郭水明

（上海大眾汽車有限公司，上海201805）

降低連桿裂解工藝廢品率的探索和實(shí)踐

郭水明

（上海大眾汽車有限公司，上海201805）

介紹了連桿裂解技術(shù)在大批量生產(chǎn)應(yīng)用中的一些經(jīng)驗(yàn)，探究了連桿激光加工裂解工藝的一些技術(shù)細(xì)節(jié)，對(duì)解決連桿爆口、錯(cuò)位、變形、夾渣等問題給出了具體的方法和建議。

連桿裂解激光加工爆口

1 前言

連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)上的關(guān)鍵零件，在高頻率疲勞載荷下工作，對(duì)強(qiáng)度有較高的要求，對(duì)其制造方法及技術(shù)，國內(nèi)外都給予了極大的關(guān)注，連桿裂解（也稱連桿漲斷、撐斷）加工工藝是20世紀(jì)90年代初發(fā)展起來的一種連桿加工新技術(shù)[1]。該技術(shù)從根本上改變了傳統(tǒng)的連桿加工方法，是對(duì)傳統(tǒng)連桿加工的一次重大變革。在加工實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，裂解工藝存在廢品率較高的缺陷。本文在分析廢品類型的基礎(chǔ)上，通過長時(shí)間在生產(chǎn)實(shí)際中的探索和實(shí)踐，給出了針對(duì)性的解決方法，有效地降低了裂解工藝的廢品率。

2 連桿裂解裝置原理

圖1為連桿裂解裝置原理圖。圖中1為漲斷斜鍥，2為半圓形漲斷套，3為半圓形定位套。定向裂解時(shí)，漲斷斜鍥1在油缸壓力的作用下，沿箭頭方向移動(dòng)，擠壓漲斷套2向右移動(dòng)，在擠壓力的作用下，連桿大頭孔沿預(yù)先加工好的應(yīng)力槽裂解為兩半。

圖1 裂解裝置原理圖

3 缺陷類型分析

通過分析連桿裂解工藝的產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)裂解工藝連桿報(bào)廢的缺陷類型主要有以下4種：連桿斷裂面的爆口、錯(cuò)位、夾渣和連桿大孔的變形。

（1）爆口。連桿裂解工藝的最主要缺陷表現(xiàn)為連桿裂解斷裂面的大面積掉渣，這會(huì)減少結(jié)合面的面積，影響連桿結(jié)合面的結(jié)合強(qiáng)度，降低連桿的力學(xué)性能。生產(chǎn)中規(guī)定爆口面積超過3×2.5 mm2，即為廢品，參見圖2。圖中左側(cè)2根連桿爆口面積大于3×2.5 mm2為廢品，右側(cè)2根連桿爆口面積小于3×2.5 mm2為合格品。

（2）錯(cuò)位。連桿桿身和蓋的結(jié)合面有明顯錯(cuò)位，側(cè)向錯(cuò)位大于0.02 mm，徑向錯(cuò)位大于0.03 mm，即為廢品，如圖3所示。

（3）夾渣。連桿桿身和蓋結(jié)合面之間夾有裂解表面掉落的金屬顆粒，這會(huì)導(dǎo)致結(jié)合面失去結(jié)合力，見圖4中箭頭所指處。

（4）大孔變形。漲斷后，重新裝配好的連桿大孔，沿桿身方向變形過大，導(dǎo)致后續(xù)連桿大頭孔精鏜工序出現(xiàn)鏜孔黑疤而報(bào)廢，或者在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配環(huán)節(jié)再次拆裝時(shí)，沿桿身方向變形過大而報(bào)廢，見圖5。

圖2 連桿裂解斷裂面的爆口缺陷

圖3 桿身和蓋結(jié)縫處有明顯的錯(cuò)位痕跡

造成這4種缺陷的原因主要集中在連桿毛坯、應(yīng)力槽加工、夾具定位、設(shè)備等4個(gè)方面。以下分別介紹了這4個(gè)方面對(duì)連桿裂解報(bào)廢缺陷的影響和解決方法。

4 缺陷的影響因素和解決方法

4.1 連桿毛坯的影響和解決方法

圖4 結(jié)合面處有金屬顆粒

圖5 連桿大孔變形的測量情況

裂解加工對(duì)毛坯材料有較高要求[2]，上海大眾公司EA113發(fā)動(dòng)機(jī)連桿毛坯采用添加硫和錳等元素的C70S6BY高碳鋼，經(jīng)過鍛造加工處理。對(duì)材料中各元素的比例應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控，如果比例超差，很容易發(fā)生掉渣、爆口等缺陷；毛坯要經(jīng)過足夠長時(shí)間的時(shí)效處理，消除內(nèi)應(yīng)力，如毛坯存在內(nèi)應(yīng)力，裂解時(shí)很容易發(fā)生連桿大孔錯(cuò)位、變形等缺陷。

在發(fā)動(dòng)機(jī)廠剛開始引進(jìn)裂解技術(shù)時(shí)，連桿爆口率居高不下。通過對(duì)爆口連桿和未爆口連桿的材料成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)爆口連桿存在元素含量超標(biāo)的情況。表1為部分元素的對(duì)比結(jié)果。

表1 爆口和未爆口連桿的材料成分對(duì)比

上表中，連桿1沒有出現(xiàn)爆口，連桿2～4均出現(xiàn)爆口，且爆口連桿均有元素超標(biāo)。未爆口連桿的化學(xué)成分在有效范圍之內(nèi)，而爆口連桿的成分則有一定偏差，C、Mn、S元素的含量超出了有效范圍。這3種元素對(duì)爆口影響最大，其含量的增加均增大了材料的脆性，是造成爆口的一個(gè)重要原因。經(jīng)過嚴(yán)格控制連桿毛坯的化學(xué)元素成分，爆口率由4.02%降低到3.14%。

影響連桿毛坯的另一個(gè)因素是，若連桿毛坯內(nèi)應(yīng)力沒有完全消除，則裂解后，就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的連桿大孔變形，導(dǎo)致廢品。為了避免連桿毛坯內(nèi)部應(yīng)力對(duì)變形的影響，抽取若干連桿毛坯，沿與連桿中心線垂直的連桿大孔直徑方向，用線切割方法切開，測量變形量，經(jīng)過足夠長時(shí)效處理的連桿發(fā)生的變形量見表2。

表2 經(jīng)時(shí)效處理后連桿的變形量

滿足上述變形量要求的連桿毛坯不會(huì)對(duì)大孔變形造成不良影響，沒有經(jīng)過足夠長時(shí)效處理、沒有有效消除內(nèi)應(yīng)力的連桿，切開時(shí)變形量一般要大于0.5 mm。在嚴(yán)格控制毛坯質(zhì)量、消除內(nèi)應(yīng)力的情況下，連桿大孔變形可完全控制在公差范圍之內(nèi)，連桿大孔精鏜不會(huì)出現(xiàn)鏜孔黑疤。

4.2 應(yīng)力槽的影響和解決方法

圖6為激光加工應(yīng)力槽示意圖。激光槍可以是單頭也可以是雙頭。單頭激光槍需來回?cái)[動(dòng)，連桿不動(dòng)；雙頭槍連桿動(dòng)，槍不動(dòng)。

應(yīng)力槽的加工質(zhì)量直接影響到連桿裂解時(shí)爆口的多少。為減少裂解時(shí)所需的漲斷力，理論上割槽深度盡可能的深，但因鏜孔余量的限制，割槽深度不能太深，但槽太淺，連桿漲斷時(shí)會(huì)爆口，所以激光割槽深度一般應(yīng)控制在0.5 mm之內(nèi)。

在投產(chǎn)后不久，排除連桿毛坯因素，連桿漲斷的爆口發(fā)生率還是保持在較高的水平，基本在3%～4%之間徘徊。經(jīng)過一段時(shí)間的觀察和分析，發(fā)現(xiàn)其主要原因是應(yīng)力槽的加工質(zhì)量沒有得到有效的保證。

圖6 激光加工示意圖

為了保證應(yīng)力槽的加工質(zhì)量，采取了4項(xiàng)改進(jìn)措施：加強(qiáng)對(duì)激光割槽的監(jiān)控、調(diào)整激光參數(shù)、調(diào)整焦點(diǎn)位置、保證保護(hù)氣壓力。

4.2.1 對(duì)激光割槽監(jiān)控

為了有效監(jiān)控激光割槽的效果，生產(chǎn)現(xiàn)場專門配置了專用的電子顯微鏡，以輔助激光槍的調(diào)整。每次調(diào)整激光參數(shù)后，試驗(yàn)加工2至3根連桿，觀察激光調(diào)整后的割槽效果。激光割槽深度一般應(yīng)控制在0.5 mm之內(nèi)。兩邊槽深越對(duì)稱越好，兩邊槽的深度偏差應(yīng)控制在0.1 mm之內(nèi)，這樣基本可以避免單邊斷裂和爆口。

要達(dá)到上述指標(biāo)，需要對(duì)激光噴嘴和連桿大孔內(nèi)壁之間的距離做調(diào)節(jié)。割槽時(shí)，激光噴嘴和加工面的距離應(yīng)保持在0.5 mm左右，兩邊的距離誤差應(yīng)控制在0.05 mm之內(nèi)，這樣兩邊的割槽深度才能基本一致。

應(yīng)力槽割線的位置在沿大、小頭孔中心線連線方向的偏移量要加以控制，往桿身方向的偏移量不大于0.3 mm，往蓋側(cè)的偏移量不大于0.7 mm，割線位置落在此范圍內(nèi)，可有效控制大孔變形。

4.2.2 激光參數(shù)的選擇

上海大眾發(fā)動(dòng)機(jī)廠采用的是德國ALFING公司漲斷專機(jī)，使用TRUMPF公司的HL 62P激光器。激光束在工件表面的聚焦直徑、切割速度、脈沖功率、脈沖時(shí)間這4個(gè)加工參數(shù)，對(duì)裂解槽深度、寬度、脈沖打孔連續(xù)性、裂解槽尖角處圓角半徑有直接顯著的影響。要達(dá)到良好的割槽效果，各激光參數(shù)的選擇，需要根據(jù)加工時(shí)的實(shí)際情況作一定的調(diào)整。使用YAG激光源的HL 62P激光器，其各項(xiàng)性能參數(shù)允許的調(diào)整范圍及最終選擇的激光參數(shù)見表3[3]。在這樣的參數(shù)條件下，可以得到較好的割槽效果，從而保證割槽深度達(dá)到0.5 mm。

表3 激光參數(shù)范圍表

4.2.3 焦點(diǎn)位置的選擇

除了激光參數(shù)的設(shè)定，激光焦點(diǎn)離切割表面的距離也需要仔細(xì)調(diào)整，一般以焦點(diǎn)剛好落在被切割零件表面為好。若焦點(diǎn)在零件表面上方或在零件表面下方，都會(huì)引起槽孔變淺變細(xì)。圖7給出了激光焦點(diǎn)位于不同位置時(shí)激光割槽的效果。

根據(jù)實(shí)際加工試驗(yàn)，圖7(a)和(c)所示焦點(diǎn)位置，都需要更大的漲斷力，并且更容易發(fā)生爆口和大孔變形；圖7(b)所示焦點(diǎn)位置，是比較理想的焦點(diǎn)位置。

圖7 焦點(diǎn)落在不同位置時(shí)的激光割槽深度

4.2.4 保護(hù)氣壓力設(shè)定

要達(dá)到理想的割槽效果，保護(hù)氣體壓力的設(shè)定同樣重要。吹氣壓力基本上要達(dá)到1 000 kPa，否則，熔化的金屬液體不能被有效吹凈，冷卻后，會(huì)形成馬氏體凝結(jié)塊，嚴(yán)重影響割槽質(zhì)量，會(huì)導(dǎo)致連桿不易漲斷和易撕裂掉渣。

保護(hù)氣體壓力不足，也容易導(dǎo)致金屬霧氣通過激光噴嘴孔，粘附到防護(hù)鏡片上，影響激光通過，同樣會(huì)導(dǎo)致割槽失敗。為防止吹散的金屬液四濺到周圍，以及蒸發(fā)的金屬霧氣粘附到防護(hù)鏡片上，割槽工位還設(shè)置了專門的吸氣裝置。吸氣裝置的吸氣量應(yīng)大于吹氣量，以保證吸走氣霧和飛濺的金屬液。

通過調(diào)整合適的激光參數(shù)、焦點(diǎn)位置、保持足夠保護(hù)氣壓力，再借助于電子顯微鏡對(duì)割槽深度位置等進(jìn)行監(jiān)控，有效地保證了應(yīng)力槽的加工質(zhì)量，連桿漲斷時(shí)爆口的發(fā)生率大幅度降低。目前，已可以保持在0.6%的較低水平。

4.3 蓋和桿身錯(cuò)位解決方法

裂解后的桿身和蓋，因后續(xù)加工的需要，要用螺栓按一定扭矩裝配在一起。在實(shí)際加工中，會(huì)發(fā)生桿身和蓋的結(jié)合面錯(cuò)位，這會(huì)導(dǎo)致連桿漲斷面不能精確嚙合，影響連桿性能，導(dǎo)致出現(xiàn)廢品。

4.3.1 定期檢查更換夾具

經(jīng)過仔細(xì)的觀察和比較發(fā)現(xiàn)，加工時(shí)由于桿身和蓋所受的壓緊力不一樣，桿身被壓塊緊緊壓住，而蓋不受壓力，可以前后移動(dòng)，如果定位夾具的定位面磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致蓋和桿身的夾具定位面有落差。當(dāng)落差達(dá)到0.05 mm以上時(shí)，桿身和蓋的上下錯(cuò)位的現(xiàn)象會(huì)很嚴(yán)重，發(fā)生的比例可達(dá)80%以上，會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)。用于連桿大孔內(nèi)定位的L型夾具磨損也是不均勻的，擰緊螺栓時(shí)，桿身是不動(dòng)的，蓋在移動(dòng)，與蓋接觸的一側(cè)夾具磨損比較快。當(dāng)加工數(shù)量達(dá)到90萬根連桿后，L型夾具磨損已相當(dāng)嚴(yán)重，會(huì)出現(xiàn)蓋和桿身的左右錯(cuò)位。為避免這種錯(cuò)位現(xiàn)象，定位夾具要及時(shí)更換。一般每半年要更換一次，進(jìn)口夾具的更換時(shí)間可延長到一年，甚至2年。此外，要嚴(yán)格控制好國產(chǎn)夾具的加工精度和硬度，桿身和蓋夾具定位面之間的上下偏差應(yīng)控制在0.01 mm之內(nèi)，L型夾具兩圓弧定位面之間的落差應(yīng)控制在0.01 mm之內(nèi)，夾具硬度應(yīng)達(dá)到HRC 60±2。

通過嚴(yán)格控制定位夾具的加工質(zhì)量和定期檢查更換夾具，徹底解決了蓋和桿身錯(cuò)位的問題。

4.3.2 定位夾具的保養(yǎng)

因激光熔化金屬后，金屬氣霧凝結(jié)在夾具體上，會(huì)造成連桿定位偏斜，引起激光割槽深淺不一，質(zhì)量下降，甚至導(dǎo)致激光噴嘴和連桿的碰撞，撞毀噴嘴和激光槍，因此，必須定期對(duì)夾具進(jìn)行清理。根據(jù)大批量生產(chǎn)積累的經(jīng)驗(yàn)，一般同一個(gè)夾具加工500至600根連桿后，就要對(duì)夾具做清理，清除上面的熔渣凝結(jié)塊。在制訂和執(zhí)行這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之前，由于對(duì)夾具溶渣清理不及時(shí)，每年要發(fā)生1～2次激光槍頭的碰撞事故，造成較長時(shí)間的停機(jī)，以及備件損失。

圖8 磨損的平面定位夾具

圖9 磨損的L型定位夾具

4.4 夾渣問題解決方法

連桿裂解后，在連桿漲斷面會(huì)留下少量的細(xì)小顆粒，會(huì)對(duì)后續(xù)的裝配造成不良影響。若顆粒進(jìn)入油道和軸承間隙，還會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦拉毛，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，引發(fā)嚴(yán)重的質(zhì)量問題。必須采取相應(yīng)的措施，除去漲斷面留的顆粒狀碎屑。比較可行的方法是增加吹氣裝置、吸氣裝置和振動(dòng)裝置。吹氣壓力一般在500 kPa以上，對(duì)著斷裂面吹，吹氣角度最好是45°；為防止吹落碎屑飛濺，吸氣裝置的吸氣量應(yīng)大于吹氣量；還有部分的碎屑，則需要依靠振動(dòng)裝置，將桿身和蓋結(jié)合面上的碎屑振落下來。在振動(dòng)過程中，不允許桿身和蓋的漲斷面有接觸，以免破壞結(jié)合面的狀態(tài)。在早期，發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠家還沒有認(rèn)識(shí)到這個(gè)問題的嚴(yán)重性，設(shè)備一般不帶振動(dòng)裝置，近期的設(shè)備都帶有振動(dòng)裝置。在連桿爆口得到較好控制的情況下，帶有吸氣裝置和振動(dòng)裝置的設(shè)備，已能較好地解決夾渣問題。

5 結(jié)論

連桿裂解加工工藝，加工廢品的類型主要有4種：連桿斷裂面的爆口、錯(cuò)位、夾渣和連桿大孔的變形，造成這4種類型廢品的原因，與連桿毛坯、應(yīng)力槽加工、定位夾具、設(shè)備等方面有關(guān)。通過對(duì)上述幾個(gè)方面的分析研究和試驗(yàn)，采取了相應(yīng)的措施，通過控制毛坯質(zhì)量、改善應(yīng)力槽加工、保證夾具加工精度、定期更換夾具、改進(jìn)設(shè)備裝置等方法，通過長期的實(shí)踐檢驗(yàn)，有效降低了工廢。連桿裂解加工工藝的廢品率從開始的4%降低到目前的0.6%，顯著地降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的制造成本，提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的制造質(zhì)量。

1 Becker L T.Method of Cracking a Connecting Rod[P]: US,5,274,919[P/OL].1994-01-04.http://patft.uspto. gov/netacgi/nph-Parser?Sect2=PTO1&Sect2= HITOFF&p=1&u=/netahtml/PTO/search-bool. html&r=1&f=G&l=50&d=PALL&RefSrch=yes&Query =PN/5274919.

2 Robat D.Steels for Connecting Rod Forgings with Optimum Splittability[C].16th International Forging Congress,Beijing,1999.

3 Manual of Laser Device HL 62P.Edition:November 1996.

圖13 應(yīng)用機(jī)械挺桿后的機(jī)油壓力曲線

圖14 優(yōu)化方案機(jī)油壓力曲線

（2）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)的改進(jìn)能夠改善機(jī)油供應(yīng)的分配矛盾。經(jīng)過潤滑系統(tǒng)的重新匹配試驗(yàn)，取得了良好的結(jié)果，在最小的代價(jià)下同時(shí)滿足VCT裝置和缸蓋對(duì)機(jī)油的需求。

（3）在頂置凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)上較小的改進(jìn)代價(jià)，引入VCT裝置。通過重新匹配潤滑系統(tǒng)等改善工作和試驗(yàn)，順利得到了一款動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性及排放性能，包括平順性大大提高的改進(jìn)款發(fā)動(dòng)機(jī)，滿足市場需求。

（4）該改進(jìn)和匹配過程可為其他發(fā)動(dòng)機(jī)引入VCT系統(tǒng)，在潤滑系統(tǒng)的改善工作方面提供參考，以期能節(jié)省大量的時(shí)間和費(fèi)用。

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Research and Practice of Reducing Scrap Rate in Cracking Process of Connecting Rod

Guo Shuiming
（Shanghai Volkswagen Automotive Co.,Ltd.,Shanghai 201805,China）

Some experience of applying cracking technology of connecting rod in mass production is, introduced.Some technical details of the cracking process of connecting rod is studied,and then proposals and methods are given of dealing with the problems of separated surface,mismatch,deformation and slag in the assemble of connecting rod.

cracking of the connecting rod,laser processing,separated surface

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.03.010

來稿日期：2012-03-09

郭水明（1967-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)連桿的制造工藝和加工設(shè)備。