发动机连杆裂解加工初始裂解槽预制技术及应用

发动机连杆初始裂解槽的预制是连杆裂解加工的关键技术。介绍了采用机械加工、线切割加工和激光加工等加工连杆初始裂解槽的方法，并对比分析r机械拉削、线切割、光纤传输激光切削和常规光束传输激光切削加工裂解槽的优缺点。阐述了连杆初始裂解槽加工技术及其裂解加工在国内外的应用现状。

1 前言

    连杆裂解加工是一种新型连杆加工技术，其采用三维凹凸断裂面代替传统的加工面，保证了接合面的精确接合，并且无需对接合面进行加工，大大简化了连杆螺栓孔的结构设计和整体加工工艺，具有加工工序少、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、生产效率高等诸多优点，已成为连杆加工的发展方向。
    在进行裂解加工时，首先需要在连杆大头孔适当位置设计并预制裂解槽(或缺口)，以形成初始裂解源，当施加裂解载荷后，在裂解槽根部形成很高的应力集中，局部区域应力迅速升高达到断裂应力，在几乎不发生塑性变形的情况下将连杆沿裂解槽断裂剖分。因此，初始裂解槽的预制不仅是裂解加工的首要工序，也是裂解加工的技术关键。为此，本文将对连杆初始裂解槽的加工工艺、加工方法及加工质量进行研究。

2 初始裂解槽预制

    初始裂解槽的形状和尺寸分别由槽深、槽长、张角、曲率半径4个参数决定。在裂解过程中，要求裂解槽尖锐、深而窄、张角小，以提高应力集中系数，有效降低裂解加工载荷，从而减少裂解过程中因塑性变形而导致的连杆大头孔失圆，避免裂解缺陷，保证裂解加工质量。因此，对初始裂解槽的合理设计，能有效提高缺口效应与应力集中系数，继而降低裂解力，提高裂解效率与质量。初始裂解槽的加工方法主要有机械加工、线切割加工及激光加工等。

2.1 机械加工
    机械加工裂解槽是以推／拉削加工为主，如图l所示。在切削过程中，通过刀柄上安装的刀具对裂解槽进行分层切削，从拉刀端头开始刀柄上每层刀具依次递增量为0.1 mm，刀片数量根据裂解槽的深度来决定，并且裂解槽的张角、曲率半径均由推／拉刀具刃口来决定。

图1 机械加工裂解槽示意

2.2 线切割加工
    线切割放电加工裂解槽是利用线切割机床在连杆大头孔剖分面切割出裂解应力槽(见图2)。裂解槽的张角和曲率半径等参数均由钼丝直径来决定，通过在线切割设备上安装相应的夹具便能够完成初始裂解槽的加工。

图2 线切割加工裂解槽示意

2.3 激光加工
    激光加工连杆裂解槽的原理是利用激光束与金属材料相互作用的特性进行精密切割。由于连杆初始裂解槽属于窄缝盲槽，其加工精度和槽面质量要求很高，一般的二氧化碳激光器无法满足裂解槽的加工精度和槽面的质量要求。由于Nd：YAG固体激光器的输出波长短、与金属的耦合效率高、加工性能良好、可与光导纤维耦合，且结构紧凑、质量轻，并能借助时间分割和功率分割成多路系统，便于柔性和远程激光加工，因此成为加工连杆裂解槽的首选光源。
    利用Nd：YAG固体激光器进行裂解槽的加工时，首先将从Nd：YAG激光发生器发射出的激光束通过导光系统聚焦成具有高功率密度的激光束，并照射于连杆内壁欲切割处(图3)，激光能量迅速被连杆吸收，使欲切割处局部温度急剧上升，到达沸点后材料开始汽化并形成孔洞。随着光束与连杆相对位置的移动，最终在连杆大头孔的切割部位形成切缝。同时，切缝处汽化的金属被具有一定压力的辅助气体吹除，通过除尘系统将残渣吸收到残渣收集器，避免了环境污染。激光加工裂解槽通常有单激光切割头和双激光切割头两种形式。在使用1个切割头进行加工时。利用激光分时输出到两个交叉成90°布置的聚光器上，对2条裂解槽进行顺次切割，即在1次运动中只切割1条裂解槽。而采用双激光切割头加工裂解槽时，利用了功率分割的方法，将光束同时分配到2个呈90°布置的聚光器上，通过1次向下运动可以同时完成2条裂解槽的切割。

图3 YAG激光切割裂解槽示意nextpage

3 加工工艺比较分析

3.1 裂解槽不同加工技术比较
    采用机械加工的方式预制裂解槽时，由于裂解材料屈服强度较低、硬度偏高，因此对刀具磨损较快，加工过程中必然使推／拉刀具刃口钝圆半径增大，导致裂解槽根部曲率半径增大、加工深度变浅、应力集中系数逐渐减小、裂解力增大，继而使大头孔变形超差等裂解缺陷率增加。为此，在生产中需经常检查裂解槽尺寸和裂解质量，适时根据刀具的磨损情况不断更换刀具，或采用专门修刀仪对拉刀进行修整，使得后续投入增大。
    在利用线切割加工的方式进行裂解槽的加工时，由于连杆大头孔属封闭孔，加工每个连杆都需要重新定位和穿丝，劳动强度大，加工精度及生产效率低。并且加工时以线丝与连杆大头孔接触放电作为计算加工深度的基准，当有机加工废屑、毛刺时将造成裂解槽加工深度误差和裂解槽形状误差。另外，钼丝松紧程度也将影响到裂解槽深度的均匀性，甚至引起偏斜，进而影响到连杆的裂解质量。因此，线切割放电加工连杆裂解槽只适合于研究、试制，在批量生产中采用较少。
    在激光加工裂解槽的过程中，尽管双激光切割头的加工形式减少了切割头的摆动动作，提高了激光入射角精度和生产效率，但激光切割头的角度只能在一定范围内进行有限调整，一般只能对单一品种连杆进行大批量加工。由于连杆大头孔机械加工中有一定的误差，在同时加工2条裂解槽时很难保证同一工件或不同工件的尺寸精度，并且2个聚光器也不适宜切割孔径很小或厚度较大的连杆。
    对采用不同加工方法加工初始裂解槽的连杆依次进行裂解加工，裂解后断裂面及裂解槽形貌如图4所示。

3.2 激光加工优点
    由于在连杆初始裂解槽的预制过程中经激光 加工的裂解槽在其根部附近有淬火效应，使裂解更容易进行，并且试验数据显示激光加工裂解槽比机械拉槽的裂解力降低1/3左右，裂解后连杆大头孔圆度仅是机械拉削的l/4～1/6，裂解变形明显减小，断裂线偏离理论位置的情况也得到改善，因此激光加工在裂解槽的加工质量、生产效率、后续裂解质量及连杆产品质量等方面具有如下优势。
    a 加工过程中无刀具磨损和钼丝的损耗，生产工艺重复性和稳定性高，灵活通用；并且切缝窄，槽深及槽宽均匀，尺寸及位置精度高，可保障后续加工质量。
    b 加工后的裂解槽易裂解，可显著减少裂解力及大头孔裂解变形，使得后续精加工大、小头孔精度明显提高，从而避免掉渣、错位、夹屑等质量缺陷的出现。
    c 激光加工的光束能量密度高、移动速度快，对非激光照射部位没有影响或影响极小，使工件的热变形很小，后续加工量减小。
    d 激光加工技术采用干式加工代替湿式加工，省去了线切割过程中乳化液的冷却，减少了环境污染。

图4 不同裂解槽加工方法裂解后的断裂面形貌

3.3 激光切割加工方法比较
    激光切割裂解槽可根据光束传输通道的不同分为光纤导光激光切割和常规光束激光切割。其中光纤传输激光切割是由激光器产生的激光通过光纤传输后，经准直镜准直为平行光，在经过聚焦镜聚焦于连杆大头孔表面后实现裂解槽的加工，具有光束质量好、传输稳定、寿命长等优点。常规光束激光切割是通过空气传输通道来实现裂解槽的加工，因此在传输光束时，不便于将激光传输到远距离工位，使得加工柔性降低；当对激光进行分光输出切割时，一般要求激光器功率较大，以避免经分光后加工中激光功率的减小而降低切割裂解槽质量。

4 应用现状

    自20世纪90年代开始，汽车工业发达国家便采用连杆裂解新工艺，但因对初始裂解槽加工技术掌握程度的不同，在加工时采用了不同的加工工艺和方法。
    机械拉削裂解槽的加工方法首先在德国EX-CELL-O公司研制开发的连杆裂解加工技术装备中得到应用，随后在美国TRY—WAY公司研制的连杆裂解加工半自动生产线中也采用了机械拉削的方式完成初始裂解槽的预制。
    德国ALFING公司采用光纤传输、激光切割的方式来完成连杆裂解槽的加工，其中激光器采用了德国TRUMPF公司的YAG固体激光器和光纤传输光束。在切割模式上分别有单激光切割头和双激光切割头模式，双激光切割头采用激光分时输出的方式，对连杆大头孔两侧顺次加工裂解槽。此外，ALFING公司还开发有从连杆毛坯的初加工、精加工乃至产品检验的连杆裂解加工全自动生产线、半自动生产线，并在批量生产中得到应用。
    瑞士LASAG公司采用常规光束传输、激光切割的方式进行裂解槽的加工，并研制出连杆裂解槽激光加工机床，其中切割方式有一个激光器和一个切割头的形式以及双激光切割头形式。另外，德国MAUSER公司、美国TRI-WAY公司的连杆裂解生产设备也采用了该公司的激光切割机床进行裂解槽的预制。
    我国一汽一大众、上海大众、上海通用、奇瑞汽车公司和华晨汽车公司均先后引进了德国和美国的连杆裂解加工自动线和半自动线，用于轿车连杆的生产。其中，一汽一大众和上海通用采用机械拉削裂解槽的方式，上海大众和沈阳华晨采用光纤导光YAG固体激光切割方式来完成初始裂解槽的加工，奇瑞汽车公司则采用常规光束传输YAG固体激光加工裂解槽。与传统的加工工艺相比，这些公司在引进裂解工艺后使连杆由分体加工变为整体加工，取消杆、盖结合面拉削与磨削等工艺，减化了螺栓孔的加工工序及降低了加工成本，使机加工工序减少60％、设备投资节省25％、刀具费用减少35％、能源节省40％，其经济效益十分显著。
    另外，吉林大学在对连杆裂解加工工艺和关键技术进行深入探讨的基础上，自主开发出适合我国国情的连杆裂解槽加工机床、连杆裂解机床及连杆裂解加工自动线及半自动线。其中，连杆裂解槽加工机床采用了光纤传输YAG固体激光切割的方式进行裂解槽的加工。目前，在一汽解放汽车公司发动机分公司、广东四会实力连杆公司、常州远东连杆集团、成都两陵汽车零部件有限公司等企业均采用了国内自行研制的连杆裂解槽加工机床和连杆裂解机床生产裂解连杆，继而替代进口、节约资金，创造了显著的经济效益。

5 结束语

    预制初始裂解槽作为连杆裂解生产中的核心工序，直接影响裂解力的大小和裂解质量，影响裂解连杆的使用性能与可靠性。目前，在加工初始裂解槽的众多方法中，机械拉削、光纤导光激光切削和常规光束传输激光切削已成为裂解槽的主要加工方法，在连杆裂解加工中得到了广泛应用。