虞積民

（上海交運集團股份有限公司汽車零部件制造分公司，上海 201206）

引言

發(fā)動機是汽車的心臟，連桿是發(fā)動機的關鍵零部件，連桿受到復雜變化的交變載荷的作用，因此發(fā)動機連桿的的生產質量直接影響到發(fā)動機的整體性能和可靠性[1]。因為連桿是發(fā)動機重要的運動部件，所以要求連桿有很高的加工質量精度，必須保證連桿表面無折疊、裂紋和橫向磨痕等缺陷，這就意味著對連桿的設計和加工有更高的要求。隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，連桿的需求量在不斷增加，許多新的制造加工工藝也在不斷應運而生，連桿作為發(fā)動機的關鍵零部件，其加工技術一直受到廣泛的關注。如何提高連桿的生產效率，提高加工精度，降低成本，延長連桿的使用壽命對現今各大汽車制造商具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 發(fā)動機連桿制造技術的發(fā)展

1.1 連桿制造工藝的發(fā)展

表1 不同連桿制造工藝比較

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，連桿的需求量在不斷增加，因此出現了許多不同的加工制造工藝。目前，連桿坯料制造工藝主要有鑄造工藝、模鍛工藝、粉末鍛造工藝、常規(guī)粉末冶金工藝等，表1為連桿各種坯料工藝的比較。

從連桿的生產發(fā)展歷程可看出，粉末冶金零件的開發(fā)與應用，和汽車制造業(yè)所追求的輕量化、改進零件性能、降低生產成本、保護環(huán)境等目標息息相關。因此汽車制造業(yè)中，粉末冶金連桿的生產與發(fā)展已得到越來越廣泛的應用。

1.2 連桿加工工藝

連桿作為發(fā)動機的一個關鍵零部件，其加工技術一直受到廣泛的關注。隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展，許多制造加工的新工藝新技術應運而生。連桿裂解工藝就是上世紀90年代出現的一項連桿加工新技術。圖1為傳統(tǒng)工藝與裂解工藝的比較。

圖1 傳統(tǒng)連桿加工與裂解工藝比較

1.3 粉末鍛造與裂解工藝相結合

LDK發(fā)動機連桿坯料制造采用粉末鍛造工藝，連桿體與連桿蓋分離面的制造采用裂解加工工藝，由于制造 LDK發(fā)動機連桿采用了粉末鍛造與裂解工藝相結合的工藝，故其相對于傳統(tǒng)連桿很大的優(yōu)勢。

2 分析連桿的結構工藝性

連桿是發(fā)動機中主要傳動部件之一，它的功用是將活塞承受的力傳給曲軸，并將活塞的往復運動轉變?yōu)榍S的旋轉運動。它主要由小頭、桿身和大頭組成。大頭為分開式結構，連桿體與連桿蓋用螺栓連接，并與曲軸裝配在一起。連桿的結構形式，直接影響機械加工工藝的可靠性和經濟性。LDK汽油機連桿為大量生產，因此其在結構工藝方面有很高的合理性。

3 研究連桿加工工藝路線

制定工藝路線的出發(fā)點，應當是使零件的幾何形狀、尺寸精度及位置精度等技術要求能得到合理的保證。由于發(fā)動機連桿的加工為大批大量生產，應該廣泛采用先進工藝和高生產率的專用機床，實現機械加工、連桿蓋和連桿體裝配、稱重、檢驗、清洗和包裝等工序自動化。除此以外，還應考慮經濟效果，以便降低生產成本。加工工藝路線考慮的因素可歸納為表2：

表2 加工工藝路線考慮的因素

綜上所述，并根據機加工順序原則“先粗后精、先主后次，先面后孔、基面先行”對連桿加工進行合理的工藝路線的設計，連桿加工工藝流程圖如下：

圖2 LDK 2.0T發(fā)動機連桿加工工藝流程圖

4 連桿裂解有限元分析

連桿裂解加工工藝與傳統(tǒng)的連桿加工工藝相比有很明顯的優(yōu)勢，也是連桿制造技術的發(fā)展方向。但是，生產制造企業(yè)非常關注預留裂解槽尺寸與裂解力大小對連桿裂解的影響，采用有限元仿真分析方法試圖解決并了解兩者之間的關系對制造企業(yè)有著重要的現實意義。

4.1 連桿模型的建立與導入

為提高有限元的分析和計算效率，最終取連桿大頭端的二分之一作為有限元分析對象。為了便于清理和導入，LDK發(fā)動機連桿模型直接在UG中進行了簡化處理，處理結果模型如圖3所示，導入HyperMesh中的連桿模型如圖4所示。

圖3 連桿三維模型

圖4 連桿有限元模型

在導入HyperMesh之后，接下來就是對連桿模型進行網格劃分。由于有限元將一個連續(xù)的整體離散成不連續(xù)的個體單元，因此，將單元劃分得越細誤差會越小。但事實上考慮到計算資源的限制，不可能無限小的細化網格。最終網格劃分結果如圖5所示。

圖5 連桿有限元網格劃分圖

連桿材料為粉末冶金材料，洛氏硬度為 21-30，屈服強度為601MPa，抗拉強度為947MPa。定義材料屬性時輸入彈性模量E與泊松比ν。

根據裂解過程中的受力分析，可以對裂解進行合理簡化：假定連桿在起裂解前受到的是靜力作用，可以忽略速度、動量的影響；把蓋端所受到的作用力和預緊力的合力設為裂解力。

最終施加約束和載荷的模型圖如圖6所示。

圖6 連桿有限元載荷約束圖

4.2 連桿仿真計算結果

4.2.1 連桿裂解力大小

在不同大小的裂解力作用下對連桿漲斷效果進行分析，其結果如圖7所示：

已知粉末冶金材料抗拉極限值，由圖7可看出，當裂解力為65KN時，裂解槽區(qū)域的應力正好大于連桿的抗拉極限，即當裂解力為65KN時連桿正好漲斷，為最佳漲斷力。

圖7 不同漲斷力下連桿應力分布云圖

4.1.2 裂解槽對塑性區(qū)的影響

（1）當連桿漲斷力為65KN時，將無裂解槽的模型與有裂解槽的模型進行分析比較，其結果如圖8所示：

圖8 連桿漲斷應力分布云圖

（2）當連桿漲斷力為65KN時，將不同槽深的連桿有限元模型進行分析比較，其結果如圖9所示：

圖9 不同裂解槽連桿應力分布云圖

4.3 仿真結論分析

由以上有限元仿真分析結果可知：

（1）當裂解力為65KN時，裂解槽區(qū)域的應力正好大于連桿的抗拉極限，即當裂解力為65KN時LDK發(fā)動機連桿正好漲斷，為最佳漲斷力。

（2）通過有限元分析，分析裂解區(qū)應力狀態(tài)，得出有裂解槽的模型在裂解槽處有明顯的應力集中現象，其相對于未預制裂解槽的連桿，能保證更高的裂解質量。

（3）通過對不同槽深的有限元模型比較分析，可知裂解槽深度對裂解塑性區(qū)域影響很大，隨著槽深的增大對裂解區(qū)的影響也增大。

5 結論

本文對 LDK發(fā)動機連桿的機械加工工藝完全符合企業(yè)標準與使用要求。連桿的制造加工通過運用粉末鍛造和裂解新工藝相結合，大幅度減少了連桿加工工序，大大降低了整個生產成本。

本課題首次探索性地使用的有限元軟件，仿真模擬分析了連桿裂解時的漲斷力與裂解槽尺寸對裂解的影響，為企業(yè)今后粉末冶金毛坯制造裂解槽尺寸的預留及漲斷工藝及機床的選擇設計，以及CAE分析奠定了基礎。