邓伟辉，张永俊
1、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[1]。随着汽车制造技术的发展，发动机趋于轻量化、结构简单化，连杆制造技术和下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、轻轻化、低成木的连杆材料及制造技术的研究和开发[2]。连杆涨断加工技术(也称连杆裂解)作为一项制造新下艺，于二十纪九十年代在汽车下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下方法。
2连杆涨断加工技术原理及特点
传统的整体锻造或铸造连杆加下采用分体加工工艺：用铣、拉、磨等方法分别加下连杆体和连杆盖的结合面；粗加工及半精加工连杆体、大头孔、小头孔；精加工连杆盖的定位销孔及连杆体的螺栓孔；装配连杆体与连杆盖，精加下大头孔和小头孔[3]。
连杆涨断加工技术具体下艺过程是：1）在连杆毛坏大头孔的断裂线处预先加工出两条对称v型裂解槽，形成初始断裂源；2）在裂解专用设备上对连杆大头内孔侧而施加径向力，使裂纹由内孔向外不断扩展自至完全裂解，最终把连杆盖从连杆木体上涨断而分离出来；3)在裂解专用设备上，再将裂解分离后的连杆盖与本体精确复位，最后在断裂而完全啮合的条件下，完成螺栓工序及其他后续加工工序[3，4，5]；5）连杆传统加下与涨断加下对比示意图如图1所示。
图1连杆传统加下与涨断加下对比示意图[6]
与传统的加工方法相比较，涨断加下使裂解的连杆盖、杆接合而具有完全啮合的交错结构，改善了接和面的结合质量，不需再进行接合而的加下，省去了分离面的拉削与磨削等工序。同时简化了连杆螺栓孔的结构设计和整体加工工艺，降低了螺栓孔的加下精度要求。此外，减少了连杆总成的大头孔变形，使连杆承载能力、抗剪能力与装配质量大幅度提高。因此，采用连杆涨断下艺具有加下下序少、机床设备投资少、设备占地而积小、刀具费用少、节省能源、产品质量高、生产成本低等优点[3，4，7]。
3 涨断工艺材料、关键技术及设备
与传统下艺不同，涨断连杆用材料、裂解槽加工和涨断裂解设备、以及定扭矩上螺栓是涨断技术的核心与关键，对连杆的加下质量决定性作用。
3.1涨断连杆用材料
在室温下可实现脆性断裂的连杆材料主要有：粉末锻造、高
碳钢、可锻铸铁、球墨铸铁。
粉末锻造是由粉末冶金与锻造相结合形成的一种新材料技术和新型金属成形工艺，粉末锻造连杆产业快速成长的关键因素在于1990年前后研发并得到成功应用的涨断工艺。由于采用这项新工艺，使得粉末锻造连杆具有省料、省工、制造成本低的优点，增强了粉末锻造连杆对锻钢连杆的价格竞争优势。为与粉末锻造连杆竞争，欧洲锻钢连杆生产厂家在二十纪九十年代末期，开发了在室温下可断裂的高碳钢C7O钢[8]。这种高碳钢连杆锻造后自接空冷就可得到所需要的性能，省去了调质热处理工序。锻钢连杆尺寸精度高、组织结构与力学性能好，尤其适用于大负荷、高转速的发动机，以及对连杆具有高疲劳强度和高可靠性要求的场合[9]。
目前，日本、欧洲和北美很多连杆生产企业均开发出适用于涨断加下的锻钢连杆，应用较广泛的锻钢连杆材料主要有C7OS6高碳微合金非调质钢、SPLITASCO系列锻钢、FRACITM锻钢和S53CV- FS锻钢等[9，11]。可用于涨断下艺的连杆材料牌写如表1所示。常用可涨断连杆材料力学性能如表2所示。
表1可用于涨断工艺的连杆材料牌号[5，10]
3.2裂解槽加工
连杆裂解槽加下方法主要有：拉削加工和激光加工。
在涨断加工早期应用中，采用了机械拉削工艺加工“V型”裂解槽。日本本田公司也提出了一种采用旋转切刀进行断裂狭槽的机械加工装置[13]。机械拉削“V型”裂解槽的优点是设备投资少、加工成本低，缺点是刀具容易磨损，造成连杆加下质量不稳定。
1995年以来，德国Alfing, Mauser公司、美国通用等公司研究开发了先进的激光加工裂解槽技术。德国Mauser公司专利提出一种激光加工裂解槽的方法[14，15]，如图3 (a)所示。采用一个激光器，通过分配装置将一束激光束分配到两个聚光器上，两个聚光器头平行布置或交叉90°布置，通过聚光器的上下运动同时对两个连杆加工，在大头孔柱而上加工出一系列沿直线排列的圆柱盲孔。瑞士LASAG公司专利提出了相类似的采用超大能量脉冲YAG激光器进行裂解槽加下的方法[16]，如图3 (b)所示。在这两种激光加下方法中，激光振荡器和应用管嘴不能插入到连杆大头孔内，激光束和孔的内壁而相倾斜。
日本本田公司专利提出一种较新颖的利用激光束加工槽的装置和方法[17]，如图3 (c)所示，从激光振荡器射出的激光束由安装在管状头部上的聚光透镜所会聚，一对倾斜成一定角度并相对轴线对称的反射镜将会聚射出的激光束分成两束，这两束激光束分别通过射出孔基本垂自地施加在连杆大头孔内圆柱
面上，通过聚光器沿轴线向下移动同时在连杆内圆柱面上加工出两个V型
裂解槽。在槽附近的上方设有两个供给辅助气体的气管，将激光束加热所产生的熔渣吹走。
表2可涨断连杆材料力学性能[5，6，8，11]
与3 (a)和3 (b)相比较，这种加工方法激光会聚好，激光能量损失小，并且可以较精确地控制槽深和形状，但不太适合大头孔直径较小的连杆加工。
图2 三种激光加下裂解槽装置示意图[14，16，17]
由于采用激光切割连杆裂解槽具有切缝窄、裂解槽均匀、加下速度快、无刀具磨损、易裂解、大头孔裂解变形小，连杆裂解质量高等优点，许多汽车公司倾向采用激光加下裂解槽[3，4]。但该方法也有明显的缺点：激光采用的光源是不可见光，激光对焦繁琐、费时；激光加下过程中，在大头孔内表而靠近断裂槽处易粘附熔渣而形成表而硬质点，造成后续精镗加下时镗刀崩刃；当激光对焦不精确，使裂解槽深度变浅，涨断时会产生爆口缺陷[12]；激光裂解槽加下设备价格昂贵，维护使用成木高。
3.3涨断裂解
归纳起来涨断裂解加下设备主要有以下两类：
1）楔形块式其原理是利用液压话塞带动楔形块运动，推动放置在连杆大头孔内的动套，实现连杆裂解[5]。
日本YASUNAGA公司专利[24]、日本本田公司专利[18]及德国ALFING公司专利[26]均采用“上压入式”结构对连杆进行裂解加工，如图4所示。
图4”上压入式”连杆涨断加工方法与设备示意图[18，24，26]
其特点都是采用一个对称的楔形块压入两块半圆动套中，推动动套实现连杆涨断裂解。日本本田公司专利[27]、丰田公司专利[23]，则采用“下拉式”装置对连杆大头孔进行裂解加工的方法，如图5所示。
另外，德国ALFING公司又提出了两种不同结构形式的专利，一种是采用“水平力楔入式”的装置对连杆大头孔进行裂解加工[28]，如图6(a)所示。另一种是采用”上拉式”的方法对连杆大头孔进行裂解加工[7]，如图6 ( b)所示，该裂解装置自动化程度很高，通过转台将连杆输送到裂解工位，抬起装置将连杆抬起，大头孔进入裂解轴内，小头孔进入菱形销内。菱形销在滑台带动下移动，使大头孔的一侧紧靠在固定的裂解轴而上，弹性压板将连杆压紧，液压缸带动楔形块向上移动，连杆大头孔瞬间被涨断，滑台带动菱形销同时回到原位，使裂开的连杆盖和连杆体迅速对齐，在裂解的同时打开压缩空气吹净裂解免。目前一汽大众汽车有限公司就是采用“上拉式”的方法进行生产加工[7]。
（2）液压自接推动式把液压油缸及话塞产生的力施加在动套块上，通过话塞运动实现连杆涨断裂解。美国GIDDINGS & LEWIS公司专利[20]，德国宝马公司专利[22]，均采用
图5 “下拉式”连杆涨断加工方
法与设备示意图[23,27]
装有液压话塞的裂解块”进行裂解加工，如图7所示。这种方式涨断时所需的裂解力小，分离而质量较高。
图6“水平力楔入式”和"上拉式”连杆涨断加工方法与设备示意图[7，28]
图7 ”活塞液压直接推动式”连杆涨断加工方法与设备示意图[20，22]
上述两类连杆裂解加工设备都各具特，都可以通过调整机构和更换关键零件，实现不同中心距、不同大头孔尺寸连杆的涨断裂解加工。在现实生产中，由于楔形块与连杆大头孔内的动、静套及连杆大头孔内表而经常承受较大的冲击力、正压力和摩擦力，使得楔形块和动、静套相互接触的表而产生磨损和挤压变形，涨断时易产生连杆撕裂和爆口缺陷，严重时会造成楔形块的疲劳断裂。
4国内应用现状
目前，国内一汽大众、上海大众、华晨金杯、奇瑞等多家公司相继采用了连杆涨断工艺[29，32]，但绝大多数涨断加工设备与生产线都是花巨资从国外成套引进的，可以说核心技术一直被国外垄断。随着国外国的订单转移到中国，而且采购商指定必须采用涨断工艺生产连杆，这给中国的汽车零部件企业提供了难得的发展机遇，但同时又而临着严峻的挑战。为了不断提高产品质量、降低生产成本、增强市场竞争能力，国内部分汽车公司已经采用先进的连杆涨断加工技术对原有传统的连杆生产线进行了技术改造，加大对涨断技术及其装备的研发投入，并取得较大突破。此外，广东四会实力连杆有限公司[33]、吉林白城中一精锻股份有限公司相继引进裂解生产设备，为国内各大汽车公司配套生产连杆。
5结束语
中国的汽车年产量已达八百多万辆，连杆需求量在七千万件以上，连杆涨断裂解工艺与技术装备在我国有着巨大的市场潜力和十分广阔的应用前景。展望未来，发动机连杆涨断裂解加工技术装备朝着如下方向发展。
1)柔性化。在一台单机设备上实现不同中心距、不同大头孔尺寸连杆的切槽和涨断加工，满足不同排量发动机连杆生产的需要。
2)低成本。降低设备投入，减少设备运行费用，从而降低整个连杆加工成本。
3)简单化。便于设备维护、检修。
参考文献:
[1]赵新海，程联军，等.国内连杆模锻加工技术的现状及发展[J].锻压装备与制造技术.2006, (1) :15- 17
[ 2]于永仁.连杆裂解工艺[J].汽车工艺与材料.1998, (9): 9-11.
f3l寇淑清，金文明，等.内燃机连杆制造最新技术与发展趋势[J].内燃机工程.2001. 22(1):28-31.
[ 4]顾永生.现代汽车发动机制造工艺的发展动向[J].柴油机设计与制造.2000, ( 3):36- 39
奇瑞柴油发动机[ 5]阎洪涛.发动机连杆裂解工艺参数确定及数值模拟[D].河北：燕山大学.2006.
[ 6] S.Fu
kuda, H.Eto.Development of Fracture Splitting Connecting Rod[J].JSAE Review.2002. 23(1):101~104
[7]刘文忠.ALFING激光裂解设备的应用[ J].汽车工艺与材料.2005.(11): 11~13
[8]韩凤麟.粉末锻造与C-7O钢锻造汽车发动机连杆—2005年4月美国SAE100周年世界大会“论战”纪要[J].现代零部件.2005.(12):18- 24
[9]杨侦华.等.发动机连杆裂解加工关键技术的研究[J].内燃机工程.2006, 27 ( 5):80- 84
[10]领怀祥.浅谈连杆加工工艺中的一些新的技术[J]..柴油机设计与制造.2003,(2):45- 48
[11]张志强.杨侦华.寇淑清.发动机连杆裂解材料[J].新技术新工艺.2005, (6):63- 65.
[12]赵四琴.颜炳祥.涨断连杆爆口原因分析[J].上海汽车.2003, (9):32- 34
[13]百懒保雄，太田薰雄.用于形成连杆的断裂狭槽的加工装置[P].中国专利:200410069638.7. 2004- 07- I S
[14] C.Hofmann, S.Cruhler, H.Kutz.Method and Device for the Fracture Separation of Workpieces [P].WIPO. W09624458.1999- 06- 01.
[15]寇淑清.杨侦华.赵勇，等.用于连杆断裂剖分前预制裂解槽的激光加工设[P].中国专利: 200410010722.1.2004- 03- 09
[16]U.Duerr.Laser Machining Method for Forming an Incipient Crack Zone, for Fracture Separation of a Component, In Particular a Connecting Rod for an Internal Combustion Engine and Laser Installation Therefor[P].WIPO.W020********, 2005-OS-06
[17]百懒保雄.利川激光束加工槽的装置和方法[ P].中国专利:200410087081.X. 2004-10-22
[18]H.Ikeda, T.Murakami, H.Kodama, Y.Matsue, T.Shinohara. Method of Manufacturing Connecting Rod[Pl.USPTO. US5974663. 1999- 11一02.
[19]杨慎华.寇淑清.金文明 ，等.发动机连杆机械加工方法及装置[P].中国专利:02109756.9. 2002- OS- 20.
[20]L.Becker.Connecting Rod Cracker [P].USPTO, US5320265, 1994- 06- 14
[21 ]S.Guirgis.Process to Fracture Connecting Rods and the Like with Resonance-Fatigue[P].USPTO. US2006289593.2006- 12- 28
[22]J.Wiesemann, H.Laupp, L.Naucke. Method and Apparatus for Fracture, Separation of Construction Members, Especially of Metal[P].EPO. EP0467198. 1992- 01一22
[23]T.Futsuki. Method for Manufacturing Fracture-Divided Connetting Rod [P].JPO. JP2004162809. 2004-06-10
[24]LNakaoka,H.Kawarabayashi. Breaking Device of Connecting Rod and Manufacturing Method of Broken Connecting Rod[P].EPO. JP2005007561. 2005-01-13
[25]M.D.F.Hahnel, N.Fauser, Apparatus for Fracturing Connecting Rods [P].EPO. EP0661 125. 1998- 07- 01.
[26]M.Haehnel,H.Wisniewski.Apparatus for Crack Splitting an Annular Part [P].CIPO. CA2298698.1999- 02- 1 1.
[27]百懒保雄，太田薰雄.山本知彦.用于使连杆断裂的方法和装置[P].中国专利:200410071275.0.2004- 07- 16.
[28]M.Haehnel, K.Kessler, H.Wisniewski.Device for Separating the Rod and Cap of a Connecting Rod by Breaking[Pl.US6457621. 2002-10-01.
[ 29]顾永生.连杆分离面涨断工艺简介.武进新材料网//.http: //xcl.wjcti/2006-06-30 /2006630151447.htm.
2006-
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