連桿模鍛生產(chǎn)中幾個關(guān)鍵點的分析與解決方法

文/夏巨諶·華中科技大學(xué)

連桿模鍛生產(chǎn)中幾個關(guān)鍵點的分析與解決方法

文/夏巨諶·華中科技大學(xué)

連桿的質(zhì)量要求及控制方法

連桿的技術(shù)質(zhì)量要求

連桿是汽油發(fā)動機(jī)和柴油發(fā)動機(jī)上極為關(guān)鍵的零部件，品種繁多，數(shù)量需求巨大。其中汽車發(fā)動機(jī)需求量最多，我國2013年汽車產(chǎn)量近2200萬輛，按平均每臺發(fā)動機(jī)6個連桿計算，需要連桿13200萬件，加上維修市場和出口則需求量更大。

發(fā)動機(jī)是汽車的心臟，而連桿作為發(fā)動機(jī)的核心受力部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計已非常成熟。如圖1所示，連桿的小頭通過活塞銷與活塞連接，大頭與曲軸的軸頸連接，大、小頭尺寸取決于承壓面積。連桿的工作溫度為90～100℃，運轉(zhuǎn)速度為3000～5000r/min。為保證連桿鍛件順利進(jìn)入自動化精密機(jī)加工生產(chǎn)線和加工后的成品零件在發(fā)動機(jī)中的裝配精度，同時，為了保持高速運轉(zhuǎn)時其能承受頻率極高的拉壓交變應(yīng)力，使曲軸始終處于平衡狀態(tài)，要求連桿鍛件具有高的強(qiáng)度和抗疲勞壽命。

常見的連桿鍛件圖如圖2、3所示，連桿鍛件在滿足圖紙尺寸精度的前提下還應(yīng)滿足如下技術(shù)和質(zhì)量要求：

圖1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的組成

⑴未注模鍛斜度在3°～5°之間，未注圓角半徑R在2～5mm之間。

⑵非加工表面應(yīng)光潔，不允許有裂紋、折疊、結(jié)疤、氧化皮（深度>1mm的凹坑）等缺陷。

⑶分模面殘留飛邊寬度≤0.8mm。

圖2 692Q發(fā)動機(jī)連桿鍛件圖

圖3 連桿整體鍛件圖

⑷縱剖面金屬纖維方向應(yīng)沿中心線方向并與外形相符，不得有紊亂和間斷，不允許有氣孔、裂紋、折疊和非金屬夾雜物等缺陷。

⑸調(diào)質(zhì)處理硬度在220～270HB之間。

⑹應(yīng)對鍛件作探傷檢查。

⑺鍛件上的缺陷不允許補(bǔ)焊。

⑻每批鍛件的質(zhì)量偏差≤3%。

控制方法

為滿足連桿鍛件的技術(shù)與質(zhì)量要求，可采用如下控制方法。

⑴采用精密模鍛工藝生產(chǎn)。

目前，較為典型的連桿精密模鍛工藝流程為，下料→剝皮→中頻感應(yīng)加熱→輥鍛或楔橫軋制坯→壓扁+預(yù)鍛+終鍛→沖孔、切邊、熱校正→調(diào)質(zhì)或非調(diào)質(zhì)鋼可控冷卻→拋丸清理→磁粉探傷→外觀檢驗→冷精壓→直線度檢查。

⑵采用精密模鍛工藝流程時的注意事項。

①應(yīng)配置全自動化生產(chǎn)線。若采用人工操作，不僅生產(chǎn)節(jié)拍慢，而且因節(jié)拍不均勻?qū)е鹿に嚥僮鞯囊恢滦圆睿罱K影響連桿鍛件質(zhì)量的一致性，對于質(zhì)量偏差小的轎車連桿影響更為明顯。

②應(yīng)在中頻感應(yīng)加熱爐出口位置安裝料溫檢測儀器對料溫進(jìn)行嚴(yán)格檢查，確保料溫在給定的溫度規(guī)范內(nèi)，凡不符合溫度規(guī)范的應(yīng)自動分選。

③制坯與模鍛設(shè)備應(yīng)選用數(shù)控壓力機(jī)，這是配置自動化生產(chǎn)線的關(guān)鍵。

④切邊模具上應(yīng)設(shè)計有壓緊裝置，最好采用氮氣彈簧作為壓緊力，切邊時可先將鍛件壓住定位然后切邊，這樣可確保鍛件的變形量比較小。

連桿制坯工藝的優(yōu)化選擇

傳統(tǒng)的連桿模鍛工藝是模鍛錘上拔長+輥擠制坯、預(yù)鍛與終鍛四工步成形，拔長是使加熱好的坯料對應(yīng)于連桿桿部及小頭部位的橫截面減小而長度伸長至略大于連桿終鍛件的長度；而輥擠則是保持長度基本不變，使桿部金屬進(jìn)一步流向大頭和小頭，實現(xiàn)頭部聚料并使桿部到頭部圓滑過渡。這種制坯工藝，主要取決于操作工的經(jīng)驗和水平，因此，所制毛坯的幾何形狀和尺寸精確度粗糙。

圖4 輥鍛工作過程及原理

圖5 連桿輥鍛熱毛坯圖

自從輥鍛和楔橫軋用于連桿制坯成形以來，連桿制坯便不斷地向著精密和高效的方向發(fā)展。下面分別講述兩種制坯工藝的成形原理、特點及各自的適用范圍，以此為基礎(chǔ)就可獲得連桿制坯工藝的優(yōu)化選擇。

輥鍛成形原理、特點及應(yīng)用

輥鍛是由軋制工藝發(fā)展起來的一種鍛造工藝，其原理及工作過程，如圖4所示。其變形原理是毛坯斷面減小軸向伸長，其變形實質(zhì)是毛坯局部變形連續(xù)進(jìn)行。

輥鍛與錘上模鍛制坯相比，具有如下特點：

⑴生產(chǎn)效率高。已有資料統(tǒng)計，它的生產(chǎn)率為錘上模鍛的5～10倍。

⑵節(jié)約金屬材料。采用多型槽輥鍛成形，坯料的金屬材料消耗量比錘上多型槽模鍛降低6%～10%。

⑶無沖擊和振動，勞動條件好，易于實現(xiàn)機(jī)械化、自動化。

⑷設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便，對廠房基礎(chǔ)要求低。

⑸模具費用低。可用球墨鑄鐵或冷硬鑄件采用鑄造方法成形輥鍛扇形模塊，然后精密機(jī)加工達(dá)到技術(shù)要求，材料與加工成本低。

輥鍛可為長軸類鍛件模鍛制坯，也可為某些鍛件實現(xiàn)終成形、初成形與局部成形。作為制坯應(yīng)用的典型實例：某型發(fā)動機(jī)連桿鍛件，選用50mm×50mm的方坯經(jīng)四道次輥鍛得到熱態(tài)連桿

圖6 前三道工步圖

圖7 楔橫軋原理圖

1—楔形模軋輥 2—毛坯 3—導(dǎo)板鍛件毛坯，如圖5所示。對圖中所示的Ⅱ和Ⅳ區(qū)段，分別采用橢圓→方→橢圓→方和橢圓→圓的型槽系完成，前三道次工步圖如圖6所示，第四道次所得終輥毛坯即為圖5所示毛坯圖的Ⅱ區(qū)。

楔橫軋工作原理、特點和應(yīng)用

楔橫軋工作原理如圖7所示，兩個帶楔形模的軋輥以相同的方向旋轉(zhuǎn)，帶動圓棒毛坯旋轉(zhuǎn)，毛坯在楔形孔型的作用下被軋制成各種階梯軸件。其變形主要是徑向壓縮和軸向伸長。

楔橫軋與普通模鍛相比，具有如下特點：

⑴成形力小。因為是連續(xù)局部成形，其成形力只有普通模鍛的幾分之一至幾十分之一。

⑵設(shè)備重量輕、體積小及投資省。

⑶生產(chǎn)效率高。一般高出幾倍到幾十倍。

⑷產(chǎn)品精度高。尺寸精度高，表面粗糙度較低，具有顯著的節(jié)材效果。

⑸工作環(huán)境好。沖擊與噪聲小，工人工作環(huán)境顯著改善。

⑹易于實現(xiàn)機(jī)械化和自動化生產(chǎn)。

楔橫軋適合于階梯軸類件的生產(chǎn)，尤其在汽車變速器軸類件生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。近10年來又推廣應(yīng)用到連桿的制坯，將楔橫軋機(jī)與程控液壓模鍛錘和高能螺旋壓力機(jī)或電動螺旋壓力機(jī)組成自動化生產(chǎn)線。

圖8 楔橫軋模具的區(qū)段圖

圖9 楔橫軋模具的展寬圖

連桿制坯工藝的優(yōu)化選擇

其優(yōu)化選擇方法是通過比較輥鍛與楔橫軋各自的成形特點、應(yīng)力狀態(tài)及工藝約束條件來獲得。

輥鍛時在一個道次中任何輥鍛變形的瞬間，工件在垂直方向受上、下輥鍛模的作用產(chǎn)生壓縮變形而橫向展寬，其應(yīng)力狀態(tài)是垂直方向為壓應(yīng)力，而橫向上是拉應(yīng)力，這種應(yīng)力狀態(tài)在每一個截面上相同，不存在應(yīng)力交變問題。因受壓縮比類似于鐓粗規(guī)則的限制，對桿部與頭部截面積差別大的連桿需要多個輥鍛工步才能成形出所需毛坯。

在輥鍛生產(chǎn)過程中需要遵循壓縮比來確定輥鍛工步數(shù)，才能得到合格的輥鍛毛坯。其應(yīng)用范圍寬，尤其大中型長軸類鍛件，如汽車前軸、大馬力柴油發(fā)動機(jī)連桿等的輥鍛成形，是包括楔橫軋在內(nèi)的其他成形工藝難于實現(xiàn)的。

楔橫軋成形原理可通過圖8和圖9來說明。以中間細(xì)兩頭粗的對稱軸為例，其模具由楔入段（A-B）、平整段（B-C）、展寬段（C-D）、精整段（D-E）和撕開剪切段（E-F）組成；每一段所軋出的工件分別如圖8中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ所示。由圖可看出，主要成形發(fā)生在展寬段，展寬段一般由兩條左右對稱的斜楔組成，斜面與底面間的角為成形角（α）；斜面的展開線與中心線OO的夾角為展開角（β）。

由成形過程及成形原理可看出，棒料毛坯在旋轉(zhuǎn)的軋輥型槽作用下，即在兩條對稱的斜面作用下實現(xiàn)徑向壓縮軸向延伸，只能在軋輥旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)成形為所需軋件。因此，其關(guān)鍵工藝參數(shù)變形程度即斷面收縮率必須限制在35%≤ψ≤75%之間。

當(dāng)ψ<35%時，塑性變形不能遍及毛坯的整個橫截面，塑性變形區(qū)分布在表層，心部為剛性區(qū)，在“拉應(yīng)力→壓應(yīng)力”交替作用下，兩個區(qū)域間會產(chǎn)生剪切裂紋且裂紋擴(kuò)大為中心空洞；當(dāng)ψ＞75%時，則因應(yīng)力值過大，加上交變作用，使軋件的表面金屬與中心部分的金屬分離。

兩種制坯工藝的綜合比較

⑴楔橫軋制坯不產(chǎn)生飛邊，一般無夾鉗料頭損耗，因此楔橫軋的材料利用率更高。

⑵楔橫軋制坯徑向尺寸和長度尺寸精度高，形狀和尺寸的一致性更好。

⑶楔橫軋一次軋制成形，生產(chǎn)效率更高。

⑷楔橫軋制坯必須嚴(yán)格控制在允許的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，而輥鍛制坯雖然在⑴、⑵、⑶方面略低于楔橫軋制坯，但它只要輥鍛的道次滿足一次壓縮量的允許范圍，工件內(nèi)部不會產(chǎn)生疏松和裂紋等缺陷，且能確保金屬流線沿連桿的軸線方向并與外形基本一致。

因此，兩種制坯工藝的適用范圍：楔橫軋可在連桿桿部斷面縮減率滿足35%≤ψ≤75%的范圍內(nèi)選用，一般適用于一些中小型連桿的制坯。輥鍛可用于所有連桿的制坯，目前，一些大中型連桿只能采用輥鍛制坯，特別是頭部與桿部截面積差別大的和采用方鋼為毛坯的連桿只能采用輥鍛制坯。

圖10 摩擦壓力機(jī)力—能關(guān)系曲線及能量分配圖

圖11 三種螺旋壓力機(jī)的滑塊導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

螺旋壓力機(jī)的選擇與應(yīng)用

螺旋壓力機(jī)是我國鍛造行業(yè)中應(yīng)用數(shù)量最多、應(yīng)用面最廣的一種模鍛設(shè)備，據(jù)粗略估計，我國擁有摩擦壓力機(jī)1200～1300臺，各種型號的電動螺旋壓力機(jī)不少于800臺，離合器式（高能）螺旋壓力機(jī)及其他形式的螺旋壓力機(jī)350～400臺，共計約2500余臺，而且還有繼續(xù)增多的趨勢。

螺旋壓力機(jī)的噸位選擇

由圖10及相應(yīng)的分析可知：鍛件的變形量越小，打擊時的作用力越大，而打擊時所需的變形力越大，鍛件所吸收的能量反而越小，這時大部分能量消耗于模具和機(jī)身的彈性變形，增加了模具和設(shè)備的磨損，并產(chǎn)生大的噪聲；當(dāng)變形量為0時，其打擊能全部被機(jī)身和零件的彈性變形所吸收，此時作用力達(dá)到最大值，稱為冷擊力。所以，螺旋壓力機(jī)兼有錘與機(jī)械壓力機(jī)兩者的優(yōu)點，對于變形量較大的鐓粗、擠壓等工序可提供大的變形能量；對于變形量小的精壓等工序則可提供大的工作壓力。

基于以上分析，可以得出螺旋壓力機(jī)噸位選擇的兩條基本原則：

⑴對于水平投影面積較大而高度尺寸小乃至很薄的鍛件的開式模鍛，應(yīng)以成形力為主來選擇壓力機(jī)的噸位。

⑵對于以鐓粗、擠壓為主要變形方式的閉式模鍛，因變形量較大，應(yīng)在計算其成形力的基礎(chǔ)上，計算所需的成形能，根據(jù)成形力和能都能滿足的條件選擇壓力機(jī)的噸位。

螺旋壓力機(jī)抗偏載能力分析

為了正確使用各種類型的螺旋壓力機(jī)，有必要對其承受偏載的能力進(jìn)行分析。根據(jù)各種螺旋壓力機(jī)不同結(jié)構(gòu)特點和實際使用情況來看，對于承受偏載能力的主要影響因素是滑塊的高度L與寬度B之比K=L/B的大小和導(dǎo)向精度即滑塊與導(dǎo)軌的間隙δ的大小。

摩擦壓力機(jī)系列、電動螺旋壓力機(jī)系列、滑塊采用導(dǎo)軌和圓筒組合導(dǎo)向的電動和離合器式螺旋壓力機(jī)系列的滑塊導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，如圖11所示。為了比較三種螺旋壓力機(jī)承受偏載的能力，假設(shè)在它們的公稱壓力、滑塊寬度、機(jī)身剛度及滑塊導(dǎo)向面與機(jī)身導(dǎo)軌之間間隙均相同的條件下，當(dāng)承受同樣的偏心載荷時，滑塊相對于導(dǎo)軌傾斜的角度r，則可以表示其承受偏載的能力，r角越大，承受偏載的能力越差。

對于摩擦壓力機(jī)，因K1值小，滑塊高度L小，滑塊導(dǎo)向面同機(jī)身導(dǎo)軌接觸長度短，因此，當(dāng)滑塊承受偏心載荷P時，其中心線相對于垂直線即相對于導(dǎo)軌的傾斜角度ra就大，表明承受偏載的能力小（圖11a）。

對于電動螺旋壓力機(jī)，因K2值越大，滑塊高度L大，滑塊導(dǎo)向面同機(jī)身導(dǎo)軌接觸長度長，因此，當(dāng)滑塊承受偏心載荷P時，其中心線相對垂直線即相對于導(dǎo)軌的傾斜角度rb就小，表明承受偏載的能力強(qiáng)（圖11b）。

對于具有導(dǎo)軌和圓筒雙重導(dǎo)向的電動螺旋壓力機(jī)和離合器式螺旋壓力機(jī)，因K3值更大，滑塊高度L更大，滑塊導(dǎo)向面的接觸長度更長，因此，承受偏載的能力更強(qiáng)（圖11c）。

不難看出，在上述假設(shè)條件下，螺旋壓力機(jī)承受偏載能力的規(guī)律是，當(dāng)K1< K2< K3時，ra>rb>rc，即隨著K值的增加，承受偏載的能力不斷增強(qiáng)。

但隨著K值的增大，滑塊導(dǎo)向面同導(dǎo)軌的接觸長度隨之增長，則其相對間隙值大為減小，這必然使制造和安裝調(diào)試成本增加。因此，在選用螺旋壓力機(jī)時，除了遵循上述規(guī)律外，還應(yīng)在鍛模設(shè)計時使模膛的布置與壓力機(jī)承受偏載的能力相符。

螺旋壓力機(jī)上多模膛設(shè)計

多模膛位置設(shè)計主要是指模膛位置的合理布置。

圖12 摩擦壓力機(jī)上預(yù)鍛與終鍛模膛的布置

圖13 鍛造力與螺桿直徑及滑塊尺寸的關(guān)系

⑴摩擦壓力機(jī)上多模膛布置。

由于摩擦壓力機(jī)承受偏載的能力差，故一般只采用單模膛模鍛，當(dāng)需要采用預(yù)鍛和終鍛兩個模膛模鍛時，其經(jīng)驗設(shè)計方法是,兩個模膛分布在螺桿中心線的兩邊，兩個模膛中心線間的距離為a/b≤1/2，且a+b≤D/2，如圖12所示。

⑵電動螺旋壓力機(jī)和離合器式螺旋壓力機(jī)上多模膛布置。

圖14 三工位鍛模

圖15 連桿鍛件

電動螺旋壓力機(jī)和離合器式螺旋壓力機(jī)承受偏載能力大為提高，但必須注意只有中心打擊時才能采用公稱壓力的1.6倍。而在偏離螺桿中心線時，其打擊力應(yīng)相應(yīng)減小。圖13所示是鍛造力同螺桿直徑與滑塊尺寸的關(guān)系曲線，它根據(jù)相關(guān)廠家生產(chǎn)實踐及我國引進(jìn)國外大型螺旋壓力機(jī)時，供應(yīng)商提供類似資料綜合繪制，可供多模膛模鍛進(jìn)行模具設(shè)計時參考。多模膛布置可采取如下兩種方式：

①將壓扁、彎曲和預(yù)鍛等成形力小和較小的模膛布置在螺桿中心線的兩旁，成形力大的終鍛模膛中心線與螺桿中心線重合或偏離很小，例如，連桿和具有彎曲線和復(fù)雜橫截面的長軸類鍛件可采用這種方式來布置。

②基于預(yù)鍛和終鍛工步變形量相等或接近，所需成形力與能相等或接近的工藝設(shè)計，可將鐓粗、預(yù)鍛和終鍛模膛沿螺桿直徑自左至右均勻分布，這種方式適合于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的盤狀齒輪和餅盤類鍛件的開式和閉式模鍛。

圖14為華中科技大學(xué)同廣東四會實力連桿有限公司共同開發(fā)安裝在J58-1000電動螺旋壓力機(jī)（武漢新威奇制造）上的壓扁、預(yù)鍛和終鍛三工位模具。圖15為其所生產(chǎn)的連桿鍛件。

連桿模鍛工藝的新進(jìn)展

⑴連桿在錘上模鍛時由無飛邊預(yù)鍛改為帶楔形飛邊預(yù)鍛。即在預(yù)鍛模膛上沿分模面設(shè)計成楔形飛邊槽，這種飛邊槽結(jié)構(gòu)有助于預(yù)鍛連桿模膛的縱向充滿，使終鍛模膛更加易于充滿，減輕終鍛模的負(fù)荷，有利于提高終鍛模膛的使用壽命。

⑵切邊、沖孔、整形復(fù)合。對于質(zhì)量為70kg的大型連桿，減少了大小孔的機(jī)加工序，減少了鍛件變形，提高了鍛件尺寸精度和生產(chǎn)效率。

⑶采用肘桿式機(jī)械壓力機(jī)對已切邊沖孔的連桿鍛件進(jìn)行半閉式精壓并再一次精密修邊。對于質(zhì)量偏差≤2%的高檔轎車連桿，可在切邊、沖孔后，采用剛性好的肘桿式機(jī)械壓力機(jī)及高剛度精密精整模進(jìn)行半閉式冷精壓，然后采用精密切邊模具進(jìn)行修邊，質(zhì)量偏差≤2%，尺寸精度高，外觀質(zhì)量好。

⑷小型鋁合金連桿閉式模鍛。對于小型鋁合金連桿的連桿體可采用可分凹模閉式模鍛，連桿蓋可采用整體凹模閉式模鍛。可分凹模的工作部分由上凹模、下凹模和水平擠壓凸模所組成。模鍛時，將加熱好的連桿毛坯放入下凹模，上凹模隨壓力機(jī)滑塊下行，使毛坯產(chǎn)生壓縮變形，當(dāng)上、下凹模閉合時，連桿的桿部和小頭已成形結(jié)束。然后，水平凸模向前移動對連桿的叉形頭部閉式反擠成形。成形結(jié)束后，首先擠壓凸模從鍛件與凹模中退出，然后上凹模向上回程與下凹模張開，取出鍛件，一個工作循環(huán)結(jié)束。連桿蓋整體凹模閉式模鍛如同常規(guī)閉式模鍛，不再贅述。

鋁合金連桿閉式模鍛同開式模鍛比較其優(yōu)點有：鍛件無飛邊，可提高材料利用率30%～35%；確保金屬流線與鍛件輪廊一致，加上無飛邊，不存在因切邊而切斷金屬流線的問題，可顯著提高產(chǎn)品的力學(xué)性能；閉式模鍛是在強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài)下成形，可顯著提高高強(qiáng)度鋁合金的成形性能；不需預(yù)鍛和切邊、沖孔工序，可提高生產(chǎn)效率。