摘要：随着我国民族工业和现代运输业的发展，社会各界对道路运输车辆的需求量与日俱增，我国以潍柴、重汽为代表的国有柴油机公司正在努力打破柴油机关键零部件长期由欧美等国垄断的局面，积极开发的柴油机零部件制造工艺，其中车用高速柴油机的连杆喷丸强化工艺，是提升连杆强度的重要工艺手段。本文通过对柴油机连杆零件强化需求分析，对小孔喷丸工艺进行介绍分析，并以潍柴某型柴油机连杆为例，对采用小孔喷丸工艺前后连杆的强度进行测定，验证小孔喷丸技术的有消息。
关键词：机械工程；柴油机制造；喷丸工艺；工艺分析
1 引言
柴油机制造水平直接关系到我国运输行业的长远发展，从以往的柴油机行业竞争情况看来，我国主力柴油机机型的制造工作长期以来掌握在美国、德国手中，造成我国长期受到战略压制，2015年后，以潍柴、重汽为首的国有柴油机集团为了打破重要车用柴油机的国外垄断局面，积极开展柴油机关键零部件的研发与制造工作，其中具有代表性的工艺为车用柴油机连杆喷丸强化工艺。由于车用柴油机连杆需要承受较大的扭矩，且长期处于交变应力作用，极易导致疲劳破坏，因此需要对连杆表面进行强化，在喷丸强化中，高速弹丸在压缩空气的作用下，对零件表面进行冲击，使冲击位置产生塑性变形，形成表面强化层，在强化层位置实现了一定的残余应力积累，使材料组织密度增大，从而提升材料抗疲劳能力。经过喷丸后的连杆，强度、抗氧化性等均得到了较大的提升。
2 车用柴油机连杆零件强化需求分析
车用柴油机被称为商用车的“心脏”，其中连杆更是柴油机的核心部件，车用柴油机的转速一般高达1800r/min-2400r/min，因此连杆常常在一分钟内受到上千次的载荷冲击，为了确保柴油机的耐久性能，连杆具有较高的强化需求。
2.1 表面缺陷的处理
考虑到成本和生产效率，目前我国生产的柴油机连杆部件多为铸造件，虽大部分连杆采用了高压铸造工艺，但依旧无法完全避免表面缺陷的产生，造成的表面缺陷主要有毛刺、细小裂纹、气泡等，这些表面缺陷会直接导致在连杆运动过程中出现应力集中的现象，在应力集中处更易发生疲劳断裂，严重影响了连杆的使用寿命和使用可靠性。因此在柴油机连杆零件强化过程中，首先需要关注的是表面缺陷的处理工作，由于连杆部件需要保持一定的加工精度，因此表面缺陷的处理需要一次到位，以避免零部件报废。
2.2 材料粗糙度优化
车用柴油机的连杆长期与油底壳中的机油接触，相关研究结果表明，连杆的表面粗糙度直接影响了曲柄-连杆机构的搅油效率，为了应对未来更高的油耗法规，优化连杆表面粗糙度成为降低柴油机油耗的重要措施之一。由于柴油机连杆表面结构复杂，难以通过传统的机床加工手段对表面进行抛光，若采用打磨抛光，则会大幅增加制造成本，因此在连杆材料粗糙度处理方面，需要一种价格相对便宜，且能对零件表面进行快速处理的方法。
2.3表面应力平均
目前柴油机连杆部件多采用高压铸造工艺，对于超大型柴油机有时会采用锻造工艺，这两种工艺都无法避免连杆表面应力分布不均的情况，表面应力分布不均会直接导致柴油机连杆在长期的运行过程中发生变形，从而造成零件失效，因此在连杆加工过程中，需要在热处理后，对表面应力进行调整，以保证应力平均。
3 现代车用柴油机连杆喷丸强化工艺分析
基于上文所述，现代车用高速柴油机连杆强化工作需要包含表面缺陷处理、材料粗糙度优化以及表面应力平均三个方面，喷丸工艺是当前能够一次性满足上述三个要求的工艺，这项工艺已经被大量柴油机制造企业所应用，并取得了良好的生产效益。但随着柴油机连杆部件制造的日益精密化，现有喷丸工艺已经难以应付越来越多的细节设计的连杆，部分表面漏喷、过度喷射的情况时有发生，对此，在连杆制造方面，逐步开始对小孔喷丸技术进行研究。
3.1 喷丸工艺分析
对于连杆部件而言，在轴颈处存在一些细节设计，因此常用的喷丸喷头难以伸入其中，造成漏喷现象，而因细节处相对靠内，且多为收缩结构，造成连杆部分地区出现过度喷射现象，使连杆出现变形或局部应力集中的现象发生。对于这一状况，目前常采用的手段是使用小孔喷丸工艺，这项工艺一般处理尺寸小于10mm的工件或工件小于10mm的细小部位，使用喷丸丸粒直径一般小于0.5mm，在丸粒硬度的选择上，由于小孔喷丸使用的丸粒较小，因此在单位表面积上产生的应力较大，在喷丸粒径的选择上，应当选择中等硬度的铸钢丸粒，以保证喷丸不会损坏工件。采用小孔喷丸，弹丸流向一般为散射，这种喷射方式可以减少同一区域连续接受弹丸的概率，防止过度喷射，但散射也会增大弹丸间相互碰撞的概率，因此在喷丸时，小孔喷射一般采用较高的气流-弹丸比，以抵消因弹丸互相碰撞造成的效率降低。
3.2 喷丸时间和次数对效果的影响
柴油机连杆喷丸强化的效果与喷丸的时间和次数有着紧密的关联，由于不同柴油机机型采用的连杆材质不尽相同，因此需要对喷丸工艺中的喷丸时间和次数进行确定，以达到最佳的工作效率，在喷丸工艺中，常以弧高值来表征材料强度，以潍柴某型柴油机连杆为例，对不同喷丸时间和次数下，采用小孔喷丸对零件进行处理，得出结果如下图1、2所示。
图1 喷丸次数对弧高值的影响
图2 喷丸时间对弧高值的影响
试验设置了1-9次喷丸，并检测弧高值，由试验结果可以看出，喷丸次数在1-3次时，弧高值处于一个相对较低的水平，而当喷丸次数达到4次时，弧高值明显上升，并在次数达到6次时达到相对稳定的峰值。因此折中考虑弧高值以及时间成本，可以选择喷丸次数为5-6次。由图2所示，在喷丸次数为6次的基础上，设置每次的喷丸时间为10s-80s，从图中试验结果可以看出，喷丸在30s内，弧高值没有明显的提升，而当喷丸在大于30s后，弧高值有了明显的上升，因此可以得出结论，单次喷丸时间需控制在30s以上，以确保强化效果。
3.3 小孔喷丸强化注意事项
小孔喷丸工艺是针对当前车用柴油机连杆部件精细化设计而采用的特殊强化工艺，这种工艺同时也具备一定的局限性。具体需要注意的事项如下：第一、由于丸粒较小，为避免丸粒卡入零件细小接缝处，因在喷丸前慎重选择丸粒粒径，一般粒径需大于最小缝隙约25%。第二、小径丸粒易发生变形，因此在实际操作中，应当定期对丸粒进行检测，替换不合格的丸粒。第三、小孔喷丸工艺会在零件表面形成均匀的应力集中层， 因此为了避免应力集中层被破坏，喷丸工作需在热处理后进行。
4 结论
目前随着我国商用汽车的大规模自主化生产，车用柴油机的制造工艺日益受到了柴油机生产厂商的关注，本文基于这一时代背景，对小孔喷丸工艺在车用柴油机连杆表面强化工作中的应用进行了介绍，由于柴油机连杆目前正逐步向着精细化的方向设计生产，为了对喷丸强化工艺进行探讨，本文潍柴某型柴油机连杆为例，分析了采用小孔喷丸次数和单次喷丸时间对材料强度的影响，并对小孔喷丸强化的注意事项进行了介绍。就目前工艺水平而言，小孔喷丸技术还存在诸多不足之处，在日后的工作中，还应当从工艺的生产一致性以及最优化操作方式入手，进一步对此工艺进行完善。
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论文作者:魏强飞
论文发表刊物:《电力设备》2019年第1期
论文发表时间:2019/6/21
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