基于自由鍛的大型連桿體胎模鍛工藝設計

文/李偉陽,康海鵬,朱保亮,李大喬·寶雞石油機械有限責任公司熱工分公司

基于自由鍛的大型連桿體胎模鍛工藝設計

文/李偉陽,康海鵬,朱保亮,李大喬·寶雞石油機械有限責任公司熱工分公司

本文針對特殊的大型連桿體，在不適合模鍛的情況下，設計出一種自由鍛結合胎模鍛的鍛造工藝，利用胎模鍛出連桿體的桿部和球形頭部，再自由鍛鍛出連桿體頭部，使整個連桿體外形接近零件，避免鍛件流線機加工時被切斷，設備和模具投入小、鍛件重量輕、機加工余量少，鍛件力學性能更優越。

背景介紹

連桿體在傳遞力的過程中，承受著很高的周期性沖擊力、慣性力和彎曲力，這就要求連桿體具有高的強度、韌性和疲勞性能。由于模鍛成形接近最終產品幾何形狀和尺寸精度，同時可以改善其組織，獲得更高的力學性能，所以在連桿體生產中占據主導地位。模鍛連桿體具有大批量、小規格的特點，對于某些大尺寸連桿體需要投入大型的模鍛設備和模具才能完成。

本文針對小批量、結構簡單、尺寸大的連桿體，設計出一種在自由鍛基礎上結合胎模鍛的鍛造工藝，可以鍛造出接近零件外形的連桿體毛坯，減少鍛件重量和機加工余量，滿足設備模具的較小投入，具有顯著的經濟效益。

零件結構和工藝性分析

圖1為連桿體零件示意圖，總長1298mm，厚度150mm，重量270kg，材料42CrMo。分析其結構：可以分為大方形頭部，圓形桿部和拍扁的球形小頭部。與傳統連桿體相比，桿部沒有工字凹槽，有利于胎模成形，大頭部重量大，結構簡單，適用于自由鍛成形，小頭外圓部為球形，可以通過球形模摔球后拍扁成形。

鍛造工藝設計

鍛造過程如下：

下料→加熱→粗拔長桿部臺階→加熱→分料模分料→桿部摔模拔長桿部→拍扁鍛方大頭部→加熱→模鍛球形小頭→拍扁球形小頭→精整→正火。

根據鍛件重量和尺寸，確定在3t電液錘上鍛造，整個鍛造過程分3火次完成，分料時由于桿部直徑相對較小（φ145mm），重量小，為了能更準確地分料，用分料模來限制金屬流動，然后桿部在桿部摔模內成形，保證了桿部的尺寸和表面質量。

大頭部重量大，約占整個鍛件的2/3左右，外形簡單，寬度大于厚度的2倍以上，根據圓形截面變扁方截面公式：φ=(2B+H）/3（其中φ為拍扁前圓鋼的直徑，B為拍扁后方坯的寬度，H為拍扁后方坯的厚度），采用自由鍛拍扁鍛方，頭部留自然圓弧成形。

圖1 連桿體零件示意圖

小頭部由球形拍扁而成，根據球體拍扁經驗公式：Sφ=b+2(D-b）/3（其中Sφ為拍扁前球體直徑，b為球體拍扁后的厚度，D為球體拍扁后的最大直徑），求得球體拍扁前的球徑，再根據體積不變原理得到摔球前圓柱形坯料的直徑和長度。

大小頭部的孔壁相對來說較薄，沖孔時容易沖偏或使鍛件變形走樣，故孔不沖出。

胎模設計

圖2、圖3、圖4分別為分料模，桿部摔模和球形摔模。

圖2 分料模

圖3 桿部摔模

圖4 球形摔模

整個鍛造過程要使用以上三件模具各一對，用分料模分料后在錘上胎模鍛完成桿部和小頭部，自由鍛大頭部。

分料模由兩個互成120°的斜面構成，上下分料模合模后的內孔高度即為粗拔長桿部臺階的直徑，根據體積不變原理確定分料模寬度。

桿部摔模內腔為橢圓形，在摔桿的過程中，要不斷的轉動鍛件，以便桿部變形均勻，橢圓形內腔易于鍛件轉動，利于金屬變形流動，不夾料，不會產生折疊，摔模兩端有R50mm的大圓弧倒角，以便桿部和兩頭自然過渡。

球形摔模在球頭頂部開有溢流孔，其作用在于摔球過程中便于金屬向摔模后部流動，減小變形阻力，防止坯料咬死，使金屬更好的充滿球形模型腔。

發現的問題和工藝改進方向

根據現場生產反饋，在圓形坯料拍扁鍛方時，坯料的變形方向主要集中在圓形坯料的中間部分，變形的不均勻會使拍扁后的坯料中間寬度大于兩頭，有時甚至使兩頭達不到工藝尺寸要求，所以按圓截面變扁方截面公式時，應在計算得出的直徑數據上加放20～30mm左右為宜，也要注意在拍扁鍛方過程中盡量使中間和兩頭變形均勻。

現場生產中發現，頭部在摔球模內摔球時，球體后部金屬流動阻力非常大，有時金屬難以從溢流孔中擠出，甚至形成嚴重的折疊、夾層。所以在摔球模內摔球前，用氧氣乙炔將柱形坯料的一頭環切去一部分，使坯料頭部形成錐形，這樣有利于金屬在模具內流動，并從溢流孔流出，更好的充滿型腔。

結論

本文詳細介紹了自由鍛的大型連桿體胎模鍛工藝設計，得出以下幾個結論：

⑴這種基于自由鍛基礎上的胎模鍛大型連桿體工藝，可以鍛造出符合設計圖紙要求的連桿體鍛件，如圖5、圖6所示。

圖5 實體鍛件

圖6 實體零件

⑵連桿體鍛件內部流線符合鍛件外形，力學性能優越，機加工余量較自由鍛小，鍛件重量輕。

⑶該工藝設備和模具投入小，模具簡單，易操作和維護，經濟效益好。