连杆及曲轴箱的断裂剖分

    断裂剖分工艺是一种为了部件装配的需要,将一整体件通过冲击的方法而断裂剖分为二个构件的新工艺。这种工艺与传统切削剖分的工艺或构件通过单个制造的方法相比，其突出的优点是剖分的两个构件不需加工剖分面而可直接进行合装，并具有可重复的极高定位精度和承载能力，以及构件的生产只需较少的加工工序，从而显著节约设备投资和降低生产成本。这种新工艺具有显著的技术经济效益。 
         
    目前，在汽车发动机制造中，这种新工艺已较普遍地应用于连杆和曲轴箱—主轴承盖的剖分上。

图1:不同材质连杆的断裂剖分面 图2:曲轴箱—主轴承盖断裂剖分的原理（Ex-Cell-O公司）

        连杆的断裂剖分
        
        在传统的连杆生产流程中，连杆剖分为连杆体和连杆顶盖是通过锯削或铣削来实现的。采用这种工艺剖分的连杆，不仅需对连杆体和连杆顶盖的剖分面进行磨削，并且在剖分面上还要钻铰螺栓定位孔和攻螺纹孔或切制端面齿、钻铰定位销孔和钻螺栓孔等，以便使连杆体和连杆顶盖能实现精确合装。从这里可以看出，连杆从“剖分 ”为两件到能精确地“合装”成一体，需经过好多道加工工序。为此，需要较多的机床和相应多的作业面积。
        
        针对连杆传统切削剖分工艺的缺点，在上世纪80年代末人们开发出连杆断裂剖分新工艺，这种新工艺旨在通过连杆的断裂剖分，使剖分的连杆体和连杆顶盖，在其剖分面不经加工的情况下而直接进行精确合装，免去传统工艺为实现连杆体和其顶盖精确合装所需的那些后继加工，以达到减少加工工序和减少机床的目的。
        
        根据断裂剖分工艺的要求，连杆在进行断裂剖分之前，先粗镗连杆大头孔、钻螺栓孔和攻螺纹孔，以及在大头孔预定断裂处切出两个对置的三角槽，此三角槽也可以在锻造连杆毛坯时作出。连杆在断裂剖分之前还需钻出螺栓孔，这样安排，一方面，连杆在断裂剖分后，就可在下一工位接着进行连杆体和连杆顶盖的合装，另一方面，由于加工出螺栓孔，可减少连杆的断裂截面积，由此降低连杆断裂剖分时所需的冲击力。
        

图3

        连杆断裂剖分时，先将连杆大头孔套装在断裂剖分设备（图1）的两个对半分开的芯轴上，连杆进行定位和夹紧。然后，用来涨裂连杆的楔通过
        液压驱动插入两个半芯轴形成的方孔中，并施以一定的冲击力。此时，在楔的冲击下，连杆在大头孔的三角槽处被断裂剖分为连杆体和连杆顶盖。在剖分处则产生一种晶粒状表面（图2）。这种凹凸不平的剖分面具有很高的配合精度，当连杆体和其顶盖用螺栓拧紧合装后，人们甚至可锻铸铁（左），锻钢（中），烧结合金（右）看不出这两件的装配接缝。
        
        连杆在断裂剖分后，需用压缩空气将剖分面吹净，然后引入螺栓进行合装，并相继进行连杆两侧面的精磨和大小头孔的精镗等终加工工序。
        
        从上述介绍中可以看出，断裂剖分工艺的应用，大大简化了连杆的生产工艺流程。传统的连杆生产工艺流程一般需14道切削加工工序，而应用断裂剖分工艺，只需6道切削加工工序就够了。
        
        通过检测表明，断裂剖分后重又合装的连杆，其大头孔在精加工后，即使经多次拆卸和合装，孔仍能保持很高的圆度，完全位于所要求的公差范围内。图3所示是黑心可锻铸铁GTS70（系德国材料牌号，相当于中国材料牌号KTH700—02）连杆在断裂剖分和合装前后其大头孔在两个平面上所测得的不圆度。连杆在断裂剖分前，大头孔经粗镗后其不圆度约为12μm。
        
        A）断裂剖分前 ， B）断裂剖分后， C）精加工后 ， D）连杆盖经拆卸和重新用螺栓拧紧后。
        

图4

        连杆在断裂剖分后进行合装，此时在大头孔上所测得的不圆度约达到40μm。不圆度变大是由于在断裂剖分时连杆产生一定的变形所致。孔再经精加工后，这时孔的不圆度减少到约3μm。接着，连杆经多次拆卸和合装，此时孔的不圆度则稳定保持在4μm左右，此不圆度与精加工后直接测得的不圆度只有1μm左右的变化，这表明，采用断裂剖分工艺一保证连杆体和其顶盖合装的可重复的高精度。
        
        在欧洲汽车工业中，宝马汽车厂是最早（1992年）应用断裂剖分工艺来制造V8汽油机烧结—锻造连杆的厂家，我国长春第一汽车厂也早已引进了应用断裂剖分工艺的连杆生产设备。这种新工艺的应用表明，连杆的加工设备投资可节约25%。
        
        曲轴箱的断裂剖分
        
        鉴于断裂剖分工艺在连杆生产上的成功应用，促使人们将这一新工艺推广应用于曲轴箱体和曲轴主轴承盖的制造上。在发动机的传统生产中，曲轴箱体和曲轴主轴承盖都是单独铸造和进行加工的，无疑需要采用较多的加工工序和加工设备。为在曲轴箱制造上应用这一新工艺，首先需将曲轴箱体与曲轴主轴承盖铸成一体，然后，通过断裂剖分又将曲轴箱剖分为曲轴箱体和曲轴主轴承盖，从而免去了曲轴箱体和曲轴主轴承盖的接合面及其相关基面的辅助加工，由此获得像断裂剖分连杆那样的技术经济效果。
        

图5

        在这里特别要指出的是，对于V型发动机，其点火所产生的爆发力是倾斜作用在曲轴主轴承盖与曲轴箱体的接合面上，这个力会使轴承盖相对曲轴箱体产生微小的位移。这种位移可能会在曲轴箱体和曲轴主轴承盖之间引起显微焊接，由此就有可能导致曲轴箱体产生振动疲劳断裂。因此，在传统生产中，曲轴箱体和轴承盖的接合面要求加工得很平，轴承盖需有高的刚性，并精确定位和牢固夹紧在曲轴箱体上，但即使如此，在发动机运行中由于构件的微小变形，还是不能完全消除这种微小位移。
        
        生产实践表明，通过曲轴箱—主轴承盖的断裂剖分，由于在两个构件的剖分面上产生具有绝对匹配的凹凸状表面结构，两个构件用螺栓夹紧合装后，可以有效地防止由倾斜作用的点火爆发力所引起的微小位移。
        
        图 4是曲轴箱—主轴承盖断裂剖分的原理。为减小剖分力，同连杆断裂剖分工艺一样，需在预定的剖分处加工出尽可能尖锐的三角槽。近年来为了减轻汽车重量和降低能耗，曲轴箱材质大多采用蠕墨铸铁，而这种材质中的钛合金元素会严重影响到其切削性能，所以在这种材料的曲轴箱上机械加工三角槽时，刀具很快就会磨损，致使三角槽底顶尖半径变大。这样，在批量生产中，就难于获得可重复的断裂剖分效果。为克服这一缺点，发动机厂转而与铸造厂进行合作，采用经过专门涂料处理的三角形砂芯，在铸造时将其浇铸在曲轴箱的孔中，在断裂剖分时以起到切口作用，从而确保稳定的断裂效果。为了提高曲轴箱体与主轴承盖精确合装的可靠性，位于曲轴箱上的铸造冒口，其位置的安排和尺寸的确定必须保证断裂剖分区的冷却要慢于周围铸件体的冷却速度，以便获得粗颗粒的断裂表面结构（图5）。这对于轴承盖的重复精确定位是一重要条件。
                 在曲轴箱的生产中，应用断裂剖分工艺的技术经济效益也是很明显的。根据宝马汽车厂的资料，如在四缸柴油发动机灰铸铁材质的曲轴箱生产中，由于采用了断裂剖分工艺，使设备投资减少了2.5%，作业面积节约12.5%，而设备操作人员减少了10%。然而对于V8柴油发动机的曲轴箱生产，由于采用了断裂剖分技术，可靠消除了由于倾斜作用于曲轴箱体与主轴承盖接合面上的点火爆发力而引起的微小位移，从而更能确保发动机的正常运行。
        
        综上所述，不论是连杆断裂剖分还是曲轴箱—主轴承盖的断裂剖分，与传统工艺相比，这种新工艺具有后继加工工序少、设备投资低、所占作业面积少以及构件配合精度和承载能力高等优点。因此，采用这种工艺可以显著降低连杆和曲轴箱的制造成本和提高产品质量，无疑具有十分显著的技术经济效益。