柴油機連桿鍛造工藝及數值模擬

南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 （江蘇常州 213011） 陳 勝 孫 超

內燃機車工作時，靠連桿來傳遞活塞與曲軸間的作用力，并將活塞的往復運動轉化為曲軸的旋轉運動。連桿在工作中，除承受燃燒室燃氣產生的壓力外，還要承受縱向和橫向的慣性力。因此，連桿在一個復雜的應力狀態下工作，既受交變拉壓應力又受彎曲應力，在這些交變載荷的作用下，連桿的主要損壞形式是疲勞斷裂和過量變形。工作條件要求連桿具有較高強度和抗疲勞性能，又要求具有足夠的剛性和韌性。同時，作為發動機重要的運動部件，還要求有很高的重量精度。

圖1為ND5主連桿鍛件，該連桿為不對稱復雜形狀連桿，與以往其他連桿相比，第一是大小端重量相差近7倍，第二是精鍛件，除鍛件大小端面與3個空為加工部位外，其余部位均為非加工面。

圖1 ND5鍛件

1.工藝分析

ND5主連桿外形復雜，整個鍛件頭部很大，桿身及小端相對要小得多。另外，其桿身工字形截面兩筋既窄又高，不僅成形困難，且易出模鍛缺陷，因此整個模鍛工藝要解決的關鍵問題是：對鍛造毛坯進行合理分料，形成適宜于模鍛的毛坯。保證模鍛時材料順利充滿型腔。模鍛件不出現折疊、缺肉和裂紋等缺陷。

（1）制坯 由于ND5主連桿的形狀特點，在空氣錘上設計胎模，先鍛出連桿大端形狀，再拔長桿部，鍛坯見圖2所示。

圖2 ND5主連桿鍛坯

（2）預鍛型腔 如圖3所示，ND5主連桿設計時終鍛型腔拔模斜度為5°，預鍛型腔為7°，預鍛型腔圓角半徑比終鍛型腔加大2～4mm，這樣不僅有利于金屬流動，為更好地充滿型腔提供有利條件，而且還可避免因模具制造問題產生的折疊，同時因ND5主連桿工字形截面尺寸h<2b，所以要求連接和過渡部分均為大圓角，總體形狀過渡自然，形狀力求簡單，并根據截面相等原則即預鍛型腔截面積等于終鍛型腔截面積計算預鍛件圖。

圖3 連桿預鍛、終鍛工字形截面

ND5主連桿鍛造連皮設計預鍛型腔采用斜底連皮，終鍛型腔中采用帶倉連皮，終鍛成形時，內孔中多余的金屬不是全部向外排出，而是擠入連皮倉部，這樣可避免在孔底部產生折疊，同時帶倉連皮易于沖孔，鍛件變形小。

根據既有的鍛造工藝條件，決定采用空氣錘出坯、螺旋壓力機開式精鍛成形，模鍛噸位經驗公式為

式中 K——系數，ND5主連桿屬熱鍛，取80kN/cm2；

S——鍛件總變形面積，2730cm2；

q——變形系數，連桿變形程度取1.3。

計算所得ND5主連桿模鍛噸位為168MN，選用180MN電動螺旋壓力機，配1t空氣錘出坯。

2.數值模擬分析

數值模擬分析采用DEFORM-3D軟件對連桿成形中的預鍛和終鍛兩道工序來進行模擬研究，DEFORM-3D軟件是一套基于工藝模擬系統的有限元系統，采用剛粘塑性有限元法，模擬用幾何模型由Ptc/creo軟件完成三維造型，以STL文件格式導入模擬軟件，在有限元建模時，坯料視為塑性體，劃分280 000個四面體單元，模具為剛性體，不產生變形。始鍛溫度為1150℃，模具溫度200℃，模具和坯料之間的接觸為常剪應力摩擦，摩擦因數為0.3，上模壓下速度為350mm/s，下模固定不動。增量計算時，預鍛行程為135mm，終鍛行程為40mm，每次增量取1.5mm。

首先將預鍛模及坯料調入DEFORM軟件，調整好模具與坯料相對位置，開始預鍛過程模擬，當預鍛上模行程達到模擬終止條件時，預鍛終止，然后用終鍛模替換預鍛模并對模具與坯料相對位置進行重新調整后開始終鍛模擬。

圖4 預鍛、終鍛時坯料各個階段情況

圖5 行程—載荷曲線

圖4 為ND5連桿預鍛、終鍛時坯料各個階段的情況，圖5為預鍛、終鍛行程——載荷曲線，模擬用坯料經過自由鍛制坯，開始預鍛時，坯料首先與預鍛模孔部分的凸臺接觸，將孔內的多余金屬擠壓往四周自由流動(見圖4、圖5中a階段)，此階段預鍛載荷上升較慢，隨著上模壓下，坯料與上下模接觸面積增大，連桿大端與模具接觸面積增加，坯料載荷開始上升加快，開始形成初始飛邊（圖4b、圖5中b階段）。隨著飛邊的形成，坯料大小端與上下模開始緊密接觸，飛邊增大，載荷急劇增大(圖4b、圖5中c階段)。在終鍛階段，壓力在開始階段上升較慢，這是預鍛件放入終鍛型腔后與模具接觸面積比較小的緣故，隨著壓下量增加，連桿與模具大面積接觸并隨著鍛件溫度下降，壓力發生一個突變，開始急劇上升(圖4、圖5中d、e階段)。從載荷分布圖看，終鍛時載荷比預鍛小了近20MN，這是由于預鍛不設飛邊槽，增加了金屬流向飛邊的阻力，造成了載荷增加。預鍛不設飛邊槽對鍛件高筋頂成形有利。

終鍛成形模擬結束后，鍛件各部分完全充滿，未出現充不滿或折疊等缺陷，同時飛邊尺寸合理，形狀比較規則，取得了預期目的。

圖6是連桿終鍛時等效應變，圖上等效應變值主要為0.238～6.79，最大值出現在飛邊與難成形的拐角部分，對設計模具型腔圓角半徑等提供了依據。

圖6 終鍛等效應變

3.結語

通過多次模擬發現，毛坯坯料形狀和預鍛型腔的設計是影響鍛件成形質量，防止出現折疊和裂紋等缺陷的關鍵。