發(fā)動機是汽車的心臟，連桿是發(fā)動機的關(guān)鍵部件，連桿受到復(fù)雜變化的交變載荷的影響。因此，發(fā)動機連桿的生產(chǎn)質(zhì)量直接影響發(fā)動機的整體性能和可靠性。由于連桿是發(fā)動機的重要運動部件，因此要求連桿具有較高的加工質(zhì)量和精度，并且必須保證連桿表面沒有折疊、裂紋和橫向磨損等缺陷，這意味著對連桿的設(shè)計和加工有更高的要求。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，對連桿的需求不斷增加，許多新的制造加工技術(shù)也在不斷應(yīng)用。連桿作為發(fā)動機的重要連桿。

  1發(fā)動機連桿制造技術(shù)的發(fā)展

  1.1連桿制造技術(shù)的發(fā)展

  隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，對連桿的需求越來越大，因此出現(xiàn)了許多不同的加工和制造工藝。目前，連桿坯料的制造工藝主要包括鑄造工藝、模鍛工藝、粉末鍛造工藝、常規(guī)粉末冶金工藝等。表1是對各種連桿坯料工藝的對比。

  表1不同的連桿制造工藝對比

  典型制造工藝工藝的優(yōu)缺點

  鑄造

  原料→熔煉→澆鑄→落砂→熱處理→熱模壓→機加工→(噴丸)與鍛造方法相比，成本設(shè)計更加靈活;加工性能更好;尺寸接近成品尺寸，使用性能更低;廢品率更高

  模鍛

  原料→加熱→多道制坯輥鍛→壓力機器的預(yù)測和終鍛→切邊→沖孔→熱校正→冷精壓→機加工→(噴丸→與鑄造法相比，裂解法剖分連桿體和蓋子的使用性能有所提高。

  高成本;高質(zhì)量偏差;低精度;低材料利用率

  粉末鍛造

  原料粉末→配料及混料→壓制→燒結(jié)→熱處理→機加工→(噴丸→裂解)結(jié)合粉末冶金和精鍛的優(yōu)點;質(zhì)量偏差小;零件致密，性能高;材料利用率高;精度高，成本高;

  常規(guī)粉末冶金

  原料粉末→配料及混料→壓制→燒結(jié)→精整→熱處理→機加工→(噴丸→裂縫)成本低;具有近凈成型的特點;質(zhì)量偏差小;材料利用率高;精度高;生產(chǎn)率高，機械加工性能低，

  需要進一步提高;質(zhì)量較重

  從連桿生產(chǎn)的發(fā)展過程可以看出，粉末冶金零件的開發(fā)和應(yīng)用與汽車制造業(yè)追求的輕量化、零件性能的提高、生產(chǎn)成本的降低、環(huán)保等目標密切相關(guān)。因此，粉末冶金連桿的生產(chǎn)和發(fā)展在汽車制造業(yè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

  1.2連桿加工工藝

  作為發(fā)動機的關(guān)鍵部件，連桿的加工技術(shù)一直受到廣泛關(guān)注。隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，許多制造加工新技術(shù)應(yīng)運而生。連桿裂解技術(shù)是20世紀90年代出現(xiàn)的一種新型連桿加工技術(shù)。圖1是傳統(tǒng)工藝與裂解工藝的對比。

  1.3粉末鍛造與裂解工藝相結(jié)合

  LDK發(fā)動機連桿坯料的制造采用粉末鍛造技術(shù)，連桿體和連桿蓋分離面的制造采用裂解技術(shù)。與傳統(tǒng)連桿相比，LDK發(fā)動機連桿由粉末鍛造和裂解技術(shù)相結(jié)合，具有很大的優(yōu)勢。

  對連桿結(jié)構(gòu)工藝進行分析。

  連桿是發(fā)動機的主要傳動部件之一。它的作用是將活塞承受的力傳遞給曲軸，將活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動。它主要由小頭、桿體和大頭組成。大頭是單獨的結(jié)構(gòu)，連桿體和連桿蓋用螺栓連接，并與曲軸組裝在一起。連桿的結(jié)構(gòu)直接影響機械加工過程的可靠性和經(jīng)濟性。LDK汽油發(fā)動機的連桿是大量生產(chǎn)的，因此在結(jié)構(gòu)過程中具有很高的合理性。

  三是對連桿加工工藝路線的研究。

  制定工藝路線的出發(fā)點應(yīng)該是合理保證零件的幾何形狀、尺寸精度和位置精度。由于發(fā)動機連桿的加工是大量生產(chǎn)的，所以先進的工藝和高生產(chǎn)率的專用機床應(yīng)該廣泛使用，以實現(xiàn)機械加工、連桿蓋和連桿體組裝、稱重、檢驗、清洗和包裝的自動化。此外，為了降低生產(chǎn)成本，還應(yīng)考慮經(jīng)濟效果。加工工藝路線考慮的因素可以概括為表2。

  表2加工工藝路線考慮的因素

  序號因素

  1連桿是大批量生產(chǎn)的。

  實現(xiàn)流程自動化，盡可能集中流程，提高生產(chǎn)率

  三是合理保證零件的幾何形狀、尺寸精度、位置精度等技術(shù)要求

  四是考慮生產(chǎn)經(jīng)濟性，降低生產(chǎn)成本

  綜上所述，連桿加工的合理工藝路線設(shè)計按照機械加工順序原則“先粗后精、先主后孔、先基面”進行:

  有限元分析4連桿裂解

  與傳統(tǒng)的連桿加工工藝相比，連桿裂解加工工藝具有明顯的優(yōu)勢，也是連桿制造工藝的發(fā)展方向。然而，制造企業(yè)非常重視預(yù)留裂解槽尺寸和裂解力對連桿裂解的影響。試圖通過有限元模擬分析來解決和理解兩者之間的關(guān)系，對制造企業(yè)具有重要的現(xiàn)實意義。

  建立和導(dǎo)入4.1連桿模型

  為了提高有限元的分析和計算效率，將連桿大頭端的一半作為有限元分析的對象。LDK發(fā)動機的連桿模型為了方便清洗和導(dǎo)入，直接在UG中進行了簡化。如圖3所示，導(dǎo)入HyperMesh的連桿模型如圖4所示。

  導(dǎo)入HyperMesh后，下一步是劃分連桿模型。由于有限元將一個連續(xù)的整體分散成一個不連續(xù)的個體單元，單元劃分得越細，誤差就越小。但實際上，考慮到計算資源的限制，不可能無限細化網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

  連桿材料為粉末冶金材料，洛氏硬度為21-30，屈服強度為601MPa，抗拉強度為947MPa。輸入彈性模量E和泊松比，定義材料屬性ν。

  根據(jù)裂解過程中的應(yīng)力分析，可以合理簡化裂解:假設(shè)連桿在開裂前受到靜態(tài)作用，可以忽略速度和動量的影響;將蓋端的作用力和預(yù)緊力的合力設(shè)置為裂解力。

  如圖6所示，施加約束和載荷的模型圖。

  4.2連桿仿真計算結(jié)果

  4.2.1連桿裂解力大小

  分析了連桿漲斷效果，在不同尺寸的裂解力作用下。

  從圖7可以看出，當裂解力為65KN時，裂解槽區(qū)域的應(yīng)力正好大于連桿的抗拉極限，即當裂解力為65KN時，連桿剛剛斷裂，這是好的斷裂力。

  4.2.2裂解槽對塑性區(qū)域的影響

  (1)當連桿漲斷力為65KN時，將無裂解槽的模型與有裂解槽的模型進行分析比較。

  當連桿漲斷力為65KN時，對不同槽深的連桿有限元模型進行分析比較，

  模擬結(jié)論4.3分析

  從上述有限元模擬分析結(jié)果可以看出：

  (1)當裂解力為65KN時，裂解槽區(qū)域的應(yīng)力正好大于連桿的抗拉極限，即當裂解力為65KN時，LDK發(fā)動機連桿正好上升斷裂，是上升斷力。

  (2)通過有限元分析，分析裂解區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，得出裂解槽模型在裂解槽處有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，與未預(yù)制裂解槽的連桿相比，可以保證更高的裂解質(zhì)量。

  (3)通過對不同槽深的有限元模型的對比分析，可以看出裂解槽深度對裂解塑性區(qū)域的影響很大，裂解區(qū)域的影響也隨著槽深的增加而增加。