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裂解连杆加工工艺及材料

【摘要】文章总结了中国外裂解连杆发展现实状况，关键对裂解连杆裂解加工原理、工艺及现在存在材料进行了叙述。同时介绍了MG研制C70S6，其化学成份及其机械性能满足裂解连杆用材要求。
【关键词】连杆，裂解，材料
The Manufacture Technology and Material of Fracture Splitting Connecting Rod

Abstract: The employment of the fracture splitting connecting rod all around the world was investigated and discribed and analysed the splitting principle, processing and materials of the fracture splitting connecting rod. Simultaneously, the material C70S6 of MG was introduced, and its chemical constitution and mechanical property were suitable for fracture splitting connecting rod.
Key words: connecting rod, fracture esplitting process, material
1引言
发动机是汽车心脏, 连杆作为发动机关键零部件, 在工作过程中承受着很高周期性冲击力、惯性力和弯曲力。连杆制造质量直接影响到发动机性能和可靠性, 这就要求连杆应含有高强度、韧性和耐疲惫性能,和很高重量精度。伴随汽车制造技术发展, 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改变。为提升产品竞争力, 各大汽车制造商全部很重视高强度、轻量化、低成本连杆材料及制造技术研究和开发[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,并逐步应用于大规模生产领域,以新奇构思从根本上改变了传统连杆加工方法。
因为含有传统工艺无可比拟优点，连杆裂解新工艺在国外20世纪90年代得到快速发展。美国通用企业、MTS系统企业、福特汽车企业、德国ALFING企业、EX-CELL-0企业等相继开发了生产设备及自动化生产线。现在，国外连杆胀断技术已进入大批量生产阶段。中国也有一汽大众，上海大众，华晨，奇瑞，广东四会实力连杆，青羊西菱汽车配件等相继使用了连杆裂解生产线,不过在MG发动机上却没有见到裂解连杆。长久以来发动机装上现在最优异裂解连杆，在不提升成本前提下，提升了发动机性能，提升了产品竞争力。本文介绍了现在中国外裂解连杆使用情况，加工原理，加工工艺，连杆材料，和MG发动机连杆用材情况，为MG后续开发裂解连杆用材提供了一定分析。
2连杆裂解加工原理
连杆裂解加工原理是经过在连杆大头轴承孔合适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条件时,在几乎不发生塑性变形情况下，连杆于缺口处规则断裂,实现连杆体和连杆盖无屑断裂剖分。因为断裂面呈犬牙交错自然形态，含有极高定位和配合精度,无需再加工。在后续大头孔精加工及装配过程中，以断裂剖分三维曲面定位，分离后连杆盖和连杆体在断裂面处自然啮合，正确合装,确保了后续连杆大头轴承孔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
裂解加工工艺步骤：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]。
裂解加工和传统切削加工工艺根本不一样之处于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)施加径向力裂解和杆、盖正确复位工序；(3)定扭矩上螺栓工序。三道关键工序具体描述以下：
(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成败，对连杆裂解技术优异性、实用性、产品质量影响至关关键。在裂解加工技术早期应用中，采取了机械拉削“V型”裂解槽，槽宽较宽，槽深较浅，且在批量生产过程中会造成拉刀磨损，使裂纹槽曲率半径增大，深入造成裂解后大头孔变形。20世纪90年代后期，国外研究开发了激光加工和高压水加工裂解槽技术。因为激光加工裂解槽含有切缝窄、速度快、无刀具磨损、易裂解、可显著降低裂解力及大头孔裂解变形、大幅度提升裂解质量等优点。所以激光加工裂解槽技术独具优势，正在替换最初拉削工艺，含有宽广应用前景。
(2)裂解 连杆裂解工序是该项新技术关键，在裂解力作用下，连杆大头孔裂解槽启裂、快速传输、定向扩展直至连杆盖和连杆本体分离，同时要使分离后连杆盖正确复位，和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、技术装备是否优异、可靠，直接影响连杆裂解质量和大头孔裂解时变形量。裂解质量关键表现在断面啮合性、裂解成功率；而大头孔裂解时变形量太大，将影响精锉大头孔圆度和工艺性甚至产品质量。通常情况下，裂解前后大头孔直径平均改变量要控制在0.05mm以下。现在在中国，吉林大学研究开发含有“背压”裂解功效连杆定向裂解机床，采取下拉式契形裂解机构，靠契形作用迫使专门设计胀断移动套水平运动，对连杆大头施加水平作用力。在瞬时阶跃载荷作用下完成连杆大头高精度、高质量、快速裂解过程。
(3)定扭矩上螺栓 在裂解加工后，即使连杆盖和连杆本体正确复位并实现了杆、盖完全啮合。但为了后续机械加工，在裂解后需采取螺栓将杆、盖连接起来，并施加一定扭矩。通常为了使裂解后连杆本体和盖完全啮合、不松动、不错位，要采取定位精度高自动上、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裂解连杆材料
连杆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，所以，所用材料对裂解工艺起决定性作用。为了满足裂解加工质量要求，连杆材料要在确保强韧综合性能前提下，限制连杆韧性，使断口呈脆性断裂特征。
现在，裂解连杆材料关键有粉末冶金，锻钢和球墨铸铁。粉末冶金材料含有良好脆性断裂性能，连杆裂解加工技术早期广泛采取此种材料。其优点是粉末铸造毛坯精度高，不需连杆毛坯粗加工，降低材料费用和加工工序。但粉末冶金连杆制坯成本较高，且其抗疲惫强度低于锻钢连杆。铸造连杆低塑性和易脆断很适合裂解加工技术应用。不过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,组织结构和力学性能好, 在传统连杆制造业中应用最为广泛,尤其用于负荷大、转速高发动机和要求连杆含有高疲惫强度和可靠性场所。现在，欧洲、北美和日本已经开发出用于裂解加工锻钢连杆材料，中国也有类似材料[5]。
（一）C70S6高碳微合金非调质钢
德国研究开发C70S6最早是在室温条件下采取裂解加工锻钢连杆材料，锻后利用铸造余热控制冷却替换锻后重新调质处理，金相组织为珠光体加断续铁素体。C70S6 钢含有优良裂解性能,但经大量生产实际发觉,C70S6 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SPLITASCO系列锻钢,牌号为SPLITASCO38，SPLITASCO50和SPLITASCO70。SPLITASCO70含有和C70S6相同化学成份，但在冶炼工艺中添加了控制合成物，深入提升了材料可加工性。
（三）RACTIMF锻钢
由CES 和Bromsgrove 联合研制开发 FRACTIM锻钢提升了Mn和S含量,对应降低了C含量，和C70S6相比含有愈加好可加工性。研究表明,为了确保裂解过程中连杆大孔变形尽可能小,珠光体应尽可能多。FRACTIM组织几乎为全部珠光体组织，含有良好可裂解性和可加工性。
（四）S53CV-FS锻钢
由日本研制开发中碳微合金非调质钢S53CV-FS含有良好抗疲惫性。疲惫极限达成了107次循环,C70S6 疲惫极限大约是350 MPa ,而S53CV2FS疲惫极限大约是420 MPa , 比C70S6疲惫极限提升了约20%。
（五）C70S6BY
在中国，由大连钢铁集团企业研制裂解连杆材料C70S6BY，其组织为珠光体加断续铁素体，抗拉强度为900＋150MPa，屈服强度为520MPa，最大延伸率为10﹪，该材料机械性能已靠近德国研制高碳微合金非调质钢C70S6。
5 MG车发动机连杆现实状况
MG车发动机连杆使用是传统加工工艺，其材料有35CrMoA,40Cr和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，而且还会增加污染。MG车发动机还未见到裂解连杆踪影，但作为技术贮备，裂解连杆用材料早已于1998年研制完成并制订出对应标准RES.23.14.28。MG研制裂解连杆材料是C70S6，其化学成份如表1所表示：
表1 C70S6化学成份
Element (﹪)
Minimum
Maximum
C
0.70
0.75
Mn
0.40
0.60
Si
0.15
0.35
S
0.055
0.20
V
0.030
0.060
Mo
-
0.050
Cu
-
0.30
Ni
-
0.20
P
-
0.045
Cr
-
0.075
Al
-
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。其中碳含量靠近共析钢含碳量（0.77﹪），铸造空冷后可得到90﹪以上珠光体，这确保了材料脆性，这么裂解后塑性变形最小，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，铸造空冷后可能出现贝氏体和马氏体组织，提升材料硬度，恶化切削加工性能；而含碳量过低，铸造空冷后会得到更多铁素体组织，降低材料抗拉强度和屈服强度，减小材料脆性，不利于裂解加工。为了改善可加工性合适地提升了S含量，但过多S轻易引发烧脆，而Mn和S结合生产MnS，能够避免热脆产生，但Mn含量过高又会造成材料铸造空冷后过高硬度。而微量细化元素V加入提升材料强度和韧性。
裂解连杆用钢成份首先要确保铸造空冷后有足够强度和疲惫强度以满足连杆使用性能需要；其次要确保有最小塑性变形，裂解后装配曲轴孔圆度满足要求要求；第三要确保钢材有良好可加工性。以上MG研制C70S6实际上是一个含碳量约为0.72﹪高碳钢，这种钢和中碳合金钢，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全部含有优越性，它铸造空冷就能够得到所需要力学性能，不需要再进行热处理，裂解后连杆和连杆盖接触面不需要机械加工，节省了加工费用，装配后连杆和连杆盖断裂面紧密接触并相互锁定，预防她们之间相互移动，提升了其它系列曲轴零件刚度，改善了发动机性能。
C70S6机械性能以下：
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 248-302 HBW(10/3000)
由此可见，该材料强度很好、脆性适中、又有一定塑性和韧性，含有良好强韧综合机械性能，很适适用来生产裂解连杆。
6 结语
裂解连杆使用能大大提升整机性能，其裂解加工技术是一个极具想象力、发明力、影响力和竞争力连杆加工最新技术，含有加工工序少、设备投资小、制造成本低、产品质量好、装配精度高、承载能力强等很多优点，是发动机连杆制造技术发展方向。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关键标志。作为一个优异制造技术，该工艺在国外各大汽车企业得到广泛推广应用，加工范围涵盖了轿车、轻型车等车辆小型连杆和卡车等重型车辆大型连杆, 而且正在逐步替换传统加工工艺，成为连杆加工业一大趋势。而在中国中国只有一汽大众和上海大众等少数几家企业花巨款从国外引进连杆裂解生产线进行连杆裂解加工,而大多数汽车企业连杆生产仍然沿用传统落后加工方法,不利于产品质量提升，所以，从长远利益来看，我们应加紧开发裂解连杆，加强连杆裂解工艺和装备引进和研究开发，并快速推广应用，这对提升产品质量、提升生产效率、降低生产成本、增强产品竞争力含有很关键意义。
参考文件
[1] 于永仁. 连杆裂解工艺[ J ]. 汽车工艺和材料, 1998, (9):9-11.
[2] 寇淑清, 杨慎华, 金明华. 发动机连杆裂解加工技术及其应用[ J ]. 机械强度, , 26(5): 538-541.
[3] 谷诤巍. 发动机连杆裂解加工工艺[ J ]. 新技术新工艺, , (7): 14.
[4]杨慎华. 发动机连杆裂解加工关键技术研究[ J ]. 内燃机工程, , 27 (5) : 80-84.
[5]张志强, 杨慎华, 寇淑清. 发动机连杆裂解材料[ J ]. 新技术新工艺, , (6) : 63- 65.