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摘要
中国重汽集团MC11系列发动机是中国重汽集团与德国MAN公司合作生产的目前世界上最先进的重卡发动机，该系列发动机缸体生产线上采用的是德国ALFING公司生产目前世界上最先进的激光涨断设备，缸体的材料为蠕墨铸铁GJV450，采用激光涨断工艺替代传统的铣、磨等分体加工方法，使曲轴孔主轴承盖定位精度、装配质量大幅提高，对提高主轴承盖承载、抗剪切能力及发动机整机性能具有重要作用。
关键词：缸体曲轴孔；涨断；激光刻痕
1 涨断工艺
精确加工剖分类零件结合面，并使之精确组合，一直是机械加工领域难题。涨断加工工艺使得精确吻合成为可能，是剖分类零件加工领域中一项革命性的新型加工技术，具有加工工序少、制造精度高、节能降耗、降低生产成本等特点，已迅速应用于发动机连杆等生产中。近年来随着世界汽车工业发展和市场竞争，该技术在发动机缸体曲轴孔加工上的应用已成为国外汽车行业研究的重点。
1.1涨断原理
剖分类零件（连杆、发动机缸体曲轴孔）涨断加工技术是利用材料的断裂特性，在零件圆柱孔内侧对称加工两条涨断槽，形成初始断裂源，然后施加垂直于预定断裂面的正应力使剖分类零件在断裂源处脆性断裂分离成本体和盖体的过程。
1.2涨断材料
涨断技术的本质是利用材料的脆性，在人为制造断裂源的前提下，通过外力使其断裂達到盖和体分离的目的。这就要求材料既要满足缸体曲轴孔的机械力学性能，又要适合涨断工艺的要求且满足涨断的质量。
铸铁具有良好的机械加工性能，因此容易加工涨断槽。缸体多采用优质灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、铝合金等制造。对于灰铸铁（灰铸铁微观形态见图1），抗拉性能远小于其抗压性能，韧性低，因此具有良好的裂解性能，而且因其韧性低，涨断过程的塑性变形也小。球墨铸铁与灰铸铁相比，主要优点是高的强度和韧性。蠕墨铸铁（蠕墨铸铁微观形态见图2）是在高碳、低硫和低磷的灰口铸铁浇注时，向铁水中加入蠕化剂（稀土镁钛合金等），使石墨形成短蠕虫状，蠕墨铸铁中的蠕虫状石墨形态是介于球状和片状石墨之间的一种过渡型石墨，所以蠕墨铸铁的性能介于灰口铸铁和球墨铸铁之间。该材料具有极高的抗拉强度及抗疲劳强度，目前该种材料在MC11系列发动机的应用，填补了国内发动机行业在此领域的空白，达到国际先进水平。
图1 灰铸铁微观形态图 图2 蠕墨铸铁微观形态图
1.3激光刻痕
涨断加工技术的关键是涨断槽的加工。目前，涨断槽的加工主要采用机械拉削和激光加工两种方法。
在涨断加工技术的早期应用中，采用了机械拉削工艺加工“V型”涨断槽，但拉刀刀片随着加工易磨损，造成涨断槽的形状、深度变化。而涨断槽的形状与深度，直接影响涨断力，从而影响涨断变形。所以采用拉削方式加工涨断槽质量不稳定。
激光刻痕是一种先进的切割技术，具有快的加热和冷却速度、无刀具磨损以及窄的热影响区，可显著减少涨断力及曲轴孔涨断变形，而且激光可对涨断槽缺口根部进行淬火处理，使脆性断裂力学条件更易于实现，大幅度提高涨断质量等优点，因此近年来已逐步取代机械拉削工艺，成为涨断槽加工的主要手段。
1.4主要工艺流程
以中国重汽集团WD615系列发动机曲轴孔的加工方法为例，传统发动机曲轴孔加工步骤分为：
（1） 缸体：缸体底面粗铣 定位销孔加工 曲轴半孔粗镗 合箱销孔钻铰 底面精铣
（2） 曲轴箱：曲轴箱与缸体结合面粗铣 定位及合箱销孔加工 曲轴半孔粗镗 结合面精铣
（3） 缸体与曲轴箱合箱
（4） 曲轴孔精加工
而MC11系列发动机曲轴孔的加工方法为激光涨断加工工艺，主要步骤如下：
缸体曲轴孔粗加工 激光刻痕 曲轴孔涨断 合箱 曲轴孔精加工
WD615系列发动机为缸体、曲轴箱分体式铸造及加工，MC11系列发动机缸体曲轴箱为一体式铸造及加工。两者相比，MC11省去了曲轴箱的铸造和加工，从而大大降低了发动机的整体重量，且精确的激光刻痕及涨断力，使得精细的断裂面能够完美的组装到一起，粗糙的涨断面可产生较高的横向负载，能够大大降低主轴承孔的磨损并延长发动机使用寿命。
1.5激光涨断加工优点
（1）节省主轴承盖和轴承座结合面的加工，自然形成断裂裂口并合拢装配，获得良好的重复定位装配精度。
（2）节省曲轴箱的加工及定位销孔的加工。
2 ALFING激光涨断设备组成及加工过程分析
中国汽集团MC11系列发动机曲轴孔激光涨断设备主要由以下几部分组成（见图3）：
图3 激光涨断设备组成图
2.1工件上料及输送工位：上料工位通过光电识别系统，确认工件状态，然后由桁架机械手输送到相关工位。
2.2激光刻痕：首先是激光打二维码，确保机体与曲轴下瓦盖一一对应，然后为激光刻槽，以曲轴孔为中心（见图4），水平对称刻痕，形成断裂源。
图4 激光刻槽示意图
2.3曲轴孔涨断：机械手在工装上放下缸体，工装夹紧，缸体朝涨断棒移动，曲轴孔套上涨断头部的分离块，大固定抓手在与涨断棒垂直方向上抓紧分离块，两个液压控制的顶杆顶住曲轴螺栓孔，然后大液压缸推动涨断芯棒顶分离块，从而顶裂曲轴孔，来实现涨断。（涨断棒示意图见图5，涨断机构图见图6。）
图5 涨断棒示意图
图6 涨断机构图
2.4瓦盖合箱工位：根据二维码识别系统，将机体与瓦盖一一精密对合，并利用14轴ATLAS拧紧机分三次进行拧紧力矩和转角工艺加工，最终完成合箱工作。
3 激光刻痕注意事项
激光装置里的激光谐振器产出的激光束经导光系统中镜片反射、聚集后，成为功率密度极高的光束通过光纤电缆，光线电缆连接喷嘴，激光经过聚集照在需要刻痕的部位。金属开始融化蒸发，形成涨断槽。 激光头的喷嘴和工件的距离通常调整为1±0.05mm。通过调节激光的聚焦点、脉冲波长和功率来控制涨断槽的深度及宽度。本机需保证刻痕深度在0.8-1mm，刻痕间隔≤0.15mm，这样可以在保证合适涨断力的同时确保后续精加工的余量（激光刻痕断面图见图7，激光刻痕微观图见图8）。操作者应定期检查刻痕槽的深度和刻痕间隔，否则将影响涨断质量并加速涨断棒的磨损。
图7激光刻痕断面图 图8 激光刻痕微观图
由于所用激光的强度等级为4级，是不可见光，容易灼伤皮肤和眼睛，在调整激光装置时应注意安全，必须佩带防护眼镜、穿白色工作服，以减少漫反射的影响。
4 激光涨断常见质量问题及解决措施
缸体曲轴孔激光涨断常见质量问题有涨断面掉渣、涨断面高低点超差、合箱错位及夹屑等，解决措施如下：
（1） 控制缸体铸造毛坯质量；
（2） 调整激光刻痕的深度和间隔，并保证连续性；
（3） 及时更换磨损的涨断棒上的分离块；
（4） 激光刻痕及涨断时，确保吸尘器或压缩空气的效果，保证刻痕涨断面清洁无铁屑；
（5） 及时调整工装夹具的精度。
5 结语
发动机缸体曲轴孔激光涨断技术是随着汽车工业发展而产生的一种新型加工工艺。在经济发展全球化背景下，采用激光涨断加工工艺，与传统常规加工工艺相比，具有加工工序少、生产效率高、设备投资小、制造成本低、产品质量好、装配质量高、承载能力强等诸多优点。作为国内率先采用激光涨断加工新技术的发动机缸体生产线，要加快新技术的应用和研究，为其他剖分类零件应用涨断加工技术提供理论基础，进一步增强我国发动机工业的国际市场竞争力。
参考文献：
【1】 LOISOS G，MOSES A J.Effer of mechanical and Nd：YAG laser cutting on magnetic flux distribution near the cut edge of non-oriented steels【J】.Journal of Materials Processing Technology，2005，161：151-155.
【2】 YILABS B S. Laser cutting quality assessment and thermal efficiency analysis【J】.Journal of Materials Processing Technology，2004，155-156，；2106-2115.
【3】 龔俊，芮执元，郎福元，等.激光催裂的初步研究【J】.甘肃工业大学学报，1994，20（4）：44-48.
【4】 寇淑清，杨慎华，赵勇，等.连杆断裂剖分前预置裂解槽激光加工方法及设备：中国，200410010722.1【P】.2005-01-05.
中国重汽集团MC11系列发动机是中国重汽集团与德国MAN公司合作生产的目前世界上最先进的重卡发动机，该系列发动机缸体生产线上采用的是德国ALFING公司生产目前世界上最先进的激光涨断设备，缸体的材料为蠕墨铸铁GJV450，采用激光涨断工艺替代传统的铣、磨等分体加工方法，使曲轴孔主轴承盖定位精度、装配质量大幅提高，对提高主轴承盖承载、抗剪切能力及发动机整机性能具有重要作用。
关键词：缸体曲轴孔；涨断；激光刻痕
1 涨断工艺
精确加工剖分类零件结合面，并使之精确组合，一直是机械加工领域难题。涨断加工工艺使得精确吻合成为可能，是剖分类零件加工领域中一项革命性的新型加工技术，具有加工工序少、制造精度高、节能降耗、降低生产成本等特点，已迅速应用于发动机连杆等生产中。近年来随着世界汽车工业发展和市场竞争，该技术在发动机缸体曲轴孔加工上的应用已成为国外汽车行业研究的重点。
1.1涨断原理
剖分类零件（连杆、发动机缸体曲轴孔）涨断加工技术是利用材料的断裂特性，在零件圆柱孔内侧对称加工两条涨断槽，形成初始断裂源，然后施加垂直于预定断裂面的正应力使剖分类零件在断裂源处脆性断裂分离成本体和盖体的过程。
1.2涨断材料
涨断技术的本质是利用材料的脆性，在人为制造断裂源的前提下，通过外力使其断裂達到盖和体分离的目的。这就要求材料既要满足缸体曲轴孔的机械力学性能，又要适合涨断工艺的要求且满足涨断的质量。
铸铁具有良好的机械加工性能，因此容易加工涨断槽。缸体多采用优质灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、铝合金等制造。对于灰铸铁（灰铸铁微观形态见图1），抗拉性能远小于其抗压性能，韧性低，因此具有良好的裂解性能，而且因其韧性低，涨断过程的塑性变形也小。球墨铸铁与灰铸铁相比，主要优点是高的强度和韧性。蠕墨铸铁（蠕墨铸铁微观形态见图2）是在高碳、低硫和低磷的灰口铸铁浇注时，向铁水中加入蠕化剂（稀土镁钛合金等），使石墨形成短蠕虫状，蠕墨铸铁中的蠕虫状石墨形态是介于球状和片状石墨之间的一种过渡型石墨，所以蠕墨铸铁的性能介于灰口铸铁和球墨铸铁之间。该材料具有极高的抗拉强度及抗疲劳强度，目前该种材料在MC11系列发动机的应用，填补了国内发动机行业在此领域的空白，达到国际先进水平。
图1 灰铸铁微观形态图 图2 蠕墨铸铁微观形态图
1.3激光刻痕
涨断加工技术的关键是涨断槽的加工。目前，涨断槽的加工主要采用机械拉削和激光加工两种方法。
在涨断加工技术的早期应用中，采用了机械拉削工艺加工“V型”涨断槽，但拉刀刀片随着加工易磨损，造成涨断槽的形状、深度变化。而涨断槽的形状与深度，直接影响涨断力，从而影响涨断变形。所以采用拉削方式加工涨断槽质量不稳定。
激光刻痕是一种先进的切割技术，具有快的加热和冷却速度、无刀具磨损以及窄的热影响区，可显著减少涨断力及曲轴孔涨断变形，而且激光可对涨断槽缺口根部进行淬火处理，使脆性断裂力学条件更易于实现，大幅度提高涨断质量等优点，因此近年来已逐步取代机械拉削工艺，成为涨断槽加工的主要手段。
1.4主要工艺流程
以中国重汽集团WD615系列发动机曲轴孔的加工方法为例，传统发动机曲轴孔加工步骤分为：
（1） 缸体：缸体底面粗铣 定位销孔加工 曲轴半孔粗镗 合箱销孔钻铰 底面精铣
（2） 曲轴箱：曲轴箱与缸体结合面粗铣 定位及合箱销孔加工 曲轴半孔粗镗 结合面精铣
（3） 缸体与曲轴箱合箱
（4） 曲轴孔精加工
而MC11系列发动机曲轴孔的加工方法为激光涨断加工工艺，主要步骤如下：
缸体曲轴孔粗加工 激光刻痕 曲轴孔涨断 合箱 曲轴孔精加工
WD615系列发动机为缸体、曲轴箱分体式铸造及加工，MC11系列发动机缸体曲轴箱为一体式铸造及加工。两者相比，MC11省去了曲轴箱的铸造和加工，从而大大降低了发动机的整体重量，且精确的激光刻痕及涨断力，使得精细的断裂面能够完美的组装到一起，粗糙的涨断面可产生较高的横向负载，能够大大降低主轴承孔的磨损并延长发动机使用寿命。
1.5激光涨断加工优点
（1）节省主轴承盖和轴承座结合面的加工，自然形成断裂裂口并合拢装配，获得良好的重复定位装配精度。
（2）节省曲轴箱的加工及定位销孔的加工。
2 ALFING激光涨断设备组成及加工过程分析
中国汽集团MC11系列发动机曲轴孔激光涨断设备主要由以下几部分组成（见图3）：
图3 激光涨断设备组成图
2.1工件上料及输送工位：上料工位通过光电识别系统，确认工件状态，然后由桁架机械手输送到相关工位。
2.2激光刻痕：首先是激光打二维码，确保机体与曲轴下瓦盖一一对应，然后为激光刻槽，以曲轴孔为中心（见图4），水平对称刻痕，形成断裂源。
图4 激光刻槽示意图
2.3曲轴孔涨断：机械手在工装上放下缸体，工装夹紧，缸体朝涨断棒移动，曲轴孔套上涨断头部的分离块，大固定抓手在与涨断棒垂直方向上抓紧分离块，两个液压控制的顶杆顶住曲轴螺栓孔，然后大液压缸推动涨断芯棒顶分离块，从而顶裂曲轴孔，来实现涨断。（涨断棒示意图见图5，涨断机构图见图6。）
图5 涨断棒示意图
图6 涨断机构图
2.4瓦盖合箱工位：根据二维码识别系统，将机体与瓦盖一一精密对合，并利用14轴ATLAS拧紧机分三次进行拧紧力矩和转角工艺加工，最终完成合箱工作。
3 激光刻痕注意事项
激光装置里的激光谐振器产出的激光束经导光系统中镜片反射、聚集后，成为功率密度极高的光束通过光纤电缆，光线电缆连接喷嘴，激光经过聚集照在需要刻痕的部位。金属开始融化蒸发，形成涨断槽。 激光头的喷嘴和工件的距离通常调整为1±0.05mm。通过调节激光的聚焦点、脉冲波长和功率来控制涨断槽的深度及宽度。本机需保证刻痕深度在0.8-1mm，刻痕间隔≤0.15mm，这样可以在保证合适涨断力的同时确保后续精加工的余量（激光刻痕断面图见图7，激光刻痕微观图见图8）。操作者应定期检查刻痕槽的深度和刻痕间隔，否则将影响涨断质量并加速涨断棒的磨损。
图7激光刻痕断面图 图8 激光刻痕微观图
由于所用激光的强度等级为4级，是不可见光，容易灼伤皮肤和眼睛，在调整激光装置时应注意安全，必须佩带防护眼镜、穿白色工作服，以减少漫反射的影响。
4 激光涨断常见质量问题及解决措施
缸体曲轴孔激光涨断常见质量问题有涨断面掉渣、涨断面高低点超差、合箱错位及夹屑等，解决措施如下：
（1） 控制缸体铸造毛坯质量；
（2） 调整激光刻痕的深度和间隔，并保证连续性；
（3） 及时更换磨损的涨断棒上的分离块；
（4） 激光刻痕及涨断时，确保吸尘器或压缩空气的效果，保证刻痕涨断面清洁无铁屑；
（5） 及时调整工装夹具的精度。
5 结语
发动机缸体曲轴孔激光涨断技术是随着汽车工业发展而产生的一种新型加工工艺。在经济发展全球化背景下，采用激光涨断加工工艺，与传统常规加工工艺相比，具有加工工序少、生产效率高、设备投资小、制造成本低、产品质量好、装配质量高、承载能力强等诸多优点。作为国内率先采用激光涨断加工新技术的发动机缸体生产线，要加快新技术的应用和研究，为其他剖分类零件应用涨断加工技术提供理论基础，进一步增强我国发动机工业的国际市场竞争力。
参考文献：
【1】 LOISOS G，MOSES A J.Effer of mechanical and Nd：YAG laser cutting on magnetic flux distribution near the cut edge of non-oriented steels【J】.Journal of Materials Processing Technology，2005，161：151-155.
【2】 YILABS B S. Laser cutting quality assessment and thermal efficiency analysis【J】.Journal of Materials Processing Technology，2004，155-156，；2106-2115.
【3】 龔俊，芮执元，郎福元，等.激光催裂的初步研究【J】.甘肃工业大学学报，1994，20（4）：44-48.
【4】 寇淑清，杨慎华，赵勇，等.连杆断裂剖分前预置裂解槽激光加工方法及设备：中国，200410010722.1【P】.2005-01-05.