專利名稱：一種復(fù)合雙金屬裂解連桿的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合雙金屬裂解連桿的制造方法，屬于發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，其工作過(guò)程中主要承受燃燒爆發(fā)力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的拉伸、壓縮、彎曲等高頻交變載荷，工作條件惡劣，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜，疲勞、磨損、震動(dòng)等影響連桿的使用壽命。因此連桿必須具有足夠高的強(qiáng)度、剛度與綜合機(jī)械性能。傳統(tǒng)連桿采用分體加工法，整體鍛造連桿坯件后用鋸、銑、磨等方法加工連桿體和連桿蓋的結(jié)合面，精加工連桿蓋的定位銷孔和連桿體螺栓孔后完成兩者的合裝。傳統(tǒng)方法工序繁多，效率低、產(chǎn)品廢品率高，且承載能力與質(zhì)量穩(wěn)定性都較差。目前，連桿裂解加工技術(shù)是連桿制造領(lǐng)域最具前景的加工技術(shù)，但是，裂解技術(shù)對(duì)連桿材料性質(zhì)要求很高，保證其強(qiáng)度條件下限制其韌性指標(biāo)，要求斷口呈現(xiàn)脆性斷裂特性。工程上裂解型連桿常用的材料局限于粉末鍛造、聞碳鋼、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵，這類材料制備條件苛刻，成本聞昂，使連桿裂解加工技術(shù)的應(yīng)用與推廣受局限。申請(qǐng)?zhí)枮?00820040497. X，名稱為“發(fā)動(dòng)機(jī)脹斷連桿坯件”的專利提出了采用粉末鍛造材料、可鍛鑄鐵、70高碳鋼或C70S6高碳鋼作連桿材料，連桿毛坯采用鍛造成型，連桿大頭孔內(nèi)側(cè)預(yù)加工應(yīng)力槽后采用裂解工藝完成連桿裂解。這類連桿對(duì)材料強(qiáng)韌性具有嚴(yán)格要求，材料制備困難，價(jià)格高昂，給裂解技術(shù)應(yīng)用與推廣帶來(lái)局限。申請(qǐng)?zhí)枮?00580013038. 1，名稱為“連桿及其制造方法”的專利提出采用激光或等離子體對(duì)連桿大頭部的分割區(qū)進(jìn)行照射，在真空中冷卻，使分割區(qū)域的材料由奧氏體組織變?yōu)轳R氏體組織，在脹斷載荷作用下奧氏體組織發(fā)生脆性斷裂，實(shí)現(xiàn)連桿體與連桿蓋的分離。這種工藝方法存在的最大問(wèn)題是激光或等離子體照射的區(qū)域不能有效控制，這樣除了斷裂區(qū)域外，斷裂區(qū)附近部位也發(fā)生脆化，它不僅減弱了連桿局部機(jī)械強(qiáng)度，而且不能有效的保證連桿在預(yù)定的分割部位斷裂，裂解面易出現(xiàn)偏移等問(wèn)題，這種工藝也不適合其他材料。申請(qǐng)?zhí)枮?00710300307. 3，名稱為“高強(qiáng)度合金鋼連桿深冷脆化脹斷工藝”的專利提出將連桿放入液氮中深冷5分鐘以上，改變材料的延展性，使連桿進(jìn)入脆性狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)連桿的脆性斷裂。該工藝方法使整個(gè)連桿脆化，使連桿存在機(jī)械強(qiáng)度降低的危險(xiǎn)；連桿脆性增力口，要將其大頭部分割開需要很大的斷裂載荷，使斷裂裝置本身大型化，設(shè)備投入增加，這種工藝不適合其他材料。美國(guó)專利號(hào)US20020148325A1，名稱為“Semi-solid Formed, Low ElongationAluminum Alloy Connecting Rod”的專利提出采用半固態(tài)成型技術(shù)制造連桿毛還，后續(xù)經(jīng)淬火熱處理、人工時(shí)效調(diào)節(jié)鋁合金連桿的強(qiáng)韌性，使其滿足裂解加工的技術(shù)要求。它存在如下不足半固態(tài)鋁合金原料的制備工藝復(fù)雜，成本高昂，其冷卻后形成的晶粒過(guò)大或過(guò)小均影響連桿的強(qiáng)韌性，后續(xù)的熱處理對(duì)連桿性能的影響復(fù)雜，使連桿裂解加工時(shí)易出現(xiàn)大頭撕裂、裂不開、掉渣、斷裂面變形等問(wèn)題。
為了克服上述裂解連桿制造工藝存在的問(wèn)題與不足，本發(fā)明提出一種復(fù)合雙金屬裂解連桿的工藝方法，其利用復(fù)合技術(shù)使兩種物理、化學(xué)、力學(xué)性能不同的金屬在界面上實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合而形成整體復(fù)合鑄件，它彌補(bǔ)了各組元材料的不足，綜合了各種材料的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整體性能的多樣性。由于連桿主體采用了高強(qiáng)韌性優(yōu)質(zhì)材料，連桿大頭部的裂解區(qū)采用裂解用材質(zhì)，從而使連桿既具有高的強(qiáng)度和抗疲勞性能，又具有足夠的剛度和韌性，且在外載作用下滿足裂解剖分的要求，利用兩斷裂面上自然的犬齒交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，保證分離后的連桿體與連桿蓋重新定位、精確合裝，無(wú)需在機(jī)械加工配合面，使得連桿具有高的承載能力與高裝配精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是裂解用連桿材料可選種類少、材料制備困難、價(jià)格聞昂。本發(fā)明的技術(shù)方案是制造裂解連桿的毛坯時(shí)在裂解區(qū)設(shè)置裂解層，使裂解層充填不同于連桿主體的材料，制造裂解連桿毛坯，然后在裂解層實(shí)施裂解加工。兩種不同金屬材料以冶金方式結(jié)合，獲得的復(fù)合連桿即有優(yōu)異的綜合性能，其裂解區(qū)又滿足裂解加工的技術(shù)要求。通過(guò)在連桿型腔內(nèi)位于連桿體與連桿蓋連接部位設(shè)置活動(dòng)的隔離板，將連桿型腔分成兩獨(dú)立部分，先鑄造連桿體與連桿蓋，待其大部分凝固時(shí)將隔離板抽離型腔，再將裂解區(qū)用材料注入隔離板抽離后形成的空腔，使其在重力或壓力條件下充滿空腔，兩種材料以冶金方式結(jié)合形成復(fù)合鑄件。連桿型腔中設(shè)置的隔離板的厚度為lmnT50mm。根據(jù)澆注的兩種金屬材料的體積t匕、接觸面積，考慮兩種材料的熔點(diǎn)，確定隔離板的預(yù)熱溫度、兩金屬材料的澆注溫度和兩種金屬澆注的時(shí)間間隔。這些工藝參數(shù)的選擇遵循的原則是隔離板的預(yù)熱溫度和連桿主體用材料的澆注溫度恰當(dāng)匹配，避免金屬材料澆注溫度過(guò)高燒損隔離板表面，或隔離板預(yù)熱溫度過(guò)低，使與其接觸的金屬液冷卻過(guò)快，影響復(fù)合層的冶金結(jié)合質(zhì)量。兩種金屬澆注時(shí)間間隔與先澆注的金屬材料溫度、鑄件大小有直接關(guān)系，由連桿主體材料凝固時(shí)間決定。裂解加工時(shí)，先在連桿大頭部的裂解材料區(qū)開設(shè)裂解槽，根據(jù)裂解材料區(qū)在連桿大頭部設(shè)置的具體位置，可將裂解槽開設(shè)在裂解材料區(qū)的中間平面附近，或設(shè)置在兩種材料的結(jié)合界面的附近；再采用裂解設(shè)備使連桿體與連桿蓋在裂解材料區(qū)完成裂解分離，形成相互嚙合的犬齒交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的兩斷裂面；利用兩斷裂面上相互嚙合的犬齒交錯(cuò)結(jié)構(gòu)定位，完成連桿體與連桿蓋的精確合裝。雙金屬連桿鑄件毛坯在實(shí)施裂解加工之前，可對(duì)連桿毛坯進(jìn)行鍛造處理，消除其鑄造缺陷，使組織致密，提高連桿的力學(xué)性能。隔離板形狀可設(shè)置為平面狀或鋸齒狀，根據(jù)連桿具體應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行選擇。對(duì)于大功率發(fā)動(dòng)機(jī)連桿，需承受高載荷、大扭矩，連桿毛坯制造時(shí)在模具型腔內(nèi)設(shè)置表面為鋸齒狀的隔離板，使兩種材料之間形成鋸齒狀的結(jié)合界面。實(shí)施裂解工藝時(shí)，將裂解槽開設(shè)在連桿結(jié)合界面附近，外載作用下，連桿體與連桿蓋沿該預(yù)先設(shè)置的界面裂解分離，兩斷裂面上產(chǎn)生自然的近似鋸齒狀的結(jié)構(gòu)，利用這類鋸齒結(jié)構(gòu)相互嚙合與定位，完成連桿體與連桿蓋的精確合裝。由于連桿體與連桿蓋接觸面積大，定位精確高，使得連承載能力與質(zhì)量穩(wěn)定性大巾畐提聞。本發(fā)明的具體步驟是
(A)在連桿型腔內(nèi)位于連桿體與連桿蓋連接部位設(shè)置活動(dòng)的隔離板，將連桿型腔分成兩獨(dú)立部分；
(B)澆鑄連桿體和連桿蓋；
(C)待連桿主體和連桿蓋材料大部分凝固時(shí)，將隔離板抽離型腔，再將裂解用材料液注入隔離板抽離后形成的空腔，形成裂解材料區(qū)，裂解材料和連桿主體、連桿蓋材料以冶金方 式結(jié)合；
(D)在裂解材料區(qū)開設(shè)裂解槽；
(E)采用裂解設(shè)備使連桿體與連桿蓋在裂解材料區(qū)完成裂解分離，形成相互嚙合的犬齒交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的兩斷裂面；
(F)利用兩斷裂面上相互嚙合的犬齒交錯(cuò)結(jié)構(gòu)定位與精確合裝。當(dāng)裂解材料區(qū)的厚度較小，隔離板過(guò)薄不便于鑄造連桿體與連桿蓋時(shí)，隔離板厚度可大于連桿裂解材料區(qū)的厚度，通過(guò)下述兩種方式來(lái)解決。在步驟(C)中，將隔離板抽離型腔后，調(diào)節(jié)連桿體與連桿蓋的間距，控制注入裂解材料區(qū)空腔的厚度達(dá)預(yù)定裂解材料區(qū)厚度的要求，再將裂解用材料液注入，形成裂解材料區(qū)。在所述步驟(C)中，將裂解用材料液注入隔離板抽離后形成的空腔后，調(diào)節(jié)連桿體與連桿蓋的間距，擠壓裂解材料，控制裂解材料區(qū)的厚度達(dá)預(yù)定裂解材料區(qū)厚度的要求，形成裂解材料區(qū)。本發(fā)明還適合于大功率發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的制造，連桿毛坯制造時(shí)在裂解區(qū)設(shè)置鋸齒狀的裂解層，裂解時(shí)使連桿沿該裂解層斷裂出明顯的鋸齒結(jié)構(gòu)，無(wú)需在機(jī)加工結(jié)合面。與傳統(tǒng)機(jī)械加工方法制造的鋸齒連桿相比，具有工序少，成本低、配合精度高，質(zhì)量穩(wěn)定好等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
I.本發(fā)明提供了一種制造裂解型連桿的新途徑，擴(kuò)大了裂解型連桿的材料選擇的范圍，可將鋁合金、鈦合金、40Cr等材料用于裂解型連桿的制造，推進(jìn)了連桿裂解加工技術(shù)的應(yīng)用。2.雙金屬裂解連桿綜合了兩種材料的優(yōu)勢(shì)，既保證連桿主體性能，又滿足連桿大頭裂解剖分要求。3.與傳統(tǒng)機(jī)械鋸切、磨削結(jié)合面的普通連桿制造方法相比，本發(fā)明簡(jiǎn)化了連桿的加工工序，減少了精加工設(shè)備及刀具投資，節(jié)省能源，產(chǎn)品合格率高。4.本工藝方法還適合于制造大功率發(fā)動(dòng)機(jī)連桿，連桿毛坯制造時(shí)在裂解區(qū)設(shè)置鋸齒狀的裂解層，裂解時(shí)使連桿沿該裂解層斷裂出明顯的鋸齒結(jié)構(gòu)，無(wú)需加工結(jié)合面，與傳統(tǒng)機(jī)械加工方法制造的鋸齒連桿相比，具有工序少，成本低、配合精度高，質(zhì)量穩(wěn)定好等優(yōu)點(diǎn)。5.根據(jù)連桿的使用場(chǎng)合與性能要求，可對(duì)連桿毛坯進(jìn)行鍛造處理，以消除連桿鑄造缺陷，改善組織致密性，提高其機(jī)械性能與力學(xué)性能。


圖I為雙金屬裂解連桿的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為采用鋸齒狀隔離板的連桿示意圖。圖3為復(fù)合雙金屬裂解連桿的鑄造工藝圖。附圖中連桿體1，裂解界面2，連桿蓋3，連接螺栓4，裂解層5，二號(hào)澆注系統(tǒng)6，隔離板7，一號(hào)澆注系統(tǒng)8，裂解槽9，鋸齒狀隔離板30。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖I所示，實(shí)施例連桿由連桿體I與連桿蓋3組成，兩者由裂解界面2上的犬齒交錯(cuò)結(jié)構(gòu)定位與相互嚙合，由螺栓4將連桿體I與連桿蓋3連接為一體。如圖I、圖3所示，本發(fā)明的技術(shù)方案是連桿毛坯制造時(shí)在裂解區(qū)設(shè)置裂解層5，使裂解層5充填不同于連桿主體的材料，然后在裂解層5的位置實(shí)施裂解加工。具體方法是通過(guò)設(shè)計(jì)連桿材料的組元配合，采用兩個(gè)獨(dú)立的澆注系統(tǒng)，先采用一號(hào)澆注系統(tǒng)8將具有高強(qiáng)韌性、抗疲勞性能的連桿主體材料注入連桿體I與連桿蓋3，再采用二號(hào)澆注系統(tǒng)6在裂解區(qū)空腔注入裂解用材料，兩種金屬材料在鑄造過(guò)程中以冶金方式結(jié)合，獲得的整體復(fù)合鑄件具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能與抗疲勞性能，而且，連桿大頭部的裂解層5在外力作用下呈脆斷性，使連桿滿足裂解加工的技術(shù)要求。本實(shí)施例材料選擇連桿主體材料為L(zhǎng)DlO鋁合金；裂解區(qū)的脆性材料為A390高硅鋁合金，界面接觸面積為50X80mm2。合金成分如下
合金元素含量(.名義重量百分tbs.)
脾號(hào) ______,__
''Ig(Al)I.........I......(Mg).....................辱.....(Zn).............["S.....(fc)...........涯......(Si).....................I.....(Ol)^
^LDlO0. 4'D. 8 OS 0. 4'1 0.6.1 3. 8^
~A3900.45.13.65 >oTI <01 16'l8
采用上述模具裝置制造復(fù)合連桿的關(guān)鍵工藝步驟如下
1)將待復(fù)合的兩種金屬材料分別熔煉，精煉后進(jìn)行除氣、去雜處理；
2)對(duì)隔離板7與金屬液接觸的表面施以預(yù)處理，使用液體浸洗法(如酸、堿或酒精等)去除表面不利于金屬?gòu)?fù)合的油污、夾雜等附著物，并進(jìn)行預(yù)熱處理，其預(yù)熱溫度為IOOlOO攝氏度。將模具預(yù)熱至24(T280攝氏度，并在型腔內(nèi)噴刷脫模劑；
4)將LDlO合金料液注入連桿體I與連桿蓋3型腔，待LDlO合金液大部分凝固時(shí)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)隔離板7沿凹腔退出型腔，將A390合金料液壓注該空腔；LD10鋁合金的澆注溫度為730 760度，A390高硅鋁合金的澆注溫度為690 710度；
6)鑄件清理后根據(jù)具體情況對(duì)復(fù)合鑄件進(jìn)行熱處理。通過(guò)進(jìn)一步的熱處理可以促進(jìn)界面處原子間擴(kuò)散或者進(jìn)一步的冶金反應(yīng)或者調(diào)節(jié)界面組織，從而提高兩種金屬層之間的結(jié)合強(qiáng)度。熱處理溫度優(yōu)選范圍475 490攝氏度，保溫時(shí)間優(yōu)選范圍12 14小時(shí)。7)粗加工復(fù)合連桿大頭孔，在復(fù)合連桿大頭部的裂解層的中間平面的附近開設(shè)裂解槽，再采用裂解設(shè)備使連桿體與連桿蓋在裂解材料區(qū)完成裂解分離，利用兩斷裂面上相互嚙合的犬齒交錯(cuò)結(jié)構(gòu)定位，用螺栓將連桿體I與連桿蓋3連成一體精加工成品。通過(guò)試驗(yàn)分析，從結(jié)合界面處得微觀組織形貌可看出，界面處發(fā)生了明顯的冶金反應(yīng)，中間過(guò)渡層連接兩側(cè)材料，界面結(jié)合緊密，無(wú)明顯裂紋和孔洞。裂解時(shí)，通過(guò)施加外載，連桿在其裂解層具有明顯的可裂解性，且裂解面控制在裂解層區(qū)域之內(nèi)，有效的減少了單邊撕裂、裂解不開、大頭孔變形等問(wèn)題。裂解面質(zhì)量上分析從宏觀上看斷裂面平整，微觀上看兩斷裂面表面具有自然的犬齒交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)連桿體與連桿蓋的定位，實(shí)現(xiàn)精確合裝。本發(fā)明涉及的采用復(fù)合雙金屬在零件毛坯中設(shè)置裂解層的工藝方法，還適合于與連桿孔的加工在結(jié)構(gòu)、工藝流程具有相似性的剖分類零件加工，如發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱軸承座的裂解加工。在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干推演和替換，都應(yīng)視為屬于本發(fā)明所提交的權(quán)利要求書確定的專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合雙金屬裂解連桿的制造方法，其特征在于，制造裂解連桿的毛坯時(shí)在裂解區(qū)設(shè)置裂解層，使裂解層充填不同于連桿主體的材料，制造裂解連桿毛坯，然后在裂解層實(shí)施裂解加工，其具體步驟是 (A)在連桿型腔內(nèi)位于連桿體與連桿蓋連接部位設(shè)置活動(dòng)的隔離板(7)，將連桿型腔分成兩獨(dú)立部分； (B)澆鑄連桿體(I)和連桿蓋(3)； (C)待連桿主體(I)和連桿蓋(3)材料大部分凝固時(shí)，將隔離板(7)抽離型腔，再將裂解用材料液注入隔離板抽離后形成的空腔，形成裂解材料區(qū)，裂解材料和連桿主體(I)、連桿蓋(3)材料以冶金方式結(jié)合； (D)在裂解材料區(qū)開設(shè)裂解槽(9)； (E)采用裂解設(shè)備使連桿體與連桿蓋在裂解材料區(qū)完成裂解分離，形成相互嚙合的犬齒交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的兩斷裂面； (F)利用兩斷裂面上相互嚙合的犬齒交錯(cuò)結(jié)構(gòu)定位與精確合裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種復(fù)合雙金屬裂解連桿的制造方法，其特征在于，在所述步驟(C)中，將隔離板(7)抽離型腔后，調(diào)節(jié)連桿體(I)與連桿蓋(3)的間距，控制注入裂解材料區(qū)空腔的厚度達(dá)預(yù)定裂解材料區(qū)厚度的要求，再將裂解用材料液注入，形成裂解材料區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種復(fù)合雙金屬裂解連桿的制造方法，其特征在于，在所述步驟(C)中，將裂解用材料液注入隔離板抽離后形成的空腔后，調(diào)節(jié)連桿體(I)與連桿蓋(3)的間距，擠壓裂解材料，控制裂解材料區(qū)的厚度達(dá)預(yù)定裂解材料區(qū)厚度的要求，形成裂解材料區(qū)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I、2或3所述的一種復(fù)合雙金屬裂解連桿的制造方法，其特征在于，所述隔離板(7)形狀設(shè)置為平面狀或鋸齒狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求I、2或3所述的一種復(fù)合雙金屬裂解連桿的制造方法，其特征在于，所述裂解材料區(qū)用材料的厚度為Imm—20_。
6.根據(jù)權(quán)利要求I、2或3所述的一種復(fù)合雙金屬裂解連桿的制造方法，其特征在于，所述步驟(C)中裂解區(qū)材料的注入是在重力或壓力條件下完成。
7.根據(jù)權(quán)利要求I、2或3所述的一種復(fù)合雙金屬裂解連桿的制造方法，其特征在于，在所述步驟(D)前，對(duì)連桿毛坯進(jìn)行鍛造處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種復(fù)合雙金屬裂解連桿制造方法，本發(fā)明實(shí)施方案是在連桿型腔大頭部設(shè)置活動(dòng)的隔離板，將型腔分割成兩獨(dú)立部分，先采用連桿主體用材澆鑄連桿體與連桿蓋，待其大部分凝固時(shí)將隔離板抽離型腔，再將裂解區(qū)用材注入隔離板抽離后形成的空腔，兩材料以冶金方式結(jié)合形成復(fù)合雙金屬鑄件；接著采用裂解設(shè)備將連桿體與連桿蓋沿預(yù)置的裂解面完成裂解分離，利用兩斷裂面上形成的相互嚙合的犬齒交錯(cuò)結(jié)構(gòu)定位與精確合裝。本發(fā)明制造裂解連桿的方法，擴(kuò)大了裂解連桿材料選擇范圍，工藝簡(jiǎn)單可行，成本低，連桿裝配精確高，這種技術(shù)還適合于大功率發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的制造，以滿足承受高載荷、大扭矩連桿的要求，其工藝方法具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B22D19/16GK102626777SQ201210111190
公開日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2012年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月17日
發(fā)明者姜文帆, 姜銀方, 戴亞春, 龍昆 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)