摘要　介紹了國(guó)外用于汽車連桿制造的斷裂剖分新技術(shù)，分析了斷裂剖分的機(jī)理和發(fā)生條件，探討了應(yīng)用該技術(shù)時(shí)需要考慮的一些關(guān)鍵問(wèn)題，最后介紹了連桿斷裂剖分裝置。
　　關(guān)鍵詞：連桿　斷裂剖分　機(jī)理　裝置
　　一、引言
　　連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)中高精度的關(guān)鍵零件，由連桿體、連桿蓋共同組成。在傳統(tǒng)制造工藝中，連桿體和蓋的制造依賴兩種方法：1)連桿體和蓋整體鍛造→鋸切分離→接觸面機(jī)加工→裝配。2)連桿體―蓋分別鍛造→接觸面機(jī)加工→裝配。采用上述兩種工藝，不僅需對(duì)連桿體和蓋的聯(lián)接面進(jìn)行銑削和磨削，并且在該聯(lián)接面上還要鉆鉸螺栓定位孔和攻螺紋孔，或者切制端面齒，鉆鉸定位銷孔和鉆螺栓孔等，以便將來(lái)能使連桿體―蓋實(shí)現(xiàn)精確合裝。為此，需要較多的加工機(jī)床，經(jīng)過(guò)十幾道工序，耗費(fèi)大量的加工工時(shí)。
　　針對(duì)連桿傳統(tǒng)制造工藝中的缺點(diǎn)，為了降低制造費(fèi)用和工時(shí)，提高配合精度，連桿斷裂剖分工藝被提出，并首先于80年代中，由Alfling公司在德國(guó)申請(qǐng)專利。其后，有關(guān)研究不斷在美、德獲得進(jìn)展。進(jìn)入90年代，該工藝在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用生產(chǎn)階段。適用的毛坯由最初的粉末鍛造連桿，發(fā)展到中高碳鋼鍛造連桿，使用的廠家覆蓋了美國(guó)三大汽車公司，以及德國(guó)奔馳、寶馬等著名企業(yè)。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用該技術(shù)的廠家是一汽大眾發(fā)動(dòng)機(jī)廠，引進(jìn)德國(guó)技術(shù)裝備，適用于每缸五氣門(mén)新型發(fā)動(dòng)機(jī)連桿。
　　二、連桿斷裂剖分工藝
　　鍛造的連桿毛坯，在實(shí)施斷裂剖分之前，先粗鏜連桿大頭孔，然后在其預(yù)定斷裂處加工兩個(gè)對(duì)置的溝槽，為應(yīng)力集中點(diǎn)，見(jiàn)圖 1a。隨后，將連桿大頭孔套裝到一臺(tái)進(jìn)行斷裂剖分的裝置的兩個(gè)半芯軸上，并將連桿進(jìn)行定位和夾緊。然后利用沖擊力，將用來(lái)脹裂連桿的楔插入上述半芯軸中，此時(shí)在楔的沖擊下，連桿的大頭孔在溝槽處被斷裂剖分為連桿體和連桿蓋，見(jiàn)圖1b。

　　a)開(kāi)槽的連桿　b)斷裂剖分工藝示意
　　圖 1　連桿斷裂剖分工藝示意圖
　　這種新工藝，使分離后的連桿和連桿蓋能直接在斷裂面處自然精確合裝，無(wú)需加工配合面，達(dá)到了減少加工工序和減少加工機(jī)床的目的。此外，除連桿剖分面具有較高的配合精度外，還由于其剖分接觸面是凸凹不平的，大大提高了接觸面積，從而提高了連桿承載能力。
　　三、斷裂剖分機(jī)理
　　1.脆性斷裂
　　該工藝的理論基礎(chǔ)是斷裂力學(xué)中的脆性斷裂理論。據(jù)斷裂力學(xué)可知，斷裂過(guò)程中裂紋表面通常有三種位移形式，即張開(kāi)型、前后滑移型、平面剪切型。當(dāng)物體受垂直于斷裂平面的正應(yīng)力拉力時(shí)，屬?gòu)堥_(kāi)型斷裂，這是脆性斷裂產(chǎn)生的形式和條件。脆性斷裂具有以下發(fā)生特點(diǎn)：1)斷裂時(shí)承受的工作應(yīng)力較低，通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，塑性變形??；2)斷裂受溫度影響較大；3)斷口方向與正應(yīng)力相垂直。
　　連桿斷剖工藝正是依照脆性斷裂的上述特點(diǎn)，通過(guò)在連桿大頭內(nèi)側(cè)開(kāi)出V型槽，然后施加垂直于預(yù)定斷裂面的正應(yīng)力，滿足脆性斷裂的發(fā)生條件，使連桿體一蓋在不發(fā)生塑性變形的情況下被分離。應(yīng)關(guān)注以下幾個(gè)問(wèn)題：1)毛坯材料；2)V型槽形狀與所需應(yīng)力關(guān)系；3)操作溫度。
　　2.毛坯材料
　　由于脆性材料更易發(fā)生脆性斷裂，適于采用斷剖工藝制造的連桿，主要采用下述三種材料的毛坯：1)粉末鍛造毛坯；2)可鍛鑄鐵；3)70高碳鋼。這三種材質(zhì)的毛坯，室溫下可實(shí)現(xiàn)脆性斷裂，連桿大頭孔不產(chǎn)生明顯塑性變形，其變形量≤40μm，經(jīng)機(jī)加工后，其圓度誤差可減為3μm。此外，45～55鍛鋼毛坯也可使用斷剖技術(shù)進(jìn)行連桿制造，但必須保證在－40℃時(shí)，才可實(shí)現(xiàn)脆性斷裂，保證脹裂后的變形足夠小。
　　3.溫度影響
　　斷裂剖面如同沖壓面一樣，通常分為三區(qū)，由斷裂源向外依次可分為纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇(見(jiàn)圖 2)。當(dāng)斷面的放射區(qū)較寬時(shí)，表示材料的塑性差，脆性較大。反之，纖維區(qū)較大，表明材料的塑性及韌性較好。如何加大放射區(qū)寬度，縮小纖維區(qū)寬度，是實(shí)現(xiàn)脆性斷裂的條件。
　　
　　圖 2　斷口剖面示意
　　圖3所示為溫度對(duì)斷口三要素各區(qū)大小的影響，材料為40Cr，從圖中可見(jiàn)，當(dāng)溫度低于室溫時(shí)，放射區(qū)即已顯著增大，這樣為室溫下實(shí)施連桿的斷剖工藝提供了實(shí)驗(yàn)保障。力學(xué)性能與40Cr相近的70以上碳鋼，同樣符合圖 4所顯示的溫度分區(qū)趨勢(shì)。
　　
　　圖 3　溫度對(duì)脆性斷裂的影響

　　圖 4　斷裂強(qiáng)度與裂紋深度的關(guān)系曲線
　　4.溝槽深度a與斷裂強(qiáng)度的關(guān)系
　　由圖4可見(jiàn)，裂紋(V形槽)深度與斷裂強(qiáng)度σc成反比，即對(duì)于一定的應(yīng)力值，存在著一個(gè)臨界的裂紋深度ac，當(dāng)裂紋深度小于此值時(shí)，裂紋是穩(wěn)定的，只有大于此值時(shí)，裂紋失穩(wěn)，裂紋愈深，材料的臨界斷裂應(yīng)力愈低。深度a與σ的關(guān)系如下：

　　當(dāng)帶缺口的結(jié)構(gòu)受外力時(shí)，在裂紋尖端附近產(chǎn)生一應(yīng)力強(qiáng)度因子KIC(又稱材料斷裂韌性值)控制的應(yīng)力。當(dāng)外力增加時(shí)，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨之增加，當(dāng)KI達(dá)到某一臨界值KIC時(shí)，裂紋發(fā)生失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)脆性斷裂，即KI≥KIC。
　　對(duì)于一定的材料，KIC為一常值，可查表求出，也可通過(guò)測(cè)試方法確定(更加精確)。KIC值越低，越