIC。9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)對于一定的材料，KIC為一常值，可查表求出，也可通過測試方法確定(更加精確)。KIC值越低，越易發(fā)生脆性斷裂。因而對KIC值的測試計算，應(yīng)是研究斷剖機(jī)理的重點。9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)根據(jù)KIC原理，對于一個給定尺寸的缺口可以計算出作用應(yīng)力。反之，對于給定作用應(yīng)力的構(gòu)件，可以預(yù)測臨界裂紋尺寸。這一原理為連桿斷裂剖分提供了設(shè)計依據(jù)。9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)四、斷剖裝置的設(shè)計9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)設(shè)計合理的斷裂剖分裝置是實

10、施斷裂剖分的關(guān)鍵因素。其設(shè)計原則是：1)斷裂力能瞬時突然作用，這是因為力的施加速度對實現(xiàn)脆性斷裂有重要影響。2)在這一過程中，連桿要牢固安裝不能活動。在分離過程中，連桿體、蓋只能發(fā)生相背離的直線運動，任何連桿體、蓋之間的相對轉(zhuǎn)動，都會引起不必要的塑性變形導(dǎo)致將來不能進(jìn)行正常的合裝。9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)斷剖裝置主要包括：固定底座、連桿蓋支座、連桿體支座，每個支座配有導(dǎo)軌，可使支座在一定范圍內(nèi)，沿導(dǎo)軌做垂直于斷裂平面的移動，還具有可插入楔塊進(jìn)行分離的分瓣芯軸等。9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)五、結(jié)束語9m7鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)由于連桿剖分新工藝具有后續(xù)加工工序