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影响连杆质量的因素分析

 GXF360 2017-12-30

影响连杆质量的因素分析

文/冯书华·南宫市精强连杆有限公司

连杆是汽车发动机(图1)的“心脏”部件,其精度和性能直接影响着发动机的整体质量。如:功率输出、油耗多少、噪声分贝、平稳程度、寿命长短等技术指标都与连杆的质量相关。连杆的质量80%取决于连杆的锻件质量,本文就以C70S6材质的胀断连杆(图2)为例,对影响连杆锻件质量的因素进行简单的剖析。

图1 使用C70S6材质胀断连杆的发动机

图2 使用C70S6材质的连杆

连杆材料的影响

连杆的锻后组织是由材料的化学成分和锻造工艺所决定的,材料各元素化学成分的含量是保证锻后金相组织和力学性能的先天条件。如果材料进厂时不严格把关,导致某些关键微量元素超标或不足,单凭以后锻造工艺改变是完全不可能的。因此,控制原材料的化学成分含量至关重要。锻造厂在购料时必须与钢厂签订严格的技术协议,使其控制在规定的范围内,才能为锻后连杆的质量全面达标奠定可靠的基础,否则将无法实现。C70S6材料的化学成分含量详见表1。

另外钢材的低倍组织、非金属夹杂物、带状组织、晶粒度、热顶锻测试、脱碳层、表面质量、机械性能等指标也都要在合同规定的指标范围之内,否则锻造连杆的先天条件是不具备的。

表1 C70S6材料的化学成分

工件名称 材料牌号化学成分(%)C Si Mn P S Cr Al Mo N Ni V连杆 C70S6 0.69~0.73 0.15~0.25 0.55~0.60≤0.045 0.06~0.07 0.10~0.15≤0.010≤0.030 0.012~0.016 0.04~0.08 0.03~0.04

锻造工艺的影响

为了达到连杆的强度要求,保持良好的塑性、韧性和力学性能,在锻造工艺上应主要控制以下四个方面。

⑴锻造加热温度。

提高锻造加热温度,可使V、Nb、Ti的碳氮化合物逐渐溶入奥氏体中,大量溶解的微合金碳氮化合物在冷却过程中析出,可提高钢的强度和硬度;但另一方面,温度升高,也会带来一些负面影响,如奥氏体晶粒会长大,组织粗化,韧性下降等。

⑵终锻温度。

适当控制较低的终锻温度,可使晶粒破碎增加,有效地产生形变,诱发析出弥散质点,同时再结晶驱动力减小,晶粒细化,有利于增加钢材的韧性。

⑶变形量和变形速率。

当变形量和变形速率较大时,奥氏体晶粒碎化,奥氏体粗晶再结晶成为细晶,由于晶界增多具有大量形核位置,所以形成大量的先共析铁素体的精细相变组织,均匀的分布在钢材的组织里,这对钢的韧性增加十分有利。

⑷锻后冷却速度。

锻后冷却速度对材料性能影响很大,由于冷却过程中的相变是复杂的,自然冷却不能有效地控制非调质钢的质量,所以设置一个不受季节影响的冷却装置进行锻后冷却效果最佳。实际上800~500℃之间的冷却控制,对钢材的强度与韧性才有效果,而在此温度范围以外的冷却,不能起到应有的作用。因此,冷却速度的优化控制直接影响钢的组织性能,必须制定科学、合理的锻造工艺并严格执行,才能达到应有的效果。

连杆外部形状的影响

连杆是发动机内部复杂系数最高的锻件,其外部几何形状是由多曲面、多个不规则的形体组成。如图3所示。它对发动机工作时敲缸、碰撞、断裂以及装配位置的准确性、合理性有着直接的影响。因此在连杆锻造时必须着重控制以下几个关键参数,才能使加工后的连杆达到图纸的各项精度要求,否则靠“后天”机加工是无法进行弥补的。

图3 连杆示意图

⑴连杆大小孔中心距。

它是影响大小孔环带不均匀的主要因素,由于锻件要求的公差范围与连杆加工后要求的环带公差范围不一致,前者公差要求较大,后者公差要求较小。所以在锻造时须将中心距控制在公差中值并保持在总公差的1/2范围内,才能满足加工后的要求,否则将造成环带均匀度超差。如图4所示。

图4 连杆大小孔环带不均匀

控制连杆中心距的波动范围关键在于控制好设备自身的温度和模座温度要保持在恒定的范围内。另外根据锻造的环境不同也要做适当的调整,否则只控制锻造温度,同一套模具、同一始锻温度,所锻造的连杆中心距也不相同。

⑵连杆非加工面之间的相对位置。

连杆筋顶部、幅板、螺孔两侧面、异形小孔的端面等这些非加工面(如图5),单个测量每一处尺寸都在合格范围内。但有的在公差上限,有的在公差下限,这样就容易造成相对位置超出图纸要求的范围。该现象产生的原因主要与模具设计有关,虽然测量模具的这些部位的相对位置是合格的。

图5 连杆的非加工面

但是在锻造过程中,由于种种原因造成金属的流速、流向不可能与设计者的意愿完全一致。模腔狭窄且较深的、底部圆弧小且过渡不光滑的容易造成金属流速缓慢,致使锻件有充不饱满或勉强充满的现象。还有的阻料槽位置、尺寸、桥部宽窄、间隙设计不当容易造成金属流动过快。这些都是设计缺陷,设计者要在实践中反复跟踪探讨,逐步根据实际锻造状况不断修改模具,才能达到预期的目的。但要遵循模具设计的原则,即模腔的形状不一定完全与工件“反”形状完全一致,金属的流速、流向是可以改变的。

连杆设计的影响

连杆机加工完成后都要按实际重量进行分组(有的连杆孔径也要分组),每一组重量相差规定的克数,并分成规定的组数。但事实上往往锻件的重量控制范围达不到机加工后给定的重量范围。若达到这个范围,加工后就会超出给定的组别数,给锻造增加了不少成本。究其原因主要是连杆图纸设计的外形尺寸与重量不匹配。

由于连杆图纸大多数都不是制造厂设计的,而这些图纸确实存在着非加工面的轮廓尺寸在公差上(下)限时,加工后的连杆成品重量却已经分布在分组表的中下(上)限了,尺寸和重量参数都不允许修改时,就势必造成锻造重量范围缩小等问题。遇到这种情况,就只能在非加工面自由公差要求的部位微调它们的尺寸上、下限,使重量范围尽量趋向总成范围。但最终也达不到机加工后的组数范围。最好的办法就是更改一下设计参数使之符合客观事实。

结束语

综上所述,要想达到理想的连杆精度,必须从源头抓起,从设计抓起,抓住影响质量的关键环节和关键工序,只有这样才能制造出理想产品。

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