壓縮機連桿體自由鍛工藝研究

文／陳孝慶，唐甲浪，王金鵬，關朕，楊永強·寶雞石油機械有限責任公司

連桿體作為壓縮機的主要傳動部件連接著曲軸與活塞，在氣缸內沿著活塞缸中心平面做往復運動，承受交變載荷和沖擊力，主要失效形式是磨損、斷裂、腐蝕、過載、疲勞失效等，其機械性能對壓縮機運轉穩定性具有重要作用。連桿體零件形狀較為復雜，鍛造工序較多，鍛造難度較大，制定合理的鍛造工藝保證連桿體鍛件內外部質量是本文研究的重點。

初步工藝方案

圖1所示的連桿體零件形狀較為復雜，大頭部分為方形、中間桿部為圓錐形、小頭部分為扁球形。鍛件成形困難點主要在桿部和小頭部分，在自由鍛錘上生產，可采用胎模鍛工藝。根據零件圖先設計鍛件圖，大頭鍛制成方形，桿部鍛成帶錐度的柱形，小頭部分先鍛成球形，再拍扁成形。此方案工序較多，工藝較為復雜，需使用工裝模具生產。

采用胎模鍛造，設計鍛件圖時充分考慮零件固有的形狀，以保證零件流線、節約材料和方便鍛造為原則，設計鍛件圖如圖2所示。

圖1 連桿體零件示意圖

圖2 胎模鍛鍛件圖

采用此工藝方案生產，下料重量600kg。材料規格根據產品結構來確定，連桿體最大截面在大頭方形部分，要根據截面變化計算材料規格。采用圓鋼鍛造，圓鋼由圓變扁方時，參照經驗公式D=(2B+H)/3計算材料規格，式中D為原材料規格，B為扁方寬度，H為扁方厚度，從圖2看出B=470mm，H=175mm。計算出材料規格D=372mm，結合公司現有圓鋼規格情況，選用φ400mm圓鋼鍛制。

球頭部分需用模具鍛成球形后拍扁成形，桿部可使用錐度摔子摔成形。設計鍛制球頭部分的球形模具首先要計算出球形的半徑。根據塑性變形體積不變原則，通過球頭部分的質量，計算出球形體積為2.94×106mm3，進一步算出球形半徑為140mm，并設計所需模具工裝，如圖3所示。

胎模鍛鍛造工藝流程為：加熱→拔長→分料→加熱→摔球頭→摔桿部→球頭拍扁→加熱→扁方→加熱→整形調直，詳見表1。

試制試驗

胎模鍛生產過程，需先用型錘面將φ400mm圓鋼拔長到φ280mm，鍛后易在端面產生凹心缺陷，如圖4(a)所示。如果不去除，在摔制球頭過程中，坯料表面金屬相比心部在模具里流動較大，表面金屬會將心部凹坑包裹從而產生折疊，如圖4(b)所示。

改料過程中端面出現凹心缺陷后，一定要先去除，再摔制球頭，可將頭部用氧氣熱切割成凸形，如圖5所示。在分料過程中需要保證分出的料重量不能小于球頭部分重量，否則會因為料不夠造成球頭在模膛里充填不滿。

鍛造球頭后鍛方，由于連桿體大頭方塊部分重量占比較大，在鍛方過程中易造成桿部彎曲，給后續調直造成很大困難。在改料過程中，如果分料有誤差，會造成小頭和桿部占料偏小，球頭所需重量不變，在摔制桿部時，桿部達不到工藝長度，容易造成鍛件總長不夠。

工藝方案優化

方案制定

圖3 模具工裝示意圖

圖4 試制過程缺陷產生情況

圖5 去除缺陷后鍛造過程

表1 胎模鍛工藝過程

經初步方案的試制和試驗，發現該方案拔長工序容易造成凹心缺陷，需氧氣切割，桿部摔制難度大且鍛造過程需更換錘面。為解決上述問題，我們提出先鍛方后鍛球頭的工藝方案，具體流程為：加熱→鍛方→壓痕→拔長→分料→加熱→摔球頭→摔桿部→球頭拍扁→加熱→整形調直，詳見表2，并采用仿真模擬與試制試驗相結合的方法，對優化方案進行驗證。

仿真試驗

基于DeForm軟件，對連桿體整個鍛造工藝過程進行了仿真模擬，過程如圖6所示，從圖中可以看出，該工藝方案成形效果良好。

表2 優化后胎模鍛工藝過程

圖6 連桿體成形過程應變分布云圖

試制試驗

采用該方案進行試制試驗，試制過程如圖7所示，鍛件成形效果良好。此方案在鍛方過程兩端均帶圓弧，可以避免端面產生凹心缺陷，省去氧氣切割工序，避免材料浪費，單件鍛件可減少80kg原材料。整個鍛造過程不需更換錘面，生產效率有效提高，而且方塊圓弧部分形狀在摔制球頭時更有利于球頭的成形。后續鍛造球頭和桿部時，由于球頭和桿部重量較輕不易產生彎曲等現象，桿部外圓和長度尺寸控制更靈活，總長度尺寸更容易掌控。

圖7 優化方案試制過程

結論

綜上所述，連桿體胎模鍛造工藝，兩種工藝方案均可行，但選用先鍛方后鍛球相比先鍛球后鍛方，具有以下優點：⑴減少氧氣切割工序，提高生產效率，節約原材料；⑵不需更換錘面，降低勞動強度；⑶鍛件尺寸更易控制。優化后方案更可行。