CN102626777A - 一种复合双金属裂解连杆的制造方法 - Google Patents

一种复合双金属裂解连杆的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种复合双金属裂解连杆制造方法，本发明实施方案是在连杆型腔大头部设置活动的隔离板，将型腔分割成两独立部分，先采用连杆主体用材浇铸连杆体与连杆盖，待其大部分凝固时将隔离板抽离型腔，再将裂解区用材注入隔离板抽离后形成的空腔，两材料以冶金方式结合形成复合双金属铸件；接着采用裂解设备将连杆体与连杆盖沿预置的裂解面完成裂解分离，利用两断裂面上形成的相互啮合的犬齿交错结构定位与精确合装。本发明制造裂解连杆的方法，扩大了裂解连杆材料选择范围，工艺简单可行，成本低，连杆装配精确高，这种技术还适合于大功率发动机连杆的制造，以满足承受高载荷、大扭矩连杆的要求，其工艺方法具有广阔的应用前景。

Description

一种复合双金属裂解连杆的制造方法
技术领域
本发明涉及一种复合双金属裂解连杆的制造方法，属于发动机零部件制造领域。
背景技术
连杆是发动机的关键零部件之一，其工作过程中主要承受燃烧爆发力和往复惯性力所产生的拉伸、压缩、弯曲等高频交变载荷，工作条件恶劣，运动状态复杂，疲劳、磨损、震动等影响连杆的使用寿命。因此连杆必须具有足够高的强度、刚度与综合机械性能。
传统连杆采用分体加工法，整体锻造连杆坯件后用锯、铣、磨等方法加工连杆体和连杆盖的结合面，精加工连杆盖的定位销孔和连杆体螺栓孔后完成两者的合装。传统方法工序繁多，效率低、产品废品率高，且承载能力与质量稳定性都较差。目前，连杆裂解加工技术是连杆制造领域最具前景的加工技术，但是，裂解技术对连杆材料性质要求很高，保证其强度条件下限制其韧性指标，要求断口呈现脆性断裂特性。工程上裂解型连杆常用的材料局限于粉末锻造、高碳钢、球墨铸铁和可锻铸铁，这类材料制备条件苛刻，成本高昂，使连杆裂解加工技术的应用与推广受局限。
申请号为200820040497.X，名称为“发动机胀断连杆坯件”的专利提出了采用粉末锻造材料、可锻铸铁、70高碳钢或C70S6高碳钢作连杆材料，连杆毛坯采用锻造成型，连杆大头孔内侧预加工应力槽后采用裂解工艺完成连杆裂解。这类连杆对材料强韧性具有严格要求，材料制备困难，价格高昂，给裂解技术应用与推广带来局限。
申请号为200580013038. 1，名称为“连杆及其制造方法”的专利提出采用激光或等离子体对连杆大头部的分割区进行照射，在真空中冷却，使分割区域的材料由奥氏体组织变为马氏体组织，在胀断载荷作用下奥氏体组织发生脆性断裂，实现连杆体与连杆盖的分离。这种工艺方法存在的最大问题是：激光或等离子体照射的区域不能有效控制，这样除了断裂区域外，断裂区附近部位也发生脆化，它不仅减弱了连杆局部机械强度，而且不能有效的保证连杆在预定的分割部位断裂，裂解面易出现偏移等问题，这种工艺也不适合其他材料。
申请号为200710300307.3，名称为“高强度合金钢连杆深冷脆化胀断工艺”的专利提出将连杆放入液氮中深冷5分钟以上，改变材料的延展性，使连杆进入脆性状态，实现连杆的脆性断裂。该工艺方法使整个连杆脆化，使连杆存在机械强度降低的危险；连杆脆性增加，要将其大头部分割开需要很大的断裂载荷，使断裂装置本身大型化，设备投入增加，这种工艺不适合其他材料。
美国专利号：US20020148325A1，名称为“Semi-solid Formed, Low Elongation Aluminum Alloy Connecting Rod”的专利提出采用半固态成型技术制造连杆毛坯，后续经淬火热处理、人工时效调节铝合金连杆的强韧性，使其满足裂解加工的技术要求。它存在如下不足：半固态铝合金原料的制备工艺复杂，成本高昂，其冷却后形成的晶粒过大或过小均影响连杆的强韧性，后续的热处理对连杆性能的影响复杂，使连杆裂解加工时易出现大头撕裂、裂不开、掉渣、断裂面变形等问题。
为了克服上述裂解连杆制造工艺存在的问题与不足，本发明提出一种复合双金属裂解连杆的工艺方法，其利用复合技术使两种物理、化学、力学性能不同的金属在界面上实现冶金结合而形成整体复合铸件，它弥补了各组元材料的不足，综合了各种材料的优点，实现整体性能的多样性。由于连杆主体采用了高强韧性优质材料，连杆大头部的裂解区采用裂解用材质，从而使连杆既具有高的强度和抗疲劳性能，又具有足够的刚度和韧性，且在外载作用下满足裂解剖分的要求，利用两断裂面上自然的犬齿交错结构，保证分离后的连杆体与连杆盖重新定位、精确合装，无需在机械加工配合面，使得连杆具有高的承载能力与高装配精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是裂解用连杆材料可选种类少、材料制备困难、价格高昂。
本发明的技术方案是：制造裂解连杆的毛坯时在裂解区设置裂解层，使裂解层充填不同于连杆主体的材料，制造裂解连杆毛坯，然后在裂解层实施裂解加工。两种不同金属材料以冶金方式结合，获得的复合连杆即有优异的综合性能，其裂解区又满足裂解加工的技术要求。
通过在连杆型腔内位于连杆体与连杆盖连接部位设置活动的隔离板，将连杆型腔分成两独立部分，先铸造连杆体与连杆盖，待其大部分凝固时将隔离板抽离型腔，再将裂解区用材料注入隔离板抽离后形成的空腔，使其在重力或压力条件下充满空腔，两种材料以冶金方式结合形成复合铸件。
连杆型腔中设置的隔离板的厚度为1mm~50mm。根据浇注的两种金属材料的体积比、接触面积，考虑两种材料的熔点，确定隔离板的预热温度、两金属材料的浇注温度和两种金属浇注的时间间隔。这些工艺参数的选择遵循的原则是：隔离板的预热温度和连杆主体用材料的浇注温度恰当匹配，避免金属材料浇注温度过高烧损隔离板表面，或隔离板预热温度过低，使与其接触的金属液冷却过快，影响复合层的冶金结合质量。两种金属浇注时间间隔与先浇注的金属材料温度、铸件大小有直接关系，由连杆主体材料凝固时间决定。
裂解加工时，先在连杆大头部的裂解材料区开设裂解槽，根据裂解材料区在连杆大头部设置的具体位置，可将裂解槽开设在裂解材料区的中间平面附近，或设置在两种材料的结合界面的附近；再采用裂解设备使连杆体与连杆盖在裂解材料区完成裂解分离，形成相互啮合的犬齿交错结构的两断裂面；利用两断裂面上相互啮合的犬齿交错结构定位，完成连杆体与连杆盖的精确合装。
双金属连杆铸件毛坯在实施裂解加工之前，可对连杆毛坯进行锻造处理，消除其铸造缺陷，使组织致密，提高连杆的力学性能。
隔离板形状可设置为平面状或锯齿状，根据连杆具体应用场合进行选择。对于大功率发动机连杆，需承受高载荷、大扭矩，连杆毛坯制造时在模具型腔内设置表面为锯齿状的隔离板，使两种材料之间形成锯齿状的结合界面。实施裂解工艺时，将裂解槽开设在连杆结合界面附近，外载作用下，连杆体与连杆盖沿该预先设置的界面裂解分离，两断裂面上产生自然的近似锯齿状的结构，利用这类锯齿结构相互啮合与定位，完成连杆体与连杆盖的精确合装。由于连杆体与连杆盖接触面积大，定位精确高，使得连承载能力与质量稳定性大幅提高。
本发明的具体步骤是：
（A）在连杆型腔内位于连杆体与连杆盖连接部位设置活动的隔离板，将连杆型腔分成两独立部分；
（B）浇铸连杆体和连杆盖；
（C）待连杆主体和连杆盖材料大部分凝固时，将隔离板抽离型腔，再将裂解用材料液注入隔离板抽离后形成的空腔，形成裂解材料区，裂解材料和连杆主体、连杆盖材料以冶金方式结合；
（D）在裂解材料区开设裂解槽；
（E）采用裂解设备使连杆体与连杆盖在裂解材料区完成裂解分离，形成相互啮合的犬齿交错结构的两断裂面；
（F）利用两断裂面上相互啮合的犬齿交错结构定位与精确合装。
当裂解材料区的厚度较小，隔离板过薄不便于铸造连杆体与连杆盖时，隔离板厚度可大于连杆裂解材料区的厚度，通过下述两种方式来解决。
在步骤（C）中，将隔离板抽离型腔后，调节连杆体与连杆盖的间距，控制注入裂解材料区空腔的厚度达预定裂解材料区厚度的要求，再将裂解用材料液注入，形成裂解材料区。
在所述步骤（C）中，将裂解用材料液注入隔离板抽离后形成的空腔后，调节连杆体与连杆盖的间距，挤压裂解材料，控制裂解材料区的厚度达预定裂解材料区厚度的要求，形成裂解材料区。
本发明还适合于大功率发动机连杆的制造，连杆毛坯制造时在裂解区设置锯齿状的裂解层，裂解时使连杆沿该裂解层断裂出明显的锯齿结构，无需在机加工结合面。与传统机械加工方法制造的锯齿连杆相比，具有工序少，成本低、配合精度高，质量稳定好等优点。
本发明具有如下优点：
1. 本发明提供了一种制造裂解型连杆的新途径，扩大了裂解型连杆的材料选择的范围，可将铝合金、钛合金、40Cr等材料用于裂解型连杆的制造，推进了连杆裂解加工技术的应用。
2．双金属裂解连杆综合了两种材料的优势，既保证连杆主体性能，又满足连杆大头裂解剖分要求。
3.与传统机械锯切、磨削结合面的普通连杆制造方法相比，本发明简化了连杆的加工工序，减少了精加工设备及刀具投资，节省能源，产品合格率高。
4.本工艺方法还适合于制造大功率发动机连杆，连杆毛坯制造时在裂解区设置锯齿状的裂解层，裂解时使连杆沿该裂解层断裂出明显的锯齿结构，无需加工结合面，与传统机械加工方法制造的锯齿连杆相比，具有工序少，成本低、配合精度高，质量稳定好等优点。
5. 根据连杆的使用场合与性能要求，可对连杆毛坯进行锻造处理，以消除连杆铸造缺陷，改善组织致密性，提高其机械性能与力学性能。
附图说明
图1为双金属裂解连杆的结构示意图。
图2为采用锯齿状隔离板的连杆示意图。
图3为复合双金属裂解连杆的铸造工艺图。
附图中：连杆体1，裂解界面2，连杆盖3，连接螺栓4，裂解层 5，二号浇注系统6，隔离板7，一号浇注系统8，裂解槽 9，锯齿状隔离板30。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，实施例连杆由连杆体1与连杆盖3组成，两者由裂解界面2上的犬齿交错结构定位与相互啮合，由螺栓4将连杆体1与连杆盖3连接为一体。
如图1、图3所示，本发明的技术方案是连杆毛坯制造时在裂解区设置裂解层5，使裂解层5充填不同于连杆主体的材料，然后在裂解层5的位置实施裂解加工。具体方法是通过设计连杆材料的组元配合，采用两个独立的浇注系统，先采用一号浇注系统8将具有高强韧性、抗疲劳性能的连杆主体材料注入连杆体1与连杆盖3，再采用二号浇注系统6在裂解区空腔注入裂解用材料，两种金属材料在铸造过程中以冶金方式结合，获得的整体复合铸件具有优异的综合力学性能与抗疲劳性能，而且，连杆大头部的裂解层5在外力作用下呈脆断性，使连杆满足裂解加工的技术要求。
本实施例材料选择：连杆主体材料为LD10铝合金；裂解区的脆性材料为A390高硅铝合金，界面接触面积为50                                               
Figure 2012101111905100002DEST_PATH_IMAGE002
80mm2。
合金成分如下：
Figure 2012101111905100002DEST_PATH_IMAGE004
采用上述模具装置制造复合连杆的关键工艺步骤如下：
1）将待复合的两种金属材料分别熔炼，精炼后进行除气、去杂处理；
2）对隔离板7与金属液接触的表面施以预处理，使用液体浸洗法（如酸、碱或酒精等）去除表面不利于金属复合的油污、夹杂等附着物，并进行预热处理，其预热温度为100~300摄氏度。将模具预热至240~280摄氏度，并在型腔内喷刷脱模剂；
4）将LD10合金料液注入连杆体1与连杆盖3型腔，待LD10合金液大部分凝固时通过传动机构带动隔离板7沿凹腔退出型腔，将A390合金料液压注该空腔；LD10铝合金的浇注温度为730~760度，A390高硅铝合金的浇注温度为690~710度；
6） 铸件清理后根据具体情况对复合铸件进行热处理。通过进一步的热处理可以促进界面处原子间扩散或者进一步的冶金反应或者调节界面组织，从而提高两种金属层之间的结合强度。热处理温度优选范围475~490摄氏度，保温时间优选范围12~14小时。
7）粗加工复合连杆大头孔，在复合连杆大头部的裂解层的中间平面的附近开设裂解槽，再采用裂解设备使连杆体与连杆盖在裂解材料区完成裂解分离，利用两断裂面上相互啮合的犬齿交错结构定位，用螺栓将连杆体1与连杆盖3连成一体精加工成品。
通过试验分析，从结合界面处得微观组织形貌可看出，界面处发生了明显的冶金反应，中间过渡层连接两侧材料，界面结合紧密，无明显裂纹和孔洞。裂解时，通过施加外载，连杆在其裂解层具有明显的可裂解性，且裂解面控制在裂解层区域之内，有效的减少了单边撕裂、裂解不开、大头孔变形等问题。裂解面质量上分析：从宏观上看断裂面平整，微观上看两断裂面表面具有自然的犬齿交错结构，可实现连杆体与连杆盖的定位，实现精确合装。
本发明涉及的采用复合双金属在零件毛坯中设置裂解层的工艺方法，还适合于与连杆孔的加工在结构、工艺流程具有相似性的剖分类零件加工，如发动机曲轴箱轴承座的裂解加工。在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干推演和替换，都应视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种复合双金属裂解连杆的制造方法，其特征在于，制造裂解连杆的毛坯时在裂解区设置裂解层，使裂解层充填不同于连杆主体的材料，制造裂解连杆毛坯，然后在裂解层实施裂解加工，其具体步骤是：
（A）在连杆型腔内位于连杆体与连杆盖连接部位设置活动的隔离板（7），将连杆型腔分成两独立部分；
（B）浇铸连杆体（1）和连杆盖（3）；
（C）待连杆主体（1）和连杆盖（3）材料大部分凝固时，将隔离板（7）抽离型腔，再将裂解用材料液注入隔离板抽离后形成的空腔，形成裂解材料区，裂解材料和连杆主体（1）、连杆盖（3）材料以冶金方式结合；
（D）在裂解材料区开设裂解槽（9）；
（E）采用裂解设备使连杆体与连杆盖在裂解材料区完成裂解分离，形成相互啮合的犬齿交错结构的两断裂面；
（F）利用两断裂面上相互啮合的犬齿交错结构定位与精确合装。
2. 根据权利要求1所述的一种复合双金属裂解连杆的制造方法，其特征在于，在所述步骤（C）中，将隔离板（7）抽离型腔后，调节连杆体（1）与连杆盖（3）的间距，控制注入裂解材料区空腔的厚度达预定裂解材料区厚度的要求，再将裂解用材料液注入，形成裂解材料区。
3. 根据权利要求1所述的一种复合双金属裂解连杆的制造方法，其特征在于，在所述步骤（C）中，将裂解用材料液注入隔离板抽离后形成的空腔后，调节连杆体（1）与连杆盖（3）的间距，挤压裂解材料，控制裂解材料区的厚度达预定裂解材料区厚度的要求，形成裂解材料区。
4. 根据权利要求1 、2或3所述的一种复合双金属裂解连杆的制造方法，其特征在于，所述隔离板（7）形状设置为平面状或锯齿状。
5. 根据权利要求1 、2或3所述的一种复合双金属裂解连杆的制造方法，其特征在于，所述裂解材料区用材料的厚度为1mm—20mm。
6. 根据权利要求1 、2或3所述的一种复合双金属裂解连杆的制造方法，其特征在于，所述步骤（C）中裂解区材料的注入是在重力或压力条件下完成。
7. 根据权利要求1 、2或3所述的一种复合双金属裂解连杆的制造方法，其特征在于，在所述步骤（D）前，对连杆毛坯进行锻造处理。
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