裂解连杆断裂结合面缺损面积定量描述与分析

寇淑清，杨宏宇，高 岩，杨慎华

（1.吉林大学，辊锻工艺研究所，长春 130022；2.长春吉扬华欣科技有限责任公司，长春 130103）

连杆裂解加工（也称“胀断”）技术利用断裂剖分得到的三维凹凸结合面，实现连杆体／盖的精确定位和充分啮合，提高连杆加工精度与装配质量，同时，断裂面较机械加工平面的面积和粗糙度增大，使连杆的承载能力尤其是抗剪能力大幅度提高。另一方面，在裂解加工过程中不可避免地会出现颗粒脱落而造成断裂面缺损，缺损处结合面不再啮合，因此断裂面缺损直接降低了裂解连杆结合面的有效接触面积，为此需要限定断裂面缺损尺寸以保证承载能力和装配质量。

连杆断裂结合面呈犬牙交错的自然形态，测定其面积很困难，在实际生产中对断裂结合面面积缺损的要求并无统一标准，往往以经验和同行的数据作为参考。本文提出了一种定量描述连杆断裂结合面面积的方法，该方法将连杆裂解加工实验与计算机视觉技术、金属断口的三维重建技术、逆向工程理论相结合，利用激光扫描系统获取连杆断裂面数据信息并进行曲面重构，再现断裂结合面形貌并计算其面积，通过与机械加工结合面对比，分析断裂结合面面积增大幅度，据此规范因颗粒脱落造成的断裂面缺损尺寸，为裂解连杆缺陷控制标准提供参考。

1 连杆结合面裂解加工方法

传统结合面主要有平面、台肩形面、凹凸槽形面和锯齿形面，对应的定位方式依次是螺栓定位、止口定位、凹凸槽定位和锯齿定位。传统结合面主要采用成形铣削、成组铣削、成组拉削等工艺技术，工序成本较高［1］，且传统结合面定位方式只能实现二维定位，定位精度有限。随着工程设计中对结合面的设计要求越来越严格，沿着吻合程度最好的方向考虑，同时避免上述种种结合形式的弊端，诞生了基于连杆裂解加工新技术的断裂面定位形式。

裂解加工技术以脆性断裂理论及应力集中理论为基础［2］，对连杆在预定剖分位置制造具有一定几何尺寸的初始启裂源，再施加垂直于预定断裂面的正应力载荷，使连杆沿初始启裂源实现Ⅰ型断裂分离［3］。裂解加工过程如图1所示，断裂剖分后形成一对宏观形态参差、微观互补耦合的三维凹凸结合面，可实现体／盖三个方向精确定位，解决了传统结合面加工难度大，定位精度不理想等问题。

图1 连杆裂解加工过程Fig.1 The process of con－rod fracture splitting

2 连杆断裂剖分易致缺陷

2.1 断裂结合面形态要求

连杆裂解技术要求断裂剖分后，形成一对相互匹配的具有三维参差形态的断裂结合面，断裂面几乎无塑性变形，断口方向平齐且与拉伸应力垂直。

C70S6高碳微合金非调质钢是迄今为止应用最为广泛的裂解连杆用钢，且实现了国产化。C70S6连杆锻后空气控制冷却处理，在低应力脆断条件下，断裂面塑性变形极小，断口方向平齐且与胀断张力垂直，断口边缘无剪切“唇口”，断裂表面粗糙，具有众多细小三维凹凸台阶呈河流状［4］，可满足裂解连杆对断裂结合面的要求。

2.2 断裂结合面缺陷及质量要求

在连杆裂解过程中，由于材料、工艺、裂解槽加工工序缺陷等诸多因素，难免在断裂剖分过程中产生一些裂解缺陷，主要有断裂面颗粒脱落导致的面积缺损，因塑性变形而引起的大头孔失圆超差，裂纹扩展路径不唯一或不闭合导致的分叉、夹屑或外缘台阶，裂纹扩展方向偏移引起的断裂面偏离预定位置，单侧裂纹槽启裂而引起的单边断裂等。其中，断裂面缺损包括以下两种:一是外轮廓颗粒大面积脱落，俗称爆口，如图2（a）所示；二是断裂面内颗粒大面积脱落（断裂复位后不可见脱落）。而夹屑也是断裂面缺损的来源，这是因为夹屑与基体的结合差、承载力不足，在使用中易发生脱落，因此需要清除，从而形成断裂面缺损，图2（b）所示为清除夹屑后的断裂面缺损。

断裂面的缺损不但影响了连杆产品的外观（爆口），造成质量损失，严重时会使承载能力及抗剪能力降低，无法满足强度要求，因此在生产中定量描述断裂结合面的面积并限定其缺损面积是必要的。

图2 裂解连杆断裂剖分缺陷Fig.2 Fracture disfigurements of con－rod

3 连杆断裂面测量

3.1 实验条件

在断裂面三维数据重构过程中，获取高质量的点云数据，是保证重构精度的基础［5］。鉴于连杆断裂面尺寸较小且为复杂空间曲面，本文采用非接触式测量方法［6］，使用LSV50型（台湾）三维激光扫描系统采集连杆断裂面的三维数据，形成实物点云。扫描精度在10μm景深范围内为0.05mm。连杆断裂面具有灰色金属光泽，感光性好，扫描过程中无需额外涂抹感光物质以免造成测量不精确。

实验样件为裂解加工批量生产的某轿车连杆，如图3所示，胀断前大头孔直径为41.8mm，大小头孔中心距为147.5mm，大头厚度为17.9 mm，材料为高碳微合金非调质钢C70S6，连杆锻造后空冷处理。断裂剖分前，激光加工裂解槽，槽深h＝0.4mm。在背压状态利用下拉式楔形裂解机构提供水平胀断力进行裂解加工，断裂剖分过程中无明显颗粒脱落，因此，在后续分析中可假设为完整无缺损断裂面。

图3 断裂剖分连杆样件Fig.3 The sample of splitting con－rod

3.2 参数设置

仪器扫描参数的合理设置决定扫描点云的精度与效果。扫描参数设置包括系统参数设置和激光参数调节，前者包括扫描数据平滑方式，扫描曲线的拟合阶数，数据平滑设定等参数；后者包括对激光强度、亮度和对比度进行调节。连杆裂解断裂结合面形态特征细小，且粗糙不平，扫描步长取最小值为0.01mm，其他参数设置需经多次校核对比选取最佳值，具体见表1和表2。

表1 扫描系统参数设置Table 1 Scanning system preferences

表2 激光参数设置（开室内灯）Table 2 Laser system preferences（with room lamp on）

3.3 连杆断裂面点云数据处理

进行扫描测量时，会扫描到被测零件外的一些背景物体，产生体外点；扫描过程中受到扫描设备轻微振动、环境光、图像处理的算法等因素影响，采集到的数据会包含一些噪声点；由于被测零件自身几何拓扑原因或因光学遮挡效应等，会使测量数据缺失［7］，因此扫描测得的点云数据需要进行适当处理后才能重构。点云数据处理包括擦出体外点、噪音点剔除、数据多边形化等。

处理点云数据时，需格外精细，并与实物对比，反复修改阈值，避免误删有效数据点。去除体外孤点和噪音点后的结果如图4（a）所示，多边形化并对点云数据缺失之处基于曲率填充，按照样件轮廓编辑边界，结果如图4（b）所示。

对比图4与图3可知，使用激光扫描能够很好地测量到连杆断裂面凹坑、隆凸等较复杂轮廓，所得点云可精确反应断裂面形貌。

图4 点云数据显示图Fig.4 The graphic display of point cloud

4 断裂面三维重构及面积计算

重构过程实质上是对三维空间数据场可视化的实现过程［8］。本文基于STL格式文件对以获取的断裂面点云数据按照三角面片拼接方式重构断裂面，并对每一个三角面片的面积进行累加计算，从而完成对连杆断裂面的定量描述。

4.1 TIN法显示三维断面步骤

TIN法显示连杆三维断面，其过程就是建立不规则三角网（如图5），具体步骤如下:

（1）对所有点的距离加以排序，生成有序点的集合。

（2）选择离散点中最相近的两个点作为三角形的一边，然后在其余所有点中搜寻出与这条边最近的点构成第一个三角形网格。

（3）以新生成的三角形的另外两边为底，分别搜寻出与这两条边最近的点构成第二、第三个三角形，以此类推直到将所有的点连入其中。

图5 不规则三角网模型Fig.5 The pattern of triangulated irregular network

4.2 基于STL重构连杆断裂面

经处理的点云数据保存为STL格式，基于Visual C＋＋软件平台，借助C＋＋语言和OpenGL提供的核心函数读取STL文件，将文件中一系列离散的点进行三角面片重构。

（1）STL格式文件的数据结构

STL（Stereo lithograph）即三维实体模型文件，采用三角形面片离散近似表示三维模型，每个三角形面片包含有4个数据项，即三角形的3个顶点坐标和三角形面片的外法线矢量。

（2）拓扑关系的重建

拓扑重建过程数据结构通常由顶点表、法向量表和三角形片面表构成，顶点表和面表数据结构如图6所示。首先为所有三角形面片和顶点进行编号，顶点索引号对应顶点列表中的坐标值，每个三角形面片包含3个顶点的索引号，每个面对应面索引号，并加到面链表中。最后采用Visual C＋＋中提供的动态数据组CArray类对三角形网格模型的几何信息进行存储。

图6 Vertex和Face数据结构示意图Fig.6 The data structure diagram of Vertex and Face

拓扑关系重建后，在Visual C＋＋中可显示点、三角网格和面，图7为截取的部分图片。

图7 Visual C＋＋中显示结果Fig.7 Display the results by Visual C＋＋

4.3 断裂结合面面积计算

已知三角形三个节点坐标值即可计算三角形网格面积，在程序中需设置一个循环，依次读取每个三角形单元编号，根据三角形编号找到与此对应的三个节点编号，根据节点编号找到节点坐标值，进而依据海伦公式可计算出三角形面积，所有三角面片面积累加之和为连杆断裂面面积。计算公式为

式中:i为三角面片的序号，Li、Ai、Bi和Ci分别为第i个三角面片的周长的一半和三角面片的三边边长；n为三角面片的个数，本文中n＝522130，计算得到S＝168.392mm2。

5 连杆断裂面缺损面积控制

通常，生产工艺要求颗粒脱落面积不能超过一定范围，目前还没有统一标准，一般轿车类连杆爆口（外缘颗粒脱落面积）极限尺寸≤2.5mm×1.5mm，中型卡车类连杆≤3.5mm×2.5mm。

根据上述三角面片累加求和得到轿车连杆样件断裂面面积为168.392mm2，机械加工平面面积为148.959mm2，由此可知断裂面面积提高了13.1%。说明如果裂解加工结合面颗粒脱落面积控制在13.1%以内，其结合面接触面积及承载能力将不低于传统机械加工连杆。

针对本实验所采用的轿车连杆样件，断裂面相对平面面积绝对增加值为19.433mm2，其缺损面积最大理论值可达4.4mm×4.4mm。颗粒脱落一般呈现如图2所示的不规则形状，因此采用极限尺寸界定。由此可知，在不考虑外观的条件下，其长、宽极限尺寸可较现有经验参考值大大增加，而不影响连杆的使用性能。

6 结 论

（1）应用激光扫描系统测量某轿车连杆裂解加工断裂结合面三维数据场，并对点云数据进行剔除体外点、噪音点、多边形化填充等操作，获取可精确吻合断裂面形貌的有效数据点。

（2）利用有效点云数据，基于stl格式文件数据结构重建拓扑关系，在Visual C＋＋中用TIN法再现连杆断裂结合面形貌。

（3）采用三角面片拼合累加原理，计算连杆样件断裂结合面面积为168.392mm2，较机械加工结合面面积增加了13.1%。

（4）与传统机械加工连杆相比，在不降低结合面接触面积和承载能力的前提下，裂解加工连杆结合面缺损面积可达4.4mm×4.4mm，其长宽极限尺寸较经验参考值大大提高，对裂解连杆质量控制具有重要意义。

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