汽车发动机箱体裂解槽胀断关键技术研究

汽车发动机箱体裂解槽胀断关键技术研究

王源

吉林大学，材料科学与工程学院，吉林省 长春市 邮编 130022

摘要：胀断加工技术就是近年来随着汽车工业一起崛起的一种打破传统加工制造理念的新兴制造加工方法。这种独特的加工方式，相比于传统分体加工技术来说，于工厂可以大大简化加工工序，节省生产材料；于产品本身而言，可以改变两个结合面的接触方式，使零件的抗横向剪切能力增强、配合精度大大提升。箱体胀断加工技术推动了整个汽车加工制造行业的技术水平。

目前在实际的生产制造中，胀断加工工艺在整体生产发动机箱体主轴承座后，利用机械拉削方法或者激光切槽方法在预先计算好的位置加工裂解槽。然后将垂直载荷以一定的速度施加在圆柱孔零件上进行启裂，裂解槽发生脆性断裂，主轴承座和轴承端盖分开，此时的分离面上有三维立体、呈十字形的自然啮合状态的形貌。在胀断分离过程之后，将主轴承座和轴承端盖重新啮合，并进行螺栓装配。

关键词：箱体主轴承座、裂解槽、胀断

第一章 绪论

1.1引言

现如今社会科技发展迅速，世界各国之间都将工业发展作为国家发展实力的重要一项，工业基础是国家发展的基石。如今，汽车产业拥有着最完整的生产链并且其最能代表一个国家的综合实力。而其中，发动机是汽车产业的命脉。胀断工艺诞生于上世纪九十年代，这种技术应用于制造汽车发动机箱体和连杆，具有精度高以及抗横向剪切能力强的特点，所以备受青睐。胀断加工最先被企业用于生产发动机连杆，由于其加工优点很突出，继而又将这项技术应用于制造汽车发动机箱体中。

发动机的主要机构为曲柄连杆机构，是发动机的不可替代的关键运动零部件。其主要功能是完成发动机能量转换，此外发动机的工作循环作用也由其完成。曲轴飞轮组、活塞连杆组与机体组是共同构成曲柄连杆机构的主要部分。

第二章 裂解槽胀断技术简介

2.1发动机箱体胀断技术原理

轴承座的胀断原理是先将轴承座放置在适当的位置，预先计算并创建切口以形成应力集中，然后垂直于给定的裂缝表面积极施加载荷以引发裂缝。当外部的条件足以使裂解槽发生脆性断裂时，几乎没有发生塑性变形，在预先创建的缺口处发生断裂，对轴承盖和轴承座体进行无屑分离。分离后的具有特殊的三维几何形状的两个断裂面，可以重新并且完全的相互啮合，这时两件形成的结构特别稳定，零件整体抗横向剪切能力强。

2.2箱体胀断加工微观理论

断裂知识在胀断加工工艺中的应用非常多。自动化细分零件处理流程由几个不尽相同的基础理论构成，其中弹性与塑性理论来自于材料力学，有关应力效应知识是来源于金属材料学，再加上激光设备系统和可编程自动控制机械的应用，才能构成这样一套完整的流程。

断裂力学理论表明产生断裂是胀断过程的关键。目前存在三种类型的裂纹：张开式（Ⅰ型断裂），滑移式（Ⅱ型断裂）和剪切式（Ⅲ型断裂）。当法向应力施加到垂直于裂缝平面的对象时，就会发生张开式裂纹。外力的存在将会引起断裂材料内部的位错运动，并且如果在位错运动期间遇到材料内部的面缺陷，即晶界、孪晶或第二相，则位错运动受到阻碍。其他附近的晶粒中，位错运动将会再一次开始移动当附近的位错源被唤醒的时候。如果不重新开始移动，应力将增加。此时此刻新的裂纹会形成并且裂纹会扩展。只有施加与之相对应的符合其程度的载荷速率，裂纹扩展完成的时候裂纹尖端钝化还没有完成，在裂纹区的延性扩展因为时间转瞬即逝而没有办法成形，塑性断裂也没有条件成形时，在胀断加工过程中才可以形成所需的断裂，即没有发生明显变形的断裂情况——脆性断裂。

2.3箱体裂解槽制作及胀断加工工序

1.箱体裂解槽制作

目前汽车发动机箱体主轴承座裂解槽的制作主要有两种方法，一种是机械拉削方法，另外一种就是激光切槽方法。

第一种机械拉削方法是在打算进行胀断加工的工件表面处，已经提前预先计算好的裂解槽的位置，使用专门用于胀断加工的拉刀，准确并且一次性的加工出发动机箱体轴承座的裂解槽。机械拉削方法的好处是在进行制作裂解槽的同时，轴承座的胀断加工也可以同时进行并且完成，从而达到了节省资本投资的优点。但是该方法也有它的缺点，就是会极大的消耗加工刀具的使用寿命，这样的话制作的裂解槽的精度并不高，所以拉刀还需要用专门的修刀仪器进行打磨。

第二种激光切槽方法是激光自身的能量被箱体金属材料所吸收，这样箱体材料被激光照射的位置处就会溶化并且会出现凹坑，然后通过辅助气体将炉渣吹出，这时在位于激光束的切割处和箱体的结合处就会出现激光切割的裂解槽。这种加工方法的好处是箱体裂解槽的加工质量高，裂解槽切割位置准确，加工过程及结果稳定，并且可以大大提升工作效率。其坏处就是前期机器设备投入很大，因为激光切割制作设备价格昂贵。

2.胀断加工工序

根据胀断加工原理我们可以知道汽车发动机箱体裂解槽胀断加工有三个核心工序，第一道工序：预制裂解槽；第二道工序：定向裂解（胀断）；第三道工序：装配螺栓。

图1.1 胀断加工关键工序

Fig.1.1 Key processes of fracture splitting technology

胀断加工工序的第一步就是预制裂解槽。现在常用激光切槽的方法制作裂解槽，激光自身的能量可以被金属材料所吸收然后溶化，这样会在箱体轴承座预先计算好的裂解槽的位置处形成缺口，其目的是为了形成应力集中，确保在符合张开式断裂条件的情况下，在给定的断裂面上会发生低应力脆性断裂，从而有效的减少裂解力（即胀断载荷）。

胀断加工工序的第二步，也是整个胀断加工工艺的核心是定向裂解，它的理论依据是力学理论中的断裂知识。根据断裂力学我们可以知道，当作用力以垂直的方向作用于断裂裂纹的位置，会让裂纹处产生张开式（Ⅰ型）的断裂，该材料具有最低的裂纹扩展阻力，即在温度不变以及应变速率也不发生改变的条件下，脆性断裂最容易发生。

胀断加工工序的第三步是螺栓装配，在胀断分离过程之后，将零件盖和本体重新啮合，要求精准无误，此时在啮合结束后进行螺栓装配，并且按照加工要求对新装配的箱体或者连杆施加满足要求的转角与扭矩。此装配环节顺序为：初拧紧、松开、吹渣、终拧紧。

2.4胀断加工的技术先进性与经济性

汽车发动机箱体主轴承座的传统加工工艺是采用了分体加工的方法，用拉、铣、磨等方法分别加工轴承座体和端盖的结合面；轴承孔和螺纹孔需要精度粗加工或者半精加工，箱体主轴承座以及定位销孔需要精加工；发动机装配箱体主轴承座体以及端盖，还有轴承孔，需要精加工。胀断加工工艺省略了好多传统加工工艺流程，将轴承座以及端盖的裂解和结合的整体工序大大简化，其中工艺过程后关于结合面和定位销孔的处理尤为重要，胀断加工工艺可以省略这一复杂的加工流程，将这一过程在胀断过程中就变成了啮合精度非常之高的三维立体、呈十字形的自然啮合状态，以此保障了胀断加工工艺的高精度。

另外，汽车发动机箱体主轴承座胀断技术对于整个汽车发动机的生产制造领域都有着举足轻重的地位，因为箱体胀断技术提升了整个发动机的制造水平。让传统加工工艺中使用定位销的加工缺点得以解决，大大提高了发动机的安全性能，从而减少或避免了由于加工工艺缺陷而导致的工程事故。

图 1.2 轴承座加工传统工艺流程和胀断工艺流程

Fig.1.2 Working procedure of traditional method and fracture splitting for bearing block

第三章 发动机箱体胀断工艺国内外研究与应用现状

由于胀断加工工艺的优点远大于传统加工工艺，所以国内外的众多研究院以及拥有先进汽车工业技术的汽车企业和工厂都对胀断加工工艺的材料、加工制造的设备以及优化加工过程进行了大量的研究。

3.1发动机箱体胀断工艺国外研究与应用现状

与其他传统加工方法相比，一些国外典型汽车制造厂的汽车发动机箱体主轴承座的胀断加工工艺目前可以说仍然处于一个准备阶段，但是随着技术的进步也在不断地发展中。美国和德国的汽车企业中多数公司都在研发上下了很大力气，拥有很多的专利。很多公司相应的技术储备也达到了一定水平，例如通用汽车公司（美国）和宝马公司（德国）。

德国的欧风公司在胀断工艺这一领域非常突出，拥有许多先进的工艺技术及设备。目前，一套用于胀断工艺的裂解槽处理设备已经被研发。这套设备是由他们独立开发，利用了激光技术和高度自动化的机械系统。这套装置激光与盒子材料的接触为零，从而导致非常低的加工工具损耗。

3.2发动机箱体胀断工艺国内研究与应用现状

当前，在中国汽车发动机箱体的主轴承座的制造和加工中使用的主流方法还是传统加工方法。还需要进行额外的精加工在轴承座与端盖之间的结合面，这样才可以提高配合精度。但是这种加工方法缺点非常明显，例如价格高昂，效率不高、处理步骤不简明等。

3.3发动机箱体胀断工艺发展趋势

现在国内发动机箱体的生产制造仍然采用落后的传统加工技术，但是很多专业生产厂家对箱体主轴承座胀断加工新技术非常感兴趣。很多企业都在准备采用轴承座胀断新技术来代替传统的轴承座加工工艺。这些生产厂家更迫切需求国内自行研发的轴承座胀断加工设备，以求替代进口设备，以此来节约资金，使经济效益和社会效益达到最大化。但是因为国内起步较晚，所以这个过程是一个需要研究人员以及企业厂家共同努力和完善的过程：

（1）汽车发动机箱体主轴承座胀断加工工艺对整个汽车发动机制造领域都是划时代的变革，此设备需要进行透彻的研究以及足够的试验，才可以进行大量的批量生产。

（2）现在用于胀断加工的机器设备部分工序还需要人工进行操作，还没有生产出能自动切割裂解槽的激光设备，胀断加工的全自动生产线还正在研究开发中。

（3）将来即使汽车发动机箱体裂解槽胀断加工技术运用到实际制造中，相关技术也会出现一些问题，这还需要我们的技术研究人员进行处理与改进。

现在衡量汽车发动机箱体制造水平的就是箱体主轴承座胀断加工工艺。由于我国汽车市场具有非常广阔的前景，所以未来汽车发动机箱体主轴承座胀断加工技术及相关的设备在我国会被汽车企业与生产厂家大量的需求。胀断加工技术可以让我国汽车产业的制造新上一个台阶，使我国汽车技术可以更快的追赶西方发达国家。

第四章 胀断技术研究意义

在发动机箱体主轴承座制造方法中，汽车发动机箱体胀断加工技术是现在最新型的方法，箱体胀断术的特点优势体现在在很多方面。由于箱体胀断技术可以不用人为生产啮合面，横向抗剪切能力突出，装配时的精确度也很高，发动机箱体承载能力也很高，发动机性能得到了改善。而且箱体胀断术简化了制造箱体的工艺过程，节约成本。

汽车工业在我国的工业制造系统中有着举足轻重的地位，而发动机的制造加工又是汽车制造生产中的心脏。我们研究汽车发动机整体胀断加工这个先进高效的加工方式，可以帮助汽车企业用更低的成本来制造发动机与汽车，进而可以帮助消费者用更低的价格来购买汽车，然后可以推动国家的科技水平与经济水平的发展，是中国变成工业强国，于国于民都是很有意义的事情。

第五章 展望

本篇论文在各种知识理论的指导下，对裂解槽的胀断进行了适当的研究分析。遗憾的是，文章作者才疏学浅，学识不渊，见闻不广，时间受限等众多无法避免的主客观原因，本文目前还有诸多不足：

1.在实际企业工厂车间中，通常是多个加工设备同时工作，极特殊情况才会有单独加工的情况，所以我们的模拟研究中，不能效仿实际的工厂企业，因为如果效仿，那么工作量十分巨大。因此，本文的研究与实验状态与实际车间厂家略有差池。

2.众所周知，理论与实际还是有一定差距，如果想将本文应用于实践，请谨慎参考。

3.目前，很多性能极其出色、质量极其优秀的新合金正在被研究开发。其应该会运用于现在以及未来的汽车制造加工领域以及航天军工领域中。后续的、具有针对性的研究也要随之展开。

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作者简介：王源（1997-7） 性别：男，民族：蒙古族，籍贯：内蒙古赤峰市巴林右旗，学历：本科

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