連桿及曲軸箱的斷裂剖分工藝
F-DIESEL工程機械動力部件 2014/9/18 17:37:49
[關鍵詞]
斷裂剖分工藝是一種為了部件裝配的需要,將一整體件通過沖擊的方法而斷裂剖分為二個構件的新工藝。這種工藝與傳統切削剖分的工藝或構件通過單個制造的方法相比，其突出的優點是剖分的兩個構件不需加工剖分面而可直接進行合裝，并具有可重復的極高定位精度和承載能力，以及構件的生產只需較少的加工工序，從而明顯節約設備投資和降低生產本錢。這種新工藝具有明顯的技術經濟效益。
目前，在汽車發動機制造中，這種新工藝已較普遍地應用于連桿和曲軸箱—主軸承蓋的剖分上。
連桿的斷裂剖分
在傳統的連桿生產流程中，連桿剖分為連桿體和連桿頂蓋是通過鋸削或銑削來實現的。采用這種工藝剖分的連桿，不僅需對連桿體和連桿頂蓋的剖分面進行磨削，并且在剖分面上還要鉆鉸螺栓定位孔和攻螺紋孔或切制端面齒、鉆鉸定位銷孔和鉆螺栓孔等，以便使連桿體和連桿頂蓋能實現精確合裝。從這里可以看出，連桿從“剖分”為兩件到能精確地“合裝”成一體，需經過好多道加工工序。為此，需要較多的機床和相應多的作業面積。
針對連桿傳統切削剖分工藝的缺點，在上世紀80年代末人們開發出連桿斷裂剖分新工藝，這種新工藝旨在通過連桿的斷裂剖分，使剖分的連桿體和連桿頂蓋，在其剖分面不經加工的情況下而直接進行精確合裝，免往傳統工藝為實現連桿體和其頂蓋精確合裝所需的那些后繼加工，以達到減少加工工序和減少機床的目的。
根據斷裂剖分工藝的要求，連桿在進行斷裂剖分之前，先粗鏜連桿大頭孔、鉆螺栓孔和攻螺紋孔，以及在大頭孔預定斷裂處切出兩個對置的三角槽，此三角槽也可以在鑄造連桿毛坯時作出。連桿在斷裂剖分之前還需鉆出螺栓孔，這樣安排，一方面，連桿在斷裂剖分后，就可在下一工位接著進行連桿體和連桿頂蓋的合裝，另一方面，由于加工出螺栓孔，可減少連桿的斷裂截面積，由此降低連桿斷裂剖分時所需的沖擊力。
連桿斷裂剖分時，先將連桿大頭孔套裝在斷裂剖分設備（圖1）的兩個對半分開的芯軸上，連桿進行定位和夾緊。
然后，用來漲裂連桿的楔通過液壓驅動插進兩個半芯軸形成的方孔中，并施以一定的沖擊力。此時，在楔的沖擊下，連桿在大頭孔的三角槽處被斷裂剖分為連桿體和連桿頂蓋。在剖分處則產生一種晶粒狀表面（圖2）。這種凹凸不平的剖分面具有很高的配合精度，當連桿體和其頂蓋用螺栓擰緊合裝后，人們甚至可鍛鑄鐵（左），鍛鋼（中），燒結合金（右）看不出這兩件的裝配接縫。
連桿在斷裂剖分后，需用壓縮空氣將剖分面吹凈，然后引進螺栓進行合裝，并相繼進行連桿兩側面的精磨和大小頭孔的精鏜等終加工工序。
從上述介紹中可以看出，斷裂剖分工藝的應用，大大簡化了連桿的生產工藝流程。傳統的連桿生產工藝流程一般需14道切削加工工序，而應用斷裂剖分工藝，只需6道切削加工工序就夠了。
通過檢測表明，斷裂剖分后重又合裝的連桿，其大頭孔在精加工后，即使經多次拆卸和合裝，孔仍能保持很高的圓度，完全位于所要求的公差范圍內。圖3所示是黑心可鍛鑄鐵GTS70（系德國材料牌號，相當于中國材料牌號KTH700—02）連桿在斷裂剖分和合裝前后其大頭孔在兩個平面上所測得的不圓度。連桿在斷裂剖分前，大頭孔經粗鏜后其不圓度約為12μm。
連桿在斷裂剖分后進行合裝，此時在大頭孔上所測得的不圓度約達到40μm。不圓度變大是由于在斷裂剖分時連桿產生一定的變形所致。孔再經精加工后，這時孔的不圓度減少到約3μm。接著，連桿經多次拆卸和合裝，此時孔的不圓度則穩定保持在4μm左右，此不圓度與精加工后直接測得的不圓度只有1μm左右的變化，這表明，采用斷裂剖分工藝一保證連桿體和其頂蓋合裝的可重復的高精度。
在歐洲汽車產業中，寶馬汽車廠是最早（1992年）應用斷裂剖分工藝來制造V8汽油機燒結—鑄造連桿的廠家，我國長春第一汽車廠也早已引進了應用斷裂剖分工藝的連桿生產設備。這種新工藝的應用表明，連桿的加工設備投資可節約25%。
曲軸箱的斷裂剖分
鑒于斷裂剖分工藝在連桿生產上的成功應用，促使人們將這一新工藝推廣應用于曲軸箱體和曲軸主軸承蓋的制造上。在發動機的傳統生產中，曲軸箱體和曲軸主軸承蓋都是單獨鑄造和進行加工的，無疑需要采用較多的加工工序和加工設備。為在曲軸箱制造上應用這一新工藝，首先需將曲軸箱體與曲軸主軸承蓋鑄成一體，然后，通過斷裂剖分又將曲軸箱剖分為曲軸箱體和曲軸主軸承蓋，從而免往了曲軸箱體和曲軸主軸承蓋的接合面及其相關基面的輔助加工，由此獲得像斷裂剖分連桿那樣的技術經濟效果。
在這里特別要指出的是，對于V型發動機，其點火所產生的爆發力是傾斜作用在曲軸主軸承蓋與曲軸箱體的接合面上，這個力會使軸承蓋相對曲軸箱體產生微小的位移。這種位移可能會在曲軸箱體和曲軸主軸承蓋之間引起顯微焊接，由此就有可能導致曲軸箱體產生振動疲憊斷裂。因此，在傳統生產中，曲軸箱體和軸承蓋的接合面要求加工得很平，軸承蓋需有高的剛性，并精確定位和牢固夾緊在曲軸箱體上，但即使如此，在發動機運行中由于構件的微小變形，還是不能完全消除這種微小位移。
生產實踐表明，通過曲軸箱—主軸承蓋的斷裂剖分，由于在兩個構件的剖分面上產生具有盡對匹配的凹凸狀表面結構，兩個構件用螺栓夾緊合裝后，可以有效地防止由傾斜作用的點火爆發力所引起的微小位移。
圖4是曲軸箱—主軸承蓋斷裂剖分的原理。為減小剖分力，同連桿斷裂剖分工藝一樣，需在預定的剖分處加工出盡可能尖銳的三角槽。近年來為了減輕汽車重量和降低能耗，曲軸箱材質大多采用蠕墨鑄鐵，而這種材質中的鈦合金元素會嚴重影響到其切削性能，所以在這種材料的曲軸箱上機械加工三角槽時，刀具很快就會磨損，致使三角槽底頂尖半徑變大。這樣，在批量生產中，就難于獲得可重復的斷裂剖分效果。為克服這一缺點，發動機廠轉而與鑄造廠進行合作，采用經過專門涂料處理的三角形砂芯，在鑄造時將其澆鑄在曲軸箱的孔中，在斷裂剖分時以起到切口作用，從而確保穩定的斷裂效果。為了進步曲軸箱體與主軸承蓋精確合裝的可靠性，位于曲軸箱上的鑄造冒口，其位置的安排和尺寸的確定必須保證斷裂剖分區的冷卻要慢于四周鑄件體的冷卻速度，以便獲得粗顆粒的斷裂表面結構。這對于軸承蓋的重復精確定位是一重要條件。
在曲軸箱的生產中，應用斷裂剖分工藝的技術經濟效益也是很明顯的。根據寶馬汽車廠的資料，如在四缸柴油發動機灰鑄鐵材質的曲軸箱生產中，由于采用了斷裂剖分工藝，使設備投資減少了2.5%，作業面積節約12.5%，而設備操縱職員減少了10%。然而對于V8柴油發動機的曲軸箱生產，由于采用了斷裂剖分技術，可靠消除了由于傾斜作用于曲軸箱體與主軸承蓋接合面上的點火爆發力而引起的微小位移，從而更能確保發動機的正常運行。
綜上所述，不論是連桿斷裂剖分還是曲軸箱—主軸承蓋的斷裂剖分，與傳統工藝相比，這種新工藝具有后繼加工工序少、設備投資低、所占作業面積少以及構件配合精度和承載能力高等優點。因此，采用這種工藝可以明顯降低連桿和曲軸箱的制造本錢和進步產品質量，無疑具有十分明顯的技術經濟效益。(中國工程機械動力部件網)
[來源：國際金屬加工商情，作者：李如松，如有知識產權爭議，請聯系微信X37329588]。
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