在发动机制造中，分体类零件的加工工艺非常复杂，对结合面的精确加工及精确吻合都是难以解决的问题。裂解加工工艺是近几年随着汽车工业发展而产生的一种突破传统加工理念的制造技术，它使分体类零件结合面的精确定位成为可能。与传统的分体加工技术相比，裂解加工具有工艺流程简单、节省精加工设备费用、装配质量好，承载能力强等优点，对降低制造成本、提高发动机性能具有重要意义，且已成为剖分类零件制造技术的发展方向。发动机缸体主轴承座属于典型剖分类零件，多个轴承座有间隔共线排列并由底座相连形成整体。发动机缸体主要采用灰铸铁、蠕墨铸铁等脆性材料铸造，例如奔驰、菲亚特等轿车的发动机缸体均是由灰铸铁铸造而成。在裂解工艺中，核心技术之一与首要工序是裂解槽的设计和加工。预制裂解槽的目的是产生启裂点，提高应力集中程度，在达到裂解阈值后，零件会沿着预定断裂面发生裂纹扩展，使裂解加工顺利完成。目前，裂解槽主要采用机械拉削和激光切割的方法进行加工。通过机械拉削的方法可以有效控制裂解槽的槽深、槽张角以及槽根部曲率半径等重要的裂解槽几何参数；而激光切割技术可以在材料表面热影响区形成硬化层，增加材料的脆性，减小裂解载荷。本文在前期研究裂解加工关键技术的基础上，结合发动机缸体主轴承座自身的结构特点及材料特性，对脉冲激光加工灰铸铁缸体材料裂解槽进行数值分析和实验研究，取得了一定的创新性成果。本文的工作主要集中在以下几个方面：1.基于断裂力学理论，对捷达轿车发动机缸体主轴承座建立数值模型，并针对其在裂解过程中的受力情况与胀套的接触情况，施加边界载荷。根据裂纹区局部应力集中的特点，将模型进行局部细化，增加计算的准确程度，减小了模拟和实际受力情况的差异。采用最大拉应力判据判断起裂状态，计算裂解载荷。最后用实验方法得出真实的裂解载荷，结果证明该模拟方法得出的计算结果与真实值之间的差异仅为2.09%，为制定工艺参数提供了依据。影响裂解槽几何形状因素有：槽深、槽张角和槽根部曲率半径。对三种常用缸体材料灰铸铁HT250、蠕墨铸铁RUT380和球墨铸铁QT500分别进行模拟分析，得出每个因素对裂解载荷的影响规律，最后确定了这三种缸体材料裂解槽几何参数的优化值。如型号为QT500的球墨铸铁发动机缸体主轴承座激光裂解加工优化参数确定为：选用拉削加工方法时，槽深最优值h=0.5mm，张角最优值α=60°，根部曲率半径最优值r=0.1mm；选取激光切槽方法时，槽深最优值h=0.5mm，张角最优值α=0°，根部曲率半径最优值r=0.05mm。优化结果为制定合理的加工参数和裂解载荷选择提供了依据。2.利用激光与金属材料相互作用理论，通过研究激光切割发动机缸体铸铁材料的特点，对比分析固体Nd：YAG连续激光和脉冲激光输出模式对裂解槽加工效果的影响，确定脉冲Nd：YAG激光是加工裂解槽的最佳光源。对激光切割参数：峰值功率、脉冲时间、脉冲频率、切割速度、辅助气体类型、辅助气体压力、工件表面粗糙度、切割方式等影响因素进行分析，通过激光切割灰口铸铁HT250材料实验得出以上各激光切割参数对裂解槽的槽深和槽宽的影响规律。随着峰值功率的降低，裂解槽深度减小；随着脉冲时间的增加，裂解槽深度增大；脉冲频率的变化对裂解槽深度几乎无影响；切割速度的减小可以增大裂解槽深，但趋势不明显；用纯氧作为辅助气体切割时可以大幅度增大裂解槽深度，辅助气体为氮气时，切割深度最浅；辅助气体压力的提高，有助于加深裂解槽；入射角度的增加对裂解深度的影响呈下降趋势；提高工件表面的粗糙度也可以促进裂解槽深度增加；推动切割有利于提高裂解槽深度。在槽宽方面，激光切割的裂解槽随着峰值功率的降低，裂解槽宽度减小；随着脉冲时间的增加，裂解槽宽度增大；脉冲频率和激光入射角的变化对裂解槽宽度无影响；切割速度的减小能增大裂解槽宽；用纯氧作为辅助气体切割时能增大裂解槽宽度，辅助气体为氮气时，切割宽度最窄；辅助气体压力的提高，使裂解槽宽度增大；提高工件表面的粗糙度也可以促进裂解槽宽度增加；拉动切割会使裂解槽宽度增加。3.采用正交实验的方法研究激光各参数对槽深及槽宽影响的显著性进行分析，得出了极差和方差的分析结果，结果表明脉冲峰值功率是影响槽深的最重要因素，脉冲宽度是影响槽宽的最重要因素。通过对缸体主轴承座裂解工艺、裂解材料特性、裂解工艺参数及其影响规律的研究，确定了铸铁材料缸体主轴承座裂解槽的加工参数，为主轴承座裂解技术在国内的研究和发展提供可靠的技术依据。4.采用工具显微镜、扫描电子显微镜和显微硬度仪等分析测试手段，对热影响区的微观组织、显微硬度和硬化层深度进行实验研究。探讨脉冲激光加工裂解槽的特性，揭示了脆性材料脉冲激光加工裂解槽对胀断工艺的影响机制及其优异性。结果表明，在激光光斑作用区附近，形成三个区域：裂解槽、重凝区和固态相变区；材料熔化区显微硬度约为850Hv；在重凝区，主要生成了硬而脆的马氏体及微裂纹，组织明显细化，硬度显著高于基体硬度；相变硬化区约为550Hv，硬化层深度随着激光脉冲功率和脉冲宽度的增加而增大，随着扫描速度的增加而减小，硬化层厚度的存在为后续加工余量的留取提出要求。对2KW小功率和3.2KW大功率激光切割裂解槽形貌进行实验对比，得出结论：在小功率条件下，热影响区主要由白色马氏体、黑色马氏体以及马氏体与珠光体的混合物组成；在大功率条件下，热影响区主要为片状珠光体。小功率下热影响区的硬度明显高于大功率下的硬度，裂纹敏感性较大。缸体材料脉冲激光加工裂解槽硬化层深度随着激光脉冲功率和脉冲宽度的增加而增大，随着扫描速度的增加而减小。5.加载速率是影响裂解载荷和裂解质量的重要因素。以QT500材料缸体主轴承座为例，通过数值模拟分析研究了加载速率对裂解性能的影响。结果表明，加载速率在1~100kN/S范围内变化时，等效应变变化不大，但当加载速率增加到500kN/S时，等效应变大幅减小，此后随着加载速率增大，应变变化不大，此时材料进入应变速率敏感阶段，断裂时的应变极小，断裂质量较好。加载速率在1kN/S~100kN/S范围内，裂纹槽根部位移和内孔弧顶位移（变形量）变化都不大，当速率增大到500kN/S~2500kN/S时，裂纹槽根部位移和内孔弧顶位移骤减，裂解质量得到很大提升。