連桿復合型鍛造折疊缺陷分析及質量控制研究

李志廣，范玉樹，王東軍，李全平，陳 森，張建穎

（1.山西柴油機工業(yè)有限責任公司，山西大同 037036；2.山西北方機械制造有限責任公司，山西太原 030009）

1 引言

大功率柴油機連桿是用于承受復雜應力、沖擊振動、重負荷工作條件和設計質量受到限制的高時效性、高可靠性和高安全性的關鍵件[1]，如果在使用過程中發(fā)生失效或損壞，則會導致大功率柴油機發(fā)生嚴重故障。大功率柴油機連桿零件主要制造過程為：鍛造（材料加熱、制坯、預鍛、終鍛）→熱處理（正火、高溫回火、調質）→機械加工→噴丸→機械加工→探傷→裝配等，其中“鍛造（制坯、預鍛、終鍛）”過程是決定大功率柴油機連桿零件質量的關鍵制造過程[2～5]。

大功率柴油機連桿鍛造屬于特殊鍛造過程[6]，鍛造質量隱患與缺陷固有特性是明顯具有極其特殊的動態(tài)性、隱蔽性、偽裝性、因果性、遺傳性、重復性、季節(jié)性和時效性等特征[7]，鍛造質量隱患與缺陷也往往在一定使用條件下才有可能暴露出來，鍛造生產和服務提供過程的輸出質量特性值往往不能一次性通過經濟性監(jiān)視、測量或試驗予以完全驗證而使問題在鍛件使用后或服務交付后才顯現，在鍛造實踐中往往需要進行鍛造特殊過程的人員、機器設備（包括鍛模與工裝）、材料、方法、環(huán)境、測量、安全等確認以證實過程能力符合性要求[6～14]。

通過對連桿鍛造工藝過程（包括鍛模設計、鍛模使用與鍛造操作等過程）、鍛造首鍛過程、鍛造尾鍛過程和鍛造全程管理過程等進行適時化與精細化質量控制研究[1～28]，以實現連桿鍛造全過程、全覆蓋、無遺漏質量控制則具有重要意義。

2 連桿復合型鍛造折疊缺陷分析

大功率柴油機連桿在鍛造過程中有可能會產生折疊、裂紋、過燒、晶粒粗大、晶粒不均勻、金屬流線分布異常、硬度不合格等缺陷[4，15～16]，尤其是極易產生鍛造匯流折疊、表層移動折疊、回流折疊或局部壓入折疊等單一類型缺陷，但極難產生回流和匯流復合型折疊缺陷。以大功率柴油機連桿鍛造產生的極為罕見和特殊的回流和匯流復合型折疊缺陷為研究對象，通過對連桿鍛造折疊缺陷產生類型、機理、原因、條件和時段等進行分析研究，以為有效預防或減少連桿鍛造折疊缺陷提供有效的適時化與精細化解決方案，如圖1所示。

圖1 連桿鍛件鍛造折疊缺陷類型與特征示意圖

2.1 連桿鍛造折疊缺陷類型

2.1.1 鍛造折疊缺陷宏觀和微觀特征

折疊是在金屬變形流動過程中已氧化了的表層金屬匯合在一起而形成的，不僅減少了鍛件承載面積，而且在工作時缺陷處產生應力集中而極易形成疲勞源。鍛造折疊缺陷宏觀和微觀主要有以下4個基本特征：

（1）鍛造折疊缺陷外觀流線絕大多數發(fā)生彎曲為“月牙形狀和單弧線或雙弧線形狀”。根據鍛件形狀特點、原材料與坯料形狀與尺寸、成形方法、成形工序、鍛模的結構與尺寸、鍛模潤滑、鍛造操作以及鍛造折疊所在的位置、類型等不同，極少數鍛造折疊缺陷外觀流線也可能為“單直線或雙直線形狀”。

（2）鍛造折疊缺陷尾端絕大多數呈“園鈍或小圓角形狀”。根據鍛件形狀特點、原材料與坯料形狀與尺寸、成形方法、成形工序、鍛模的結構與尺寸、鍛模潤滑、鍛造操作以及鍛造折疊所在的位置、類型等不同，極少數鍛造折疊缺陷尾端也可能在折疊以前先有折皺形成的“小枝杈”或“雞爪形狀”。

（3）鍛造折疊缺陷方向與周圍金屬流線方向絕大多數相同或相近。根據鍛件形狀特點、原材料與坯料形狀與尺寸、成形方法、成形工序、鍛模的結構與尺寸、鍛模潤滑、鍛造操作以及鍛造折疊所在的位置、類型等不同，極少數鍛造折疊缺陷方向與周圍金屬流線方向也可能有逆折或倒流形狀。

（4）鍛造折疊缺陷處的金屬表面絕大多數同時存在較嚴重的氧化和脫碳現象。根據鍛件形狀特點、原材料與坯料形狀與尺寸、成形方法、成形工序、鍛模的結構與尺寸、鍛模潤滑、鍛造操作以及鍛造折疊所在的位置、類型等不同，極少數鍛造折疊缺陷處也可能只有氧化而無脫碳、或增碳現象，還有鍛件折疊缺陷殘留以后在調質熱處理，折疊尾端有可能要擴展，后擴展部分又形成了裂紋，其末端呈尖形或直線形，其表面一般既無氧化也無脫碳現象。

2.1.2 連桿鍛造折疊缺陷的類型

事實上，在連桿鍛造實踐中產生鍛造匯流折疊、表層移動折疊、回流折疊或局部壓入折疊等單一類型缺陷的幾率較大，同時產生2種以上復合型鍛造折疊缺陷的幾率較小，而既產生回流又產生匯流復合型鍛造折疊缺陷的幾率更小，如圖2所示。連桿鍛造折疊缺陷主要有以下4種類型[4,15～16]。

圖2 連桿鍛造匯流和回流復合型折疊缺陷形成過程

（1）由兩股或多股變形金屬匯流而形成的“匯流折疊缺陷”。

（2）由一股快速變形流動的金屬將附近部分的表層帶著流動兩者匯合而形成的“表層移動折疊缺陷”。

（3）由變形金屬發(fā)生彎曲回流而形成的“回流折疊缺陷”。

（4）由變形部分金屬局部被壓入另一部分金屬而形成的“局部壓入折疊缺陷”。

連桿鍛造折疊缺陷具有匯流折疊缺陷和回流折疊缺陷雙重特點，即形成以匯流折疊缺陷為主和以回流折疊缺陷為輔的極為罕見和特殊的鍛造匯流和回流復合型折疊缺陷。

2.2 連桿復合型鍛造折疊缺陷產生機理

2.2.1 連桿復合型折疊缺陷特征

根據體積不變原理和最小阻力原理，一定體積的金屬在外力作用下發(fā)生塑性變形時，變形金屬總是優(yōu)先向著阻力最小的方向移動，變形金屬在開始以2項壓應力為主逐漸向最終3項壓應力為主條件下，在上述產生折疊缺陷因素同時存在時，則勢必導致頭部金屬向桿部側向移動、桿部金屬向桿側向和部頭部側向移動而形成匯流以及由變形金屬發(fā)生彎曲回流而形成回流，最終有可能會產生由兩股或多股金屬匯流為主而形成的“匯流折疊缺陷”，也有可能會產生由變形金屬發(fā)生彎曲回流為輔而形成的“回流折疊缺陷”，甚至對接復合形成匯流和回流復合型折疊缺陷（見圖2），這也是在折疊部位有氧化與脫碳的原因，同時也是連桿桿部側面折疊處會產生極為特殊的近似于“垂直單或雙直線形”而非通常“月牙形狀和單或雙弧線形狀”的原因，柴油機連桿鍛件或其它任何類型鍛件產生鍛造產生回流和匯流復合型折疊缺陷的幾率極小，因此也更具有特殊性。

2.2.2 連桿復合型折疊缺陷產生部位與機理

因連桿在預鍛與終鍛過程中的鍛件坯料始終水平放置而未進行翻轉，在鍛造設備錘頭或上滑塊運動慣性作用下，鍛造坯料上半部分始終在鍛模上模模膛中進行“主動成形”[4，15～16]，導致鍛件上半部分金屬流動量或變形量較大，相應產生復合型鍛造折疊缺陷嚴重程度也隨之增大，如圖3所示。因此，連桿鍛件水平放置上半部分要比下半部分產生復合型鍛造折疊缺陷嚴重的最主要原因之一。

圖3 連桿復合型折疊缺陷部位產生機理示意圖

同理，因連桿在預鍛與終鍛過程中的鍛件坯料始終水平放置而未進行翻轉，鍛造坯料下半部分相對鍛造坯料上半部分而言始終在鍛模下模模膛中進行“被動成形”[4,15～16]。鍛件下半部分金屬流動量或變形量相對較小，這也是連桿鍛件水平放置下半部分產生折疊深度較淺或不產生復合型鍛造折疊缺陷的原因，即使是產生復合型鍛造折疊缺陷或其它缺陷也可能符合鍛造工藝允許的鍛件表面缺陷深度要求或符合GB/T12362《鋼質模鍛件公差及機械加工余量》規(guī)定要求[17～18]，通常在機加工過程中可輕易地去除。

2.3 連桿鍛造復合型折疊缺陷產生原因

2.3.1 連桿鍛造單一匯流折疊缺陷產生原因

因制坯形狀與尺寸不合理、制坯坯料放置在預鍛模膛上的位置不合理、預鍛模膛與終鍛模膛結構與尺寸不合理、預鍛第一錘次、第二錘次打擊變形速度不合理等原因[2～3,19～20]，在模鍛過程中，尤其是在預鍛模膛中導致形成缺陷處的金屬充滿較慢，在相鄰部分金屬均已充滿時，此處仍缺少大量的金屬而形成了較大空腔，相鄰部分的金屬向此處匯流，繼續(xù)模鍛時則發(fā)展成為鍛造單一匯流折疊缺陷。

2.3.2 連桿鍛造單一回流折疊缺陷產生原因

因制坯形狀與尺寸不合理、制坯坯料放置在預鍛模膛上的位置不合理、預鍛模膛或終鍛模膛結構與尺寸不合理、預鍛第一錘次、第二錘次打擊變形速度不合理等原因[2～3,19～20]，在模鍛過程中，尤其是在預鍛模膛中導致形成缺陷處的金屬回流而形成了較大彎曲，繼續(xù)模鍛時則發(fā)展成為鍛造單一回流缺陷。

2.4 連桿復合型鍛造折疊缺陷產生必要條件

2.4.1 連桿鍛造工藝方案

大功率柴油機連桿（材料牌號為34CrNiMo6）鍛造成形主要有以下3種不同工藝方案[2～3]：①在自由鍛制坯（或輥鍛制坯）和在30kN 模鍛錘（或其它模鍛壓力機等）上模鍛（預鍛和終鍛）的鍛造成形方式；②在自由鍛制坯（或輥鍛制坯）或在50kN 模鍛錘上拔長、滾擠制坯、最后在50kN 模鍛錘（或其它模鍛壓力機）上模鍛的鍛造成形方式；③在30kN 或50kN 模鍛錘（或其它模鍛壓力機等）上拔長、滾擠制坯和模鍛（預鍛）和在30kN 或50kN 模鍛錘（或其它模鍛壓力機等）上模鍛（終鍛）的鍛造成形方式。

本研究對象為第一種工藝方案，主要鍛造工藝過程為：下料→加熱→自由鍛制坯（或輥鍛制坯）→加熱→模鍛（預鍛和終鍛）→切邊與沖孔→熱校正→磨削→熱處理→清理→檢驗。

2.4.2 復合型鍛造折疊缺陷產生必要條件

（1）因制坯坯料形狀與尺寸不合理所導致，尤其是制坯坯料大頭部體積較大、桿部體積又較小以及頭桿過渡處圓角過小等極端不利因素所導致。

（2）因制坯坯料在預鍛模膛中放置位置不合理所導致[2～3,19～20]，尤其是將制坯坯料在預鍛模膛上的前后左右或其斜對角方向過于偏置等極端不利因素所導致（圖4 和圖5 分別是連桿制坯坯料在預鍛模膛中正確放置和偏置的示意圖）。

圖4 連桿制坯坯料在預鍛模膛中正確放置示意圖

以連桿制坯坯料在預鍛模膛中成形的打擊次數為6 錘次/件時的偏置過程為例，進一步說明連桿制坯坯料在預鍛模膛內成形時的偏置過程（見圖6），其中圖6a 為制坯坯料的在預鍛開始前的開始偏置的狀態(tài)、圖6b 為制坯坯料第1 錘次的預鍛成形狀態(tài)、圖6c為制坯坯料第2錘次的預鍛成形狀態(tài)、圖6d為制坯坯料第3 錘次的預鍛成形狀態(tài)、圖6e 為制坯坯料第4錘次的預鍛成形狀態(tài)、圖6f為制坯坯料第5錘次的預鍛成形狀態(tài)、圖6g為制坯坯料第6錘次的預鍛成形狀態(tài)。連桿制坯坯料在預鍛模膛中的前后左右或其斜對角方向偏置大小程度直接影響匯流和回流復合型鍛造折疊缺陷大小程度。

（3）因預鍛模膛形狀與尺寸不合理所導致[2～3,19～20]，尤其是預鍛模膛形狀與尺寸與制坯坯料形狀與尺寸不匹配等極端不利因素所導致。

（4）因預鍛模膛與終鍛模膛匹配結構不合理所導致[2～3,19～20]，尤其是預鍛模膛（含預鍛飛邊槽）結構與終鍛模膛（含終鍛飛邊槽）結構不匹配等極端不利因素所導致。

（5）因預鍛成形打擊力或變形速度不合理所導致，尤其是在預鍛成形時未按“先輕后重”或“先慢后快”的合理打擊順序而按“先重后輕”或“先快后慢”的打擊順序進行操作等極端不利因素所導致。

（6）因鍛模導向功能失效所導致[22～24]，尤其是鍛模上模與下模前后或左右錯移過大等極端不利因素所導致。

在連桿鍛造過程中，只有當以上6 種極端不利因素同時存在時，才有可產生以匯流折疊缺陷為主和以回流折疊缺陷為輔的極為特殊和罕見的匯流和回流復合型鍛造折疊缺陷。

2.5 連桿復合型鍛造折疊缺陷產生時段

2.5.1 在鍛造工藝過程時段有可能產生復合型折疊缺陷

在“下料→加熱→自由鍛制坯（或輥鍛制坯）→加熱→模鍛（預鍛和終鍛）→切邊與沖孔→熱校正→磨削→熱處理→清理→檢驗”鍛造工藝過程中，其中只有“制坯”、“預鍛”和“終鍛”3 個鍛造工序時段是產生鍛造折疊、裂紋、夾雜、結疤、凹坑、碰傷、壓傷、模鍛不足、未充滿、錯移量超差、飛邊殘留量超差等缺陷以及金屬飛邊沿鍛件四周分布的均勻程度有無異常等最為關鍵時段，因此，只有在“制坯”、“預鍛”和“終鍛”3個鍛造工序時段才可能產生連桿復合型折疊缺陷。

2.5.2 在鍛造首鍛過程時段有可能產生復合型折疊缺陷

在批量鍛造過程開始以前，先將每班次首次在同一加熱爐設備中裝爐數量為1～10 件（簡稱“鍛造首件”）坯料加熱到始鍛溫度后所進行的首次試制鍛造過程，簡稱“鍛造首鍛”。“鍛造首鍛”最主要作用是可以在第一時間內快速觀察、判斷、預測和發(fā)現連桿鍛造首鍛（或鍛造首件）是否合格、有無鍛造折疊、裂紋、夾雜、結疤、凹坑、碰傷、壓傷、模鍛不足、未充滿、錯移量超差、飛邊殘留量超差等缺陷以及金屬飛邊沿鍛件四周分布的均勻程度有無異常等最為關鍵時段，因此，在鍛造首鍛過程時段也有可能產生連桿復合型折疊缺陷。

3 連桿鍛造過程的質量控制

通過對連桿鍛造投入與產出、生產與服務提供、監(jiān)視與測量等進行適時化與精細化質量控制，則可有利于確保連桿鍛造工藝過程具有合理性、可行性、可靠性、可操作性、有效性、保障性和安全性等。

3.1 連桿鍛造工藝過程的質量控制

（1）優(yōu)化制坯坯料形狀與尺寸，進一步優(yōu)化制坯坯料大頭部與桿部的體積與過渡處圓角等形狀與尺寸，以減小或防止復合型折疊缺陷或其它折疊缺陷的產生。

（2）優(yōu)化制坯坯料在預鍛模膛中的放置位置，進一步優(yōu)化制坯坯料在預鍛模膛上的前后左右或其斜對角方向適中放置位置，以減少或防止復合型折疊缺陷或其它折疊缺陷的產生。

（3）優(yōu)化預鍛模膛形狀與尺寸，進一步優(yōu)化預鍛模膛形狀與尺寸與制坯坯料形狀與尺寸的匹配程度，以減少或防止復合型折疊缺陷或其它折疊缺陷的產生。

（4）優(yōu)化預鍛模膛與終鍛模膛對應結構，進一步優(yōu)化預鍛模膛（含預鍛飛邊槽）結構與終鍛模膛（含終鍛飛邊槽）的匹配程度，以減少或防止復合型折疊缺陷或其它折疊缺陷的產生。

（5）優(yōu)化預鍛成形打擊力或變形速度，在預鍛成形時嚴格按照“先輕后重”或“先慢后快”打擊順序（即第一次、第二次變形打擊力或變形速度要小，然后逐漸加大）進行操作，以減少或防止復合型折疊缺陷或其它缺陷產生。

（6）提高鍛模導向功能有效性和可靠性，進一步控制與預防鍛模導向功能失效現象，將鍛件錯移量控制在鍛模規(guī)范規(guī)定的范圍以內，以減少或防止復合型折疊缺陷或其它折疊缺陷的產生。

3.2 連桿鍛造首鍛過程的質量控制

盡管鍛造首鍛在鍛造工藝過程中不屬于獨立工序，但是鍛造工藝過程中內含的極為特殊和極易被忽視的重要組成部分，也是實現鍛造全過程、全覆蓋、無遺漏的適時化與精細化質量控制的關鍵之一。

對連桿鍛造首鍛過程進行適時化與精細化質量控制，有利于在第一時間內快速觀察、發(fā)現、預測和判斷鍛造首鍛（或鍛造首件）是否合格和有無鍛造異常問題以及能否繼續(xù)進行鍛造首鍛過程以后的批量鍛造生產。因此，鍛造首鍛可為鍛造首件以及前期鍛造工藝過程的適時化與精細化鍛造打下良好的適時性質量控制基礎。

3.3 連桿鍛造尾鍛過程的質量控制

盡管鍛造尾鍛在鍛造工藝過程中也不屬于獨立工序，但仍然是鍛造工藝過程中內含的極為特殊和極易被忽視的重要組成部分，也是實現鍛造全過程、全覆蓋、無遺漏的適時化與精細化質量控制的關鍵之一。“鍛造尾鍛”是指：在批量鍛造過程即將結束以前，將每班次在同一加熱爐設備中最后一爐剩余的1～10件（簡稱“鍛造尾件”）加熱坯料所進行的收尾鍛造過程，簡稱“鍛造尾鍛”。

對連桿鍛造尾鍛過程進行適時化與精細化質量控制，有利于在第一時間內快速觀察、發(fā)現、預測和判斷鍛造尾鍛（或鍛造尾件）是否合格、有無鍛造異常問題以及確定是否影響鍛造工藝過程下一爐批次的鍛造首鍛過程質量。因此，鍛造尾鍛可為鍛造尾件以及后期鍛造工藝過程開始下一爐批次的鍛造提供了有力的適時化與精細化質量控制保障[6～17]。

3.4 連桿鍛造全程管理過程的質量控制

鍛造質量特性結果往往不能一次性通過經濟性檢驗或試驗予以完全驗證，尤其是鍛造的內在質量隱患與缺陷也往往在使用時期或一定使用條件下才有可能暴露出來，因此，對連桿鍛造全程管理過程進行適時化與精細化質量控制，是實現鍛造全過程、全覆蓋、全壽命周期、無遺漏風險預防管理的長期和艱巨任務[1～28]。

4 結束語

（1）通過對大功率柴油機連桿鍛造缺陷產生類型、機理、原因、條件和時段等進行分析研究，以為有效預防或減少連桿鍛造折疊缺陷提供有效的解決方案。連桿鍛造產生回流和匯流復合型鍛造折疊缺陷是極為罕見和特殊的，是由兩股或多股金屬匯流為主而形成的“匯流折疊缺陷”和由變形金屬發(fā)生彎曲回流為輔而形成的“回流折疊缺陷”對接復合形成回流和匯流復合型鍛造折疊缺陷。只有在連桿制坯坯料形狀與尺寸不合理、制坯坯料在預鍛模膛中放置位置不合理、預鍛模膛形狀與尺寸不合理、預鍛模膛與終鍛模膛匹配結構不合理、預鍛成形打擊力或變形速度不合理、鍛模導向功能失效等6種極端不利因素同時存在的條件下，才有可能產生連桿匯流和回流復合型鍛造折疊缺陷。只有在鍛造工藝過程中“制坯”、“預鍛”和“終鍛”3個鍛造工序時段和在鍛造首鍛過程時段，才有可能產生連桿匯流和回流復合型鍛造折疊缺陷。

（2）通過對連桿鍛造投入與產出、生產與服務提供、監(jiān)視與測量等進行有效的適時化與精細化質量控制，可獲得既滿足鍛造技術要求又符合產品設計與使用要求的高可靠性大功率柴油機連桿鍛件。其中，對連桿鍛造工藝過程（包括鍛模設計、鍛模使用與鍛造操作等過程）進行適時化與精細化質量控制，以保證鍛造全過程具有合理性、可行性、可靠性、可操作性、有效性、保障性和安全性等；對連桿鍛造首鍛進行適時化與精細化質量控制，以有利于在第一時間內快速觀察、發(fā)現、預測和判斷鍛造首鍛（或鍛造首件）是否合格和有無鍛造異常問題以及能否繼續(xù)進行連桿鍛造首鍛過程以后的批量鍛造生產；對連桿鍛造尾鍛進行適時化與精細化質量控制，以有利于在第一時間內快速觀察、發(fā)現、預測和判斷鍛造尾鍛（或鍛造尾件）是否合格、有無鍛造異常問題以及確定是否影響鍛造工藝過程下一爐批次的鍛造首鍛過程質量；對連桿鍛造全程管理過程進行適時化與精細化質量控制，以有利于實現鍛造全過程、全覆蓋、全壽命周期、無遺漏風險預防管理。

（3）本文是以大功率柴油機連桿鍛造匯流和回流復合型鍛造折疊缺陷的適時化與精細化質量控制為研究對象的，對于連桿其它類型鍛造折疊缺陷的適時化與精細化質量控制也同樣具有參考價值。