某脹斷連桿鍛造工藝工裝設計及驗證

劉宗江，肖宜仰，劉慶義，齊 建，錢福梅

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊261061）

某脹斷連桿是一款用于V 型8 缸大功率柴油機，其連桿為全新設計。

根據(jù)產(chǎn)品圖樣，需要在鍛造車間熱模鍛生產(chǎn)線進行自制連桿鍛件的樣試工藝開發(fā)。按批量生產(chǎn)的要求進行樣機連桿毛坯的試制，試制成功后，根據(jù)市場需求，具備批量生產(chǎn)能力。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析及工藝方案制定

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

連桿中心距282mm，是我公司目前最大的脹斷連桿，連桿大小頭厚度不同，連桿上下不對稱（圖1）。

連桿材料選用C70S6，連桿體、蓋整體鍛造，機加工采用脹斷工藝。

1.2 設備噸位計算

設備噸位的計算是根據(jù)鍛造力P 確定的[1]，公式為：

式中：P——變形力，kN；F——包括飛邊橋在內(nèi)的鍛件投影面積，cm2，通過查詢毛坯三維質(zhì)量特性投影面積F=487.2cm2；50～70 為系數(shù)，根據(jù)材質(zhì)系數(shù)、鍛件復雜程度等因素確定。根據(jù)實踐經(jīng)驗，設備公稱壓力應比變形力大，一般選為1.18 左右的變形力為宜，經(jīng)計算，選DRF4000 熱模鍛壓力機。

圖1 某脹斷連桿總成簡圖

1.3 工藝方案

1.3.1 鍛造工藝流程

下料—加熱—輥鍛—預鍛—終鍛—切邊、沖孔、熱校正—控溫冷卻—清理—探傷—強拋—沾防銹液。

1.3.2 下料

連桿材料C70S6，選用?75 棒料試制。下料采用S-400HA 型全自動帶鋸床。

1.3.3 加熱

加熱采用KGPS-TJ1200kW/1kHz 中頻感應加熱機。

1.3.4 輥鍛

輥鍛采用ZGD-560 型自動輥鍛機，新設計制作輥鍛模一套，為四道次輥鍛，機械手夾持，輥鍛完成后將輥坯送至傳送帶，進入DRF4000 熱模鍛壓力機。

1.3.5 預鍛、終鍛、切邊、沖孔、熱校正

預、終鍛采用DRF4000 熱模鍛壓力機，新設計制作預鍛模、終鍛模各一套。切邊、沖孔、熱校正采用JC31-400D 閉式單點壓力機，新設計制作切邊、沖孔及熱校正連續(xù)模一套。

1.3.6 控溫冷卻

控溫冷卻采用專用控冷設備。

1.3.7 清理、探傷、強拋、沾防銹液

清理采用Q378E 型拋丸清理室，探傷采用熒光磁粉探傷檢測線，探傷后退磁。強拋采用轉(zhuǎn)臺拋丸強化機，強拋后沾防銹液，防止連桿毛坯表面生銹。

2 輥鍛模設計

2.1 輥鍛毛坯及工步圖設計

制坯輥鍛工藝設計首先要設計輥鍛毛坯圖。輥鍛毛坯的設計以計算毛坯的尺寸和形狀為基礎。計算毛坯是假想的具有圓形（或方形）橫截面的坯料，其形狀反映了沿鍛件長度方向金屬分布的情況。

原始毛坯的尺寸是按鍛件的最大截面選取的，該鍛件的最大截面位于連桿大頭部位。坯料大頭端部不變形，且滿足夾持用長度要求，可利用它作為輥鍛時的夾持部位。

制坯輥鍛常用的型槽系有：橢圓—方、橢圓—圓、菱—方、六角—方等[1]。橢圓—圓型槽系具有轉(zhuǎn)變平穩(wěn)、表面質(zhì)量好等優(yōu)點，因此選擇該型槽系制坯，見圖2。

圖2 橢圓- 圓型槽系

根據(jù)體積不變原理，計算出各道次輥坯縱向尺寸。根據(jù)各型槽截面尺寸和縱向尺寸，繪出輥鍛工步圖，見圖3。

圖3 輥鍛工步圖

2.2 輥鍛模設計

橢圓型槽由兩段以Rk為半徑的圓弧相交而成，圓角半徑r=（0.1～0.2）bk（bk為型槽理論寬度）。Rk、bk、hk（型槽高度）之間的關(guān)系如式（2）、（3）所示[1]：

輥鍛模間隙S 一般為2mm～4mm，本文取3mm，取型槽充滿程度δ=0.8。結(jié)合各道次輥坯尺寸，可計算出各道次型槽尺寸。

由于有前滑，型槽的長度應較毛坯的相應區(qū)段要短，各型槽區(qū)段所對應的中心角由式（4）計算得到[1]。

式中：Id——相應區(qū)段的毛坯長度尺寸；Rz——型槽作用半徑；S——前滑值。

前滑值S 在不同的區(qū)段按經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取，一般等截面的長度區(qū)段取4～6%。在過渡的楔形區(qū)段計算前滑時要看其在輥鍛時的送進方向，當坯料的薄端在前的時候，其前滑較小，可以取2～4%，當坯料厚端在前時，前滑較大，可以取6～12%。

根據(jù)計算的輥坯尺寸，分別計算出各道次每個區(qū)段的中心角，完成輥鍛模設計，見圖4，從右到左依次為第一～第四道次。

3 工藝工裝驗證

3.1 工裝驗證

驗證內(nèi)容：①工裝結(jié)構(gòu)設計是否合理、模具型腔形狀是否正確；②預、終模頂出機構(gòu)是否順暢頂出鍛件。驗證過程中出現(xiàn)的問題和解決措施如表1 所示。

圖4 輥鍛模三維模型

3.2 工藝驗證

驗證內(nèi)容：①鍛件工藝設計是否合理；②工藝參數(shù)是否合理；③鍛件毛坯結(jié)構(gòu)尺寸是否正確；④進行工藝完善、穩(wěn)定鍛件質(zhì)量。

（1）初定下料規(guī)格為?75×232mm，試料時產(chǎn)出的鍛件飛邊合適、尺寸合格。為避免后期模具磨損后飛邊尺寸過小，第二次試制時下料規(guī)格為?75×235mm。

表1 工裝驗證對策表

（2）輥鍛模試模時發(fā)現(xiàn)輥坯長度不足，測量發(fā)現(xiàn)大頭夾持部分過長，調(diào)整機械手，縮短夾持部分后問題解決。

（3）預鍛模試模時小頭端部填充不足，檢查發(fā)現(xiàn)輥坯過粗引起長度過短，分析認為是輥鍛模封閉高度偏大所致，調(diào)整封閉高度后問題解決。

（4）工藝驗證時預終鍛模塊材料為5CrNiMo，生產(chǎn)時發(fā)現(xiàn)模具飛邊橋部磨損嚴重。

（5）試料時發(fā)現(xiàn)鍛件厚度、錯移超差，調(diào)整設備封閉高度并更換偏心鍵后鍛件尺寸合格。

（6）沖孔校正時鍛件被沖頭帶起，在落料板作用下落下時磕到校正模下模凸起部位造成磕碰傷。

4 結(jié)論及建議

（1）工藝流程合理，滿足生產(chǎn)需要，鍛件經(jīng)理化性能檢驗，組織、機械性能合格。

（2）設備噸位的計算，由于連桿材質(zhì)為C70S6，強度較高、鍛件為連桿，復雜程度高，因此式（1）中的系數(shù)建議取最大值70。

（3）經(jīng)驗證，輥鍛模前滑值S 的選取，等截面區(qū)段取5%，楔形區(qū)段，當薄端在前時，取3%，當厚端在前時，取8%。

（4）為提高鍛模使用壽命，建議模塊材料使用性能更優(yōu)的4Cr2MnNiMo 進行驗證。