降低连杆裂解工艺废品率的探索和实践

郭水明

（上海大众汽车有限公司，上海201805）

降低连杆裂解工艺废品率的探索和实践

郭水明

（上海大众汽车有限公司，上海201805）

介绍了连杆裂解技术在大批量生产应用中的一些经验，探究了连杆激光加工裂解工艺的一些技术细节，对解决连杆爆口、错位、变形、夹渣等问题给出了具体的方法和建议。

连杆裂解激光加工爆口

1 前言

连杆是发动机上的关键零件，在高频率疲劳载荷下工作，对强度有较高的要求，对其制造方法及技术，国内外都给予了极大的关注，连杆裂解（也称连杆涨断、撑断）加工工艺是20世纪90年代初发展起来的一种连杆加工新技术[1]。该技术从根本上改变了传统的连杆加工方法，是对传统连杆加工的一次重大变革。在加工实践中发现，裂解工艺存在废品率较高的缺陷。本文在分析废品类型的基础上，通过长时间在生产实际中的探索和实践，给出了针对性的解决方法，有效地降低了裂解工艺的废品率。

2 连杆裂解装置原理

图1为连杆裂解装置原理图。图中1为涨断斜锲，2为半圆形涨断套，3为半圆形定位套。定向裂解时，涨断斜锲1在油缸压力的作用下，沿箭头方向移动，挤压涨断套2向右移动，在挤压力的作用下，连杆大头孔沿预先加工好的应力槽裂解为两半。

图1 裂解装置原理图

3 缺陷类型分析

通过分析连杆裂解工艺的产品，发现裂解工艺连杆报废的缺陷类型主要有以下4种：连杆断裂面的爆口、错位、夹渣和连杆大孔的变形。

（1）爆口。连杆裂解工艺的最主要缺陷表现为连杆裂解断裂面的大面积掉渣，这会减少结合面的面积，影响连杆结合面的结合强度，降低连杆的力学性能。生产中规定爆口面积超过3×2.5 mm2，即为废品，参见图2。图中左侧2根连杆爆口面积大于3×2.5 mm2为废品，右侧2根连杆爆口面积小于3×2.5 mm2为合格品。

（2）错位。连杆杆身和盖的结合面有明显错位，侧向错位大于0.02 mm，径向错位大于0.03 mm，即为废品，如图3所示。

（3）夹渣。连杆杆身和盖结合面之间夹有裂解表面掉落的金属颗粒，这会导致结合面失去结合力，见图4中箭头所指处。

（4）大孔变形。涨断后，重新装配好的连杆大孔，沿杆身方向变形过大，导致后续连杆大头孔精镗工序出现镗孔黑疤而报废，或者在发动机装配环节再次拆装时，沿杆身方向变形过大而报废，见图5。

图2 连杆裂解断裂面的爆口缺陷

图3 杆身和盖结缝处有明显的错位痕迹

造成这4种缺陷的原因主要集中在连杆毛坯、应力槽加工、夹具定位、设备等4个方面。以下分别介绍了这4个方面对连杆裂解报废缺陷的影响和解决方法。

4 缺陷的影响因素和解决方法

4.1 连杆毛坯的影响和解决方法

图4 结合面处有金属颗粒

图5 连杆大孔变形的测量情况

裂解加工对毛坯材料有较高要求[2]，上海大众公司EA113发动机连杆毛坯采用添加硫和锰等元素的C70S6BY高碳钢，经过锻造加工处理。对材料中各元素的比例应严格监控，如果比例超差，很容易发生掉渣、爆口等缺陷；毛坯要经过足够长时间的时效处理，消除内应力，如毛坯存在内应力，裂解时很容易发生连杆大孔错位、变形等缺陷。

在发动机厂刚开始引进裂解技术时，连杆爆口率居高不下。通过对爆口连杆和未爆口连杆的材料成分进行分析，发现爆口连杆存在元素含量超标的情况。表1为部分元素的对比结果。

表1 爆口和未爆口连杆的材料成分对比

上表中，连杆1没有出现爆口，连杆2～4均出现爆口，且爆口连杆均有元素超标。未爆口连杆的化学成分在有效范围之内，而爆口连杆的成分则有一定偏差，C、Mn、S元素的含量超出了有效范围。这3种元素对爆口影响最大，其含量的增加均增大了材料的脆性，是造成爆口的一个重要原因。经过严格控制连杆毛坯的化学元素成分，爆口率由4.02%降低到3.14%。

影响连杆毛坯的另一个因素是，若连杆毛坯内应力没有完全消除，则裂解后，就会发生严重的连杆大孔变形，导致废品。为了避免连杆毛坯内部应力对变形的影响，抽取若干连杆毛坯，沿与连杆中心线垂直的连杆大孔直径方向，用线切割方法切开，测量变形量，经过足够长时效处理的连杆发生的变形量见表2。

表2 经时效处理后连杆的变形量

满足上述变形量要求的连杆毛坯不会对大孔变形造成不良影响，没有经过足够长时效处理、没有有效消除内应力的连杆，切开时变形量一般要大于0.5 mm。在严格控制毛坯质量、消除内应力的情况下，连杆大孔变形可完全控制在公差范围之内，连杆大孔精镗不会出现镗孔黑疤。

4.2 应力槽的影响和解决方法

图6为激光加工应力槽示意图。激光枪可以是单头也可以是双头。单头激光枪需来回摆动，连杆不动；双头枪连杆动，枪不动。

应力槽的加工质量直接影响到连杆裂解时爆口的多少。为减少裂解时所需的涨断力，理论上割槽深度尽可能的深，但因镗孔余量的限制，割槽深度不能太深，但槽太浅，连杆涨断时会爆口，所以激光割槽深度一般应控制在0.5 mm之内。

在投产后不久，排除连杆毛坯因素，连杆涨断的爆口发生率还是保持在较高的水平，基本在3%～4%之间徘徊。经过一段时间的观察和分析，发现其主要原因是应力槽的加工质量没有得到有效的保证。

图6 激光加工示意图

为了保证应力槽的加工质量，采取了4项改进措施：加强对激光割槽的监控、调整激光参数、调整焦点位置、保证保护气压力。

4.2.1 对激光割槽监控

为了有效监控激光割槽的效果，生产现场专门配置了专用的电子显微镜，以辅助激光枪的调整。每次调整激光参数后，试验加工2至3根连杆，观察激光调整后的割槽效果。激光割槽深度一般应控制在0.5 mm之内。两边槽深越对称越好，两边槽的深度偏差应控制在0.1 mm之内，这样基本可以避免单边断裂和爆口。

要达到上述指标，需要对激光喷嘴和连杆大孔内壁之间的距离做调节。割槽时，激光喷嘴和加工面的距离应保持在0.5 mm左右，两边的距离误差应控制在0.05 mm之内，这样两边的割槽深度才能基本一致。

应力槽割线的位置在沿大、小头孔中心线连线方向的偏移量要加以控制，往杆身方向的偏移量不大于0.3 mm，往盖侧的偏移量不大于0.7 mm，割线位置落在此范围内，可有效控制大孔变形。

4.2.2 激光参数的选择

上海大众发动机厂采用的是德国ALFING公司涨断专机，使用TRUMPF公司的HL 62P激光器。激光束在工件表面的聚焦直径、切割速度、脉冲功率、脉冲时间这4个加工参数，对裂解槽深度、宽度、脉冲打孔连续性、裂解槽尖角处圆角半径有直接显著的影响。要达到良好的割槽效果，各激光参数的选择，需要根据加工时的实际情况作一定的调整。使用YAG激光源的HL 62P激光器，其各项性能参数允许的调整范围及最终选择的激光参数见表3[3]。在这样的参数条件下，可以得到较好的割槽效果，从而保证割槽深度达到0.5 mm。

表3 激光参数范围表

4.2.3 焦点位置的选择

除了激光参数的设定，激光焦点离切割表面的距离也需要仔细调整，一般以焦点刚好落在被切割零件表面为好。若焦点在零件表面上方或在零件表面下方，都会引起槽孔变浅变细。图7给出了激光焦点位于不同位置时激光割槽的效果。

根据实际加工试验，图7(a)和(c)所示焦点位置，都需要更大的涨断力，并且更容易发生爆口和大孔变形；图7(b)所示焦点位置，是比较理想的焦点位置。

图7 焦点落在不同位置时的激光割槽深度

4.2.4 保护气压力设定

要达到理想的割槽效果，保护气体压力的设定同样重要。吹气压力基本上要达到1 000 kPa，否则，熔化的金属液体不能被有效吹净，冷却后，会形成马氏体凝结块，严重影响割槽质量，会导致连杆不易涨断和易撕裂掉渣。

保护气体压力不足，也容易导致金属雾气通过激光喷嘴孔，粘附到防护镜片上，影响激光通过，同样会导致割槽失败。为防止吹散的金属液四溅到周围，以及蒸发的金属雾气粘附到防护镜片上，割槽工位还设置了专门的吸气装置。吸气装置的吸气量应大于吹气量，以保证吸走气雾和飞溅的金属液。

通过调整合适的激光参数、焦点位置、保持足够保护气压力，再借助于电子显微镜对割槽深度位置等进行监控，有效地保证了应力槽的加工质量，连杆涨断时爆口的发生率大幅度降低。目前，已可以保持在0.6%的较低水平。

4.3 盖和杆身错位解决方法

裂解后的杆身和盖，因后续加工的需要，要用螺栓按一定扭矩装配在一起。在实际加工中，会发生杆身和盖的结合面错位，这会导致连杆涨断面不能精确啮合，影响连杆性能，导致出现废品。

4.3.1 定期检查更换夹具

经过仔细的观察和比较发现，加工时由于杆身和盖所受的压紧力不一样，杆身被压块紧紧压住，而盖不受压力，可以前后移动，如果定位夹具的定位面磨损严重，导致盖和杆身的夹具定位面有落差。当落差达到0.05 mm以上时，杆身和盖的上下错位的现象会很严重，发生的比例可达80%以上，会严重影响生产。用于连杆大孔内定位的L型夹具磨损也是不均匀的，拧紧螺栓时，杆身是不动的，盖在移动，与盖接触的一侧夹具磨损比较快。当加工数量达到90万根连杆后，L型夹具磨损已相当严重，会出现盖和杆身的左右错位。为避免这种错位现象，定位夹具要及时更换。一般每半年要更换一次，进口夹具的更换时间可延长到一年，甚至2年。此外，要严格控制好国产夹具的加工精度和硬度，杆身和盖夹具定位面之间的上下偏差应控制在0.01 mm之内，L型夹具两圆弧定位面之间的落差应控制在0.01 mm之内，夹具硬度应达到HRC 60±2。

通过严格控制定位夹具的加工质量和定期检查更换夹具，彻底解决了盖和杆身错位的问题。

4.3.2 定位夹具的保养

因激光熔化金属后，金属气雾凝结在夹具体上，会造成连杆定位偏斜，引起激光割槽深浅不一，质量下降，甚至导致激光喷嘴和连杆的碰撞，撞毁喷嘴和激光枪，因此，必须定期对夹具进行清理。根据大批量生产积累的经验，一般同一个夹具加工500至600根连杆后，就要对夹具做清理，清除上面的熔渣凝结块。在制订和执行这个标准之前，由于对夹具溶渣清理不及时，每年要发生1～2次激光枪头的碰撞事故，造成较长时间的停机，以及备件损失。

图8 磨损的平面定位夹具

图9 磨损的L型定位夹具

4.4 夹渣问题解决方法

连杆裂解后，在连杆涨断面会留下少量的细小颗粒，会对后续的装配造成不良影响。若颗粒进入油道和轴承间隙，还会引起发动机轴瓦拉毛，影响发动机的使用寿命，引发严重的质量问题。必须采取相应的措施，除去涨断面留的颗粒状碎屑。比较可行的方法是增加吹气装置、吸气装置和振动装置。吹气压力一般在500 kPa以上，对着断裂面吹，吹气角度最好是45°；为防止吹落碎屑飞溅，吸气装置的吸气量应大于吹气量；还有部分的碎屑，则需要依靠振动装置，将杆身和盖结合面上的碎屑振落下来。在振动过程中，不允许杆身和盖的涨断面有接触，以免破坏结合面的状态。在早期，发动机制造厂家还没有认识到这个问题的严重性，设备一般不带振动装置，近期的设备都带有振动装置。在连杆爆口得到较好控制的情况下，带有吸气装置和振动装置的设备，已能较好地解决夹渣问题。

5 结论

连杆裂解加工工艺，加工废品的类型主要有4种：连杆断裂面的爆口、错位、夹渣和连杆大孔的变形，造成这4种类型废品的原因，与连杆毛坯、应力槽加工、定位夹具、设备等方面有关。通过对上述几个方面的分析研究和试验，采取了相应的措施，通过控制毛坯质量、改善应力槽加工、保证夹具加工精度、定期更换夹具、改进设备装置等方法，通过长期的实践检验，有效降低了工废。连杆裂解加工工艺的废品率从开始的4%降低到目前的0.6%，显著地降低了发动机的制造成本，提升了发动机的制造质量。

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.

图13 应用机械挺杆后的机油压力曲线

图14 优化方案机油压力曲线

（2）对发动机润滑系统的改进能够改善机油供应的分配矛盾。经过润滑系统的重新匹配试验，取得了良好的结果，在最小的代价下同时满足VCT装置和缸盖对机油的需求。

（3）在顶置凸轮轴发动机上较小的改进代价，引入VCT装置。通过重新匹配润滑系统等改善工作和试验，顺利得到了一款动力性能、经济性及排放性能，包括平顺性大大提高的改进款发动机，满足市场需求。

（4）该改进和匹配过程可为其他发动机引入VCT系统，在润滑系统的改善工作方面提供参考，以期能节省大量的时间和费用。

参考文献

1王立彪，何邦全，谢辉等．发动机可变气门技术的研究进展，天津大学内燃机燃科学国家重点实验室。

2董敬，庄志，常思勤．汽车拖拉机发动机[M]．北京：机械工业出版社，1999．

3林秉华．最新汽车设计实用手册[M]．黑龙江：黑龙江人民出版社，2005．

4童宝宏，桂长林，陈华等．发动机润滑系的研究与进展[J]．车用发动机，2007（4）．

5谈建，童宝宏．发动机润滑系统典型组成部件工作性能的试验研究[J]．小型内燃机与摩托车，2006（12）．

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

来稿日期：2012-03-09

郭水明（1967-），男，高级工程师，主要研究方向为发动机连杆的制造工艺和加工设备。