连杆裂解加工是以断裂方式获得连杆大头接合面的一种新型加工技术。通过在大头孔内理论接合面位置人为预制切口,再施加垂直于切口的拉应力载荷,在切口根部产生应力集中,促使裂纹萌生并扩展,实现连杆体与连杆盖的快速断裂分离,从而获得三维断裂接合面。在后续连杆合装时利用三维参差接合面的精确定位及完美啮合,可大幅提高连杆的装配质量及承载能力。与传统加工技术相比,连杆裂解具有加工工序少、设备投资小、制造成本低、产品质量好、装配精度高等优点。胀断剖分是连杆裂解加工的核心工序,要求胀断过程中不能产生较大塑性变形,并保证断裂面形态良好,以满足胀断后后续加工工序、连杆合装的定位精度以及连杆产品的承载能力要求。然而连杆裂解是以“裂”求“断”的过程,裂纹一经起裂即刻扩展,整个过程极其迅速,影响因素复杂,容易产生各种胀断缺陷,包括断裂面质量问题(包括缺损、夹渣、台阶等)、断裂线偏移以及大头孔失圆等缺陷。36MnVS4是新一代裂解连杆用材,与目前主要应用的高碳微合金非调质钢C70S6相比,抗拉强度、屈服强度以及疲劳强度提高,具有广阔的应用前景。但在36MnVS4连杆裂解加工中出现更多质量问题,其胀断工序合格率低于C70S6连杆,裂解缺陷分析及其控制成为研究重点和生产中亟待解决的问题。裂解缺陷难以完全避免,关键是如何减少和控制。随着36MnVS4的推广应用,研究36MnVS4连杆的裂解特点和规律,揭示缺陷产生原因和机理并提出相应解决措施,十分必要。迄今为止,裂解质量尚无行业技术标准,裂解缺陷描述、缺陷参数设定、检测项目等无章可循,零件制造企业和发动机主机厂均坚持于己有利的技术主张,有些技术要求按经验或参考同行数据确定,裂解技术标准有待合理制定。将裂解缺陷引入连杆运行工况,基于裂解缺陷对连杆发动机运行工况下的工作性能影响,对裂解加工缺陷进行评价,对于科学制定连杆裂解加工质量规范和标准具有重要意义。这也是迄今为止连杆裂解技术研究未曾涉及过的问题。本文对36MnVS4连杆进行断裂剖分过程数值分析,探究36MnVS4的裂解特点和规律,揭示胀断缺陷产生机理,提出相应的预防与控制措施。通过逆向重构技术,建立裂解连杆结构分析模型,研究裂解连杆在发动机工况下的工作性能,对36MnVS4连杆接合面及其它部位进行结构优化改进,力求从产品设计角度降低胀断缺陷并实现连杆轻量化。对于无法避免的缺陷,将其引入连杆运行工况,基于含有缺陷的裂解连杆工作性能分析,对缺陷进行评价,并以此制定缺陷控制标准。本文主要研究内容及取得成果如下:(1)基于连杆断裂模式及断口形貌,确定连杆裂解本质为切口件小范围屈服的I型准脆性断裂。分析了裂纹尖端的应力应变分布、切口根部裂纹萌生原因及扩展规律,选择最大拉(主)应力断裂准则作为连杆裂纹萌生与扩展的统一判据。(2)对36MnVS4和C70S6进行成分、组织分析,并进行拉伸、疲劳试验及断裂性能测试。相较C70S6,36MnVS4碳含量低,组织中铁素体较多,断面收缩率和断后伸长率提高,因此36MnVS4材料塑性好,脆性差,不利于36MnVS4连杆脆性断裂。36MnVS4断裂韧度略小于C70S6,因此其缺口敏感性稍高。(3)对36MnVS4和C70S6连杆断裂剖分过程进行数值模拟,探究36MnVS4的裂解特点和规律,对比分析两连杆在裂纹萌生、扩展及断后的应力应变场、位移场及载荷作用特点,结果表明:36MnVS4连杆切口敏感性高,容易起裂,较C70S6起裂位置散布、随机、不确定,而起裂时间更早,所需裂解力更小,扩展时间增加了约20%,这使得36MnVS4连杆在裂解过程中产生缺陷的可能性增加;36MnVS4连杆的断面塑性区大于C70S6连杆,导致36MnVS4连杆断裂面质量较差,更容易产生撕裂、夹渣和掉渣等断裂面质量缺陷。(4)联合ABAQUS及FRANC3D软件,分析了连杆断裂过程中裂纹扩展形态及裂纹结构变化,研究了裂纹前缘扭转角的变化规律及裂纹尖端的受力和变形。进而揭示了断裂面质量缺陷、未完全断裂缺陷、断裂线偏移缺陷和大头孔失圆缺陷的产生机理。断裂面质量缺陷主要出现在螺栓孔和端面等断裂面边界位置,是由于断裂面边界处于平面应力状态,为剪切型变形,产生塑性变形较大,从而导致裂纹尖端扭转角波动显著、裂纹结构不稳定。未完全断裂缺陷主要由于一侧切口漏加工或加工过浅或根部明显钝化所致。两侧切口不同,造成两侧切口根部应力集中程度不同甚至产生多条微裂纹,导致裂纹扩展过程中能量释放率低于扩展阻力,引起裂纹止裂。连杆主要发生第一类断裂线偏移缺陷,主要是由胀断载荷偏载所致。连杆在裂解加工后大头孔均有失圆,由于大头孔失圆量主要产生在裂纹起裂前,而36MnVS4起裂早,且起裂前的塑性变形小,因此36MnVS4连杆大头孔失圆量低于C70S6连杆。连杆接合面外缘采用圆弧过渡,与螺栓孔形成等距曲线,两端面采用楔形或圆弧形过渡,可加快裂纹扩展速度、利于裂纹汇聚,且断裂面面积降低,有利于降低缺损、夹渣等胀断缺陷的产生机率。因此可对断裂接合面尺寸及外轮廓形状进行改进。(5)结合裂解加工实验、逆向重构技术,实现连杆断裂面的三维逆向重构,建立裂解连杆结构分析模型,模拟连杆运行工况,对36MnVS4裂解连杆产品进行包括强度、刚度及疲劳寿命的工作性能分析。研究表明:裂解连杆断裂接合面具有三维参差啮合性,可使连杆体与盖紧密接触并锁紧,减小二者之间的相对移动,提高了裂解连杆承载能力,尤其是抗剪能力。C70S6及36MnVS4连杆的疲劳寿命分别为1.4×10~7和2.1×10~7,安全系数分别为1.6858和2.9765,36MnVS4连杆具有较大的降重空间。对其进行结构优化改进后,连杆满足强度、刚度及寿命要求,质量降低21%,且优化后连杆接合面尺寸及形状发生改变,可有效减少裂解缺陷的产生。(6)分别建立含有断裂面缺损和断裂线偏移缺陷的裂解连杆模型,实现了缺陷的定量描述,基于含有缺陷的裂解连杆在发动机工况下的工作性能分析,对缺陷进行评价,并制定了断裂面缺损和断裂线偏移缺陷的控制标准:(1)随缺损尺寸增加,连杆强度降低;同尺寸下,内部缺损的危害高于边缘缺损。在保证裂解连杆强度的条件下,连杆缺损尺寸需满足:边缘缺损,当1.5 mm<b<2.5 mm时,a≤-1.125b+5.0875;面内缺损,当1.4 mm<b<2.1 mm时,a≤-1.143b+4.8。(2)断裂线发生偏移时,连杆和螺栓的受力相比机加工连杆发生了变化,随着断裂线偏移角度增加,连杆的应力逐渐增大,断裂面及螺栓的等效应力和剪切应力较高,螺栓发生破坏的趋势增大,造成连杆在工作过程中承载能力降低。从安全角度考虑,断裂线偏移角度的许用值为6°。