汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿選材與工藝設(shè)計(jì)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿選材與工藝設(shè)計(jì)隨著汽車制造工業(yè)的發(fā)展，對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能及可靠性要求越來越高，而連桿的強(qiáng)度、剛度對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性及可靠性至關(guān)重要，因此國內(nèi)外各大汽車公司對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的選材及制造技術(shù)的研究都非常重視。連桿是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的主要傳力部件之一，其大小經(jīng)活塞銷與活塞連接，大頭與曲軸頸相連接，燃燒室中受壓縮的油氣混合氣體經(jīng)點(diǎn)火燃燒后急劇膨脹，以很大的力傳給曲軸，推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)。連桿部件一般有連桿體、連桿蓋和螺栓等所組成。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，連桿要承受膨脹氣體的作用，連桿除應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度外，還應(yīng)盡量減小連桿自身的重量，以減小慣性力的作用，另外還要注意提高連桿的抗疲勞強(qiáng)度。連桿桿身一般都采用從大頭到小頭逐步變小的工字型截面形狀。連桿的選材目前來說主要分為以下幾種：①：碳素鋼和合金鋼碳素調(diào)質(zhì)鋼和合金調(diào)質(zhì)鋼是連桿用鋼的傳統(tǒng)鋼種，通常小功率的發(fā)動(dòng)機(jī)采用碳素調(diào)質(zhì)鋼，大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)采用合金調(diào)質(zhì)鋼。碳素鋼調(diào)質(zhì)硬度一般在229~269HBS，合金鋼可達(dá)到300HBS，但最高不超過330HBS。碳素鋼抗拉強(qiáng)度可達(dá)到800MPa以上，沖擊韌度在60J/cm2以上;合金調(diào)質(zhì)鋼抗拉強(qiáng)度可達(dá)到900MPa以上，沖擊韌度在80J/cm2以上。調(diào)質(zhì)鋼連桿用于要求連桿有較高強(qiáng)度和韌性的大功率柴油機(jī)。調(diào)質(zhì)鋼連桿的制造工藝是：棒料經(jīng)過剪切，熱鍛成形，調(diào)試處理，強(qiáng)力噴丸、機(jī)械加工，裝配與檢測。我國在調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用方面與國外差距不大，但在鍛造技術(shù)方面與國外還有一定的差距。②：非調(diào)質(zhì)鋼非調(diào)質(zhì)鋼是在中碳鋼基礎(chǔ)上添加釩、鈦、鈮等微合金元素，通過控制軋制或控制鍛造過程的冷卻速度，使其在基體組織中彌散析出碳、氮的化合物使其得到強(qiáng)化。非調(diào)質(zhì)鋼省略了鍛后的熱處理。按其強(qiáng)韌性可以分4類（如表四），其中基本型和高強(qiáng)度型適用于發(fā)動(dòng)機(jī)連桿。表4非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)韌性分莢 ^^9-J. 類型基本成分適用部件基本型F+P中詼+V700-9000-50連機(jī)K做型F+P中碳+高M(jìn)n+V+Ti低暖+高M(jìn)n+V+S50?10C轉(zhuǎn)向節(jié)腎輪段軸it強(qiáng)廢型F+P,F+B中瞰十高M(jìn)n+V*Ti礎(chǔ)順50500-50連桿、輪瓣M低碰+iSMn+C「+B+Ti,Nt)MO-105080-1)0轉(zhuǎn)向節(jié)、前軸我國研究的非調(diào)質(zhì)鋼主要是釩系、錳釩系、錳釩氮系。每個(gè)系列都開發(fā)了添加易切削元素的鋼種。用于發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的鋼種有35MnVS、35MnVN、40MnV、48MnV等，其強(qiáng)度都在900MPa以下。疲勞試驗(yàn)表明，非調(diào)質(zhì)鋼連桿的疲勞強(qiáng)度與相同級(jí)別調(diào)質(zhì)鋼相當(dāng)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化的要求，連桿的設(shè)計(jì)應(yīng)力提高，其中有代表性的C70S6系列的鋼種的應(yīng)用會(huì)越來越多。德國在該鋼種的基礎(chǔ)上開發(fā)了強(qiáng)度級(jí)別更高的鋼種，正在推廣應(yīng)用。對(duì)于非調(diào)質(zhì)鋼，由于鍛造后不再進(jìn)行其他的熱處理，鍛造工序決定了連桿的最終性能，因此控制鍛造加熱溫度和鍛造后的冷卻速度是保證非調(diào)質(zhì)鋼連桿性能的重要環(huán)節(jié)。一般要求采用感應(yīng)加熱，鍛造后要有控冷裝置。：粉末冶金連桿粉末冶金連桿的強(qiáng)度、韌性能達(dá)到鍛鋼連桿的水平，是通過以下兩個(gè)方面得到保證的，一是通過鍛造提高粉坯的密度，二是通過添加合金元素，使粉末鍛造連桿具有足夠的淬透性，保證熱處理后零件的質(zhì)量。粉末燒結(jié)鍛造連桿鍛后的金相組織為珠光體一一鐵素體組織，鍛后的熱處理與鍛鋼連桿的熱處理相同。一般是進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，也可鍛造后空冷再直接進(jìn)行切削加工，這點(diǎn)與非調(diào)質(zhì)鋼的性質(zhì)一樣，要在金屬粉末中添加可彌散強(qiáng)化基體的合金元素，保證鍛后空冷零件的金相組織具有足夠的強(qiáng)韌性。：鈦合金連桿用鈦合金制造發(fā)動(dòng)機(jī)連桿主要考慮的是輕量化，金屬鈦的密度為4.5g/cm3，僅為鋼鐵材料的58%，因此用鈦合金制造發(fā)動(dòng)機(jī)連桿，可大幅度降低發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的質(zhì)量。金屬鈦的抗拉強(qiáng)度比較低，僅有250~300MPa，生產(chǎn)中要添加合金元素來強(qiáng)化基體，通常是添加鋁和釩。因此，影響鈦合金的強(qiáng)度和硬度的主要因素是合金中鋁和釩的含量，鋁、釩的含量越高，鈦合金的強(qiáng)度、硬度越高。鈦合金的切削性能較差，通常要添加易切削元素硫和稀土，

形成硫和稀土的化合物以解決切削問題。通常添加易切削元素對(duì)鈦合金的疲勞性能沒有不利的影響，但屈服強(qiáng)度在850MPa以上的鈦合金，添加易切削元素會(huì)降低高負(fù)荷下合金的疲勞強(qiáng)度，這是因?yàn)樵诟哓?fù)荷的情況下，易切削合金中的硫化物會(huì)促進(jìn)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，降低了材料的疲勞的性能。對(duì)于一般的調(diào)質(zhì)鋼，其加工工藝路線一般為：下料熱鍛成形調(diào)質(zhì)處理裝配與檢測■下料熱鍛成形調(diào)質(zhì)處理裝配與檢測■ 機(jī)械加工強(qiáng)力噴丸不同鋼種的連桿的加工工藝路線有所不同，具體的加工工藝路線可以參見上面連桿選材中的詳細(xì)說明。下面我們來討論一下汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿所做選材的理由，加工工藝設(shè)計(jì)與選擇的理由（以常見的合金調(diào)質(zhì)鋼為例）:首先根據(jù)連桿的受力特點(diǎn)：連桿在工作當(dāng)中受交變的抗壓應(yīng)力、又受彎曲應(yīng)力，這樣的受力特點(diǎn)就要求連桿的心部具有較高的強(qiáng)度和韌性，以抵抗工作過程當(dāng)中的沖擊載荷，考慮到合金調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，其綜合性能是最好的，韌性和強(qiáng)度性能都比較不錯(cuò)，所以，合金調(diào)質(zhì)鋼可以作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的選材。根據(jù)選材，我們不難確定連桿的加工工藝路線，其中最為關(guān)鍵的一個(gè)步驟是調(diào)質(zhì)處理（淬火加高溫回火），這一步驟對(duì)于連桿最終的力學(xué)性能起到了至關(guān)重要的作用。為了提高連桿的疲勞壽命，采用噴丸強(qiáng)化處理，消除連桿表面的缺陷并造成連桿表面的壓應(yīng)力。由于經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，使用時(shí)的組織為回火索氏體（回火S），具有較好的強(qiáng)度、硬度及韌性，滿足汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連