36MnVS4连杆裂解加工模拟及缺陷分析

针对具有更高疲劳强度的连杆新材料36MnVS4,开展了连杆裂解加工性能研究,并与C70S6材料进行对比,探究其裂解缺陷形成原因。依据新材料I型裂纹的脆性解理断裂特性,确定了连杆裂解K判据及最大主应力断裂失效准则,建立了预制切口条件下的连杆裂解有限元模型。通过分析裂解过程中的应力集中和变形分布情况,获得不同材料的切口起裂位置和时间、切口附近及断面的塑性变形,结合裂纹扩展速度和裂解载荷,研究了容易导致的缺陷类型并评估了断口质量。结果表明:在相同几何参数和载荷下,因36MnVS4连杆较C70S6起裂位置分散、裂纹扩展不稳定、缺口敏感性高、铁素体组织多,容易导致批量生产时裂解工序缺陷增加,但裂解后大头孔失圆和断面塑性变形小。

脉冲光纤激光加工36MnVS4连杆裂解槽的研究

为了获得新材料36 MnVS4连杆裂解槽的最优切割质量,采用光纤激光器对36 MnVS4连杆进行了裂解槽激光加工的工艺研究,分析了离焦量、峰值功率、脉冲宽度、切割速度和脉冲频率对裂解槽几何尺寸的影响,通过激光共聚焦显微镜测量对比,研究不同激光工艺参数下裂解槽几何尺寸的变化规律。结果表明:负离焦能加工出质量更好的裂解槽;峰值功率、脉冲宽度、脉冲频率和切割速度对槽深和张角的影响较大,对槽宽和曲率半径的影响较小,但在裂解槽深度为0.5~0.6 mm时,张角在10°~25°的较小范围内变化。

激光加工工艺参数对36MnVS4连杆切槽质量影响研究

为了达到连杆裂解槽加工的精度要求和质量要求,采用脉冲光纤激光对36MnVS4的连杆进行工艺参数研究,针对激光器参数对连杆切槽质量的影响进行规律探究,最后探究激光加工工艺参数对连杆切槽的影响程度,得到一组加工工艺的优化参数。结果表明:随着脉冲峰值功率、脉冲宽度、脉冲频率的增大,切槽的槽宽和槽深也随之增大,而切槽的曲率半径和张角变化程度相对较小;随着机械参数加工速度的增大,裂解槽的槽宽和槽深逐渐减小,张角和曲率半径则逐渐增大;结合企业实际生产得出优化参数:脉冲频率600 Hz、峰值功率700 W、脉冲宽度180μs、切割速度1.5 m/min。

36MnVS4非调质钢胀断连杆的胀断缺陷分析

对36MnVS4非调质钢胀断连杆的断口不齐及掉渣胀断缺陷进行了分析。通过显微组织定量分析、断口形貌观察和力学性能测试,并与VW50030标准和T/CCMI 13.1—2021标准进行比较,结果表明:36MnVS4胀断连杆的显微组织为铁素体+珠光体,但缺陷连杆掉渣侧的铁素体含量为37.0%~39.8%,不符合标准要求。缺陷连杆的断面收缩率为51.0%~51.5%,超过30%~50%的标准要求。同时,在掉渣区域存在明显的韧性断裂区域,证明胀断过程存在塑形变形。因此,组织上铁素体含量超标,断面收缩率较大,导致胀断连杆的胀断性能较差,是产生胀断缺陷的主要原因。

正火温度对胀断连杆用36MnVS4和46MnVS5钢组织及性能的影响

以目前广泛用于汽车胀断连杆的中碳非调质钢36MnVS4和46MnVS5钢为对象,对比研究了其不同正火温度下的力学性能差异和组织转变规律,并分析了强化机理。结果表明,随着正火温度的升高,36MnVS4钢和46MnVS5钢的屈服强度、抗拉强度和硬度均逐渐增加,且46MnVS5钢的抗拉强度和硬度均大于36MnVS4钢。当在990℃以下正火时,46MnVS5钢的屈服强度大于36MnVS4钢,而在990℃以上正火时,46MnVS5钢的屈服强度小于36MnVS4钢。1140℃以上正火时,36MnVS4钢断面收缩率和伸长率较46MnVS5钢更高,韧性较好。36MnVS4钢和46MnVS5钢力学性能上的差异主要是由于36MnVS4钢中先共析铁素体含量多于46MnVS5钢,且1200℃正火后的先共析铁素体中析出强化相V(C,N)也多于46MnVS5钢,因此36MnVS4钢的塑性更好。但从胀断连杆的生产工艺及性能要求出发,由于韧性的提高对连杆的胀断加工不利,而46MnVS5钢具有良好的综合力学性能且较36MnVS4钢更具成本优势,因此胀断连杆用钢宜选择46MnVS5钢。

连杆用36MnVS4钢的胀断性能

对国内新开发的的胀断连杆用非调质钢36MnVS4性能进行了研究,结果表明,材料的显微组织为极细的铁素体+珠光体混合组织,钒等微合金化元素的加入使得晶粒更加细化;胀断结果显示,材料断口为典型的脆性解理断裂,胀断变形量很小,达到或超过传统C70S6胀断效果;碳含量的降低引起组织变化,改善了切削加工性能;材料的强度增加,屈强比也显著提高,对连杆的轻量化设计和可靠性有显著的意义,可以用于胀断连杆。

36MnVS4裂解连杆性能分析及轻量化设计

为实现连杆轻量化以适应发动机低能耗低振动的要求,对36MnVS4连杆进行了结构改进设计。在原有C70S6连杆结构设计的基础上,改用高强钢36MnVS4,并分别对C70S6和36MnVS4连杆断裂接合面进行三维逆向重构,建立了裂解连杆有效分析模型。通过有限元模拟对连杆进行疲劳强度分析,得到:36MnVS4连杆较C70S6连杆的疲劳寿命和安全系数有明显提高,具有足够的安全储备进行轻量化改进。以连杆强度和刚度为约束条件,对36MnVS4连杆分部位进行结构改进设计,改进后连杆质量降低21%,实现了裂解连杆的轻量化。

脉冲电流处理对36MnVS4钢连杆力学性能的影响

采用MTS电液伺服试验机、QBG-200高频疲劳试验机、HV-1000B显微硬度计测试了脉冲电流处理前后36MnVS4非调质钢的力学性能，通过金相显微镜、扫描电子显微镜观察了处理前后试样的显微组织。结果表明：脉冲电流处理后36MnVS4钢中铁素体由粗大片条网状变成细小独立、均匀分布条状，且含量明显变少；与未处理试样相比，抗拉强度、断裂韧度、显微硬度分别提高了7．8％、6．6％和6．9％，而伸长率、断面收缩率有所降低。

电脉冲处理与退火处理对36MnVS4钢力学性能的影响

研究了不同电脉冲处理和退火处理对36MnVS4钢的显微组织及力学性能的影响。结果表明:脉冲电流的热效应引发了36MnVS4钢显微组织中的局部再结晶现象和局部应力松弛现象,产生了细小再结晶晶粒,消除了缺陷处的应力集中,且电脉冲处理时电子频繁撞击位错,增强了位错的运动能力,电脉冲处理后的试样力学性能更加稳定,在最优参数(脉冲电流密度为234.4 A/mm^2,脉冲电流作用时间为0.11 s,脉冲次数为5次)下处理的试样抗拉强度提高了4.6%,塑性提高了9.1%,硬度没有发生明显变化。退火处理后36MnVS4的显微组织出现了大量的块状铁素体,塑性相比电脉冲处理试样提高较为明显,但强度和硬度显著减低。

脉冲光纤激光切割连杆裂解槽工艺参量优化

为了获得36MnVS4连杆裂解槽最优的切割质量,采用正交实验法对裂解槽进行了激光切割理论分析和实验验证,通过激光共聚焦显微镜测量裂解槽的深度、宽度、张角及曲率半径等几何尺寸,同时采用扫描电镜观测裂解槽底部微观形貌及热影响区的厚度,采用极差分析法得到了峰值功率、脉冲宽度、切割速率和脉冲频率对裂解槽几何尺寸的影响,并获得了最优实验参量组合。结果表明,裂解槽热影响区厚度皆小于100μm且裂解槽底部存在微裂纹及气孔,各参量组合对裂解槽宽度、张角及曲率半径的影响较小,对裂解槽深度的影响较大;脉冲宽度和峰值功率对槽深的影响较大,脉冲频率和切割速率对槽深的影响较小;优化后切割速率为1.0m/min,峰值功率为700W,脉冲频率为1000Hz,脉冲宽度为50μs。这一结果对实际生产具有重要意义。

发动机连杆材料及工艺

连杆轻量化的途径主要是制造工艺和材料的改进。本文对发动机连杆工艺和材料进行了较全面的分析论述,指出了今后连杆工艺和材料的应用发展趋势。

中碳微合金非调质钢涨断连杆的开发

为提高发动机连杆性能,用中碳微合金非调质钢36MnVS4试制了发动机连杆,并对试制连杆的性能进行了检测。结果表明,试制的36MnVS4连杆的化学成分、显微组织、力学性能、疲劳性能、台架耐久性能和道路试验性能等性能不仅满足技术要求,且比高碳微合金非调质钢C70S6连杆的性能优异,可代替C70S6生产连杆,提高连杆性能。