文/林棟，林鵬飛，徐俊峰，王建科，宋虎林·天潤(rùn)曲軸股份有限公司

脹斷連桿鍛造工藝與模具設(shè)計(jì)分析

文/林棟，林鵬飛，徐俊峰，王建科，宋虎林·天潤(rùn)曲軸股份有限公司

連桿在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)之前，首先應(yīng)該確定合理的生產(chǎn)工藝，然后根據(jù)生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)合適的模具。本文以我公司生產(chǎn)的某連桿為例，依據(jù)連桿的形狀參數(shù)，選擇在4000t熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)線上進(jìn)行生產(chǎn)，其工藝流程為：下料→加熱→去氧化皮→輥鍛→壓扁→預(yù)鍛→終鍛→沖孔→切邊→熱校正。

連桿在鍛造過(guò)程中需要多個(gè)模具來(lái)成形，根據(jù)鍛造工藝來(lái)設(shè)計(jì)模具，有利于了解坯料金屬流向。而且在設(shè)計(jì)模具時(shí)，還要注意不同材料對(duì)應(yīng)的熱膨脹系數(shù)也不同。

輥鍛模具設(shè)計(jì)

連桿鍛件的材料利用率一般在65%～80%之間，輥鍛時(shí)利用率分別按照75%、80%、70%計(jì)算出大頭（加連皮后）、桿部、小頭的用料直徑，然后根據(jù)計(jì)算好的直徑使用模擬軟件設(shè)計(jì)輥鍛模具，得出輥鍛各部分示意圖，如圖1所示。

由于連桿大頭與桿部的用料直徑相差較大，變形也比較大，一般按照4道次設(shè)計(jì)輥鍛，每道次最大縮減率不超過(guò)35%。過(guò)渡圓角內(nèi)角、外角要選擇合理數(shù)值，否則，內(nèi)角過(guò)小，則會(huì)造成鍛件本體產(chǎn)生折疊缺陷；外角過(guò)大，會(huì)造成鍛件填充不滿、產(chǎn)生缺肉缺陷。

圖1 輥鍛各部分示意圖

由于加熱溫度的差異，輥坯成形時(shí)小頭端面容易形成縮口，所以在計(jì)算小頭用料時(shí)，一般要在滿足鍛件成形的基礎(chǔ)上再增加5mm的用料；在計(jì)算終鍛用料時(shí)，主要從便于把輥鍛產(chǎn)生的縮口缺陷流入到飛邊中，不在鍛件端面形成折疊等方面考慮。

壓扁設(shè)計(jì)

壓扁模大小頭上下模間隙設(shè)計(jì)比連桿厚度小,壓扁時(shí)將坯料橫向尺寸增加有利于大頭橫向成形。間隙太大，坯料寬度不夠，造成大小頭橫向充不滿；間隙太小，坯料太扁，中間余料不足,造成大小頭孔及桿部工字筋充不滿，壓扁間隙示意圖如圖2所示。

預(yù)鍛模具設(shè)計(jì)

模膛設(shè)計(jì)

圖2 壓扁間隙示意圖

圖3 預(yù)鍛橋部示意圖

預(yù)鍛需要保證有足夠的坯料使鍛件最終成形。因此，預(yù)鍛模型腔深度按照比終鍛模型腔深度單邊深的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。大小頭連皮厚度在橋部高度的基礎(chǔ)上少量下沉，保證連皮儲(chǔ)料充足，加大倒角便于金屬流動(dòng)，大小頭型腔更容易充滿。

分模面設(shè)計(jì)

預(yù)鍛模閉合高度和橋部高度尺寸緊密相關(guān)。由于預(yù)鍛工序會(huì)產(chǎn)生大量金屬流動(dòng)，在設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮橋部間隙、橋部寬度。預(yù)鍛橋部示意圖（圖3）中，橋部間隙過(guò)大，橋部寬度過(guò)小，金屬向外流動(dòng)迅速，造成鍛件充不滿；橋部間隙過(guò)小，橋部寬度太大，金屬不易向外流動(dòng)，模腔壓力大大增加，從而造成橋部磨損，影響模具壽命。同時(shí)金屬流動(dòng)不暢，易在內(nèi)部形成折疊缺陷。預(yù)鍛模內(nèi)倒角的半徑R為4mm，有利于加快金屬流動(dòng)，將預(yù)鍛成形后余料快速排擠出型腔，降低模腔壓力，延長(zhǎng)模具使用壽命。

頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

預(yù)鍛模的頂桿頂出位置設(shè)計(jì)在沖孔連皮上。頂桿設(shè)計(jì)直徑與頂出孔的直徑相差小于1mm，間隙太小，模具與頂桿受熱膨脹擠死；間隙太大，則容易擠入飛刺使頂出裝置失效。頂桿高度應(yīng)與型腔平面平齊或低于型腔平面0.5mm以內(nèi)。高度太高，倉(cāng)部?jī)?chǔ)料將頂桿抱死，造成坯料出模困難；高度太低，余料進(jìn)入頂桿孔，使頂桿孔磨損變大，容易擠入飛刺。

終鍛模具設(shè)計(jì)

模膛設(shè)計(jì)

終鍛模的模膛按照熱鍛件三維圖直接做出即可。鍛件在預(yù)鍛工序基本成形，終鍛僅有少量的金屬流動(dòng)。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中因打擊偏載造成鍛件大小頭平面度差，因此在設(shè)計(jì)終鍛模具時(shí)，下模大小頭平面要留有補(bǔ)償量。在大小頭連皮處增加儲(chǔ)料倉(cāng)，起到存儲(chǔ)余料的作用，可以有效防止多余材料向外擠壓造成模具磨損嚴(yán)重及鍛件折疊。儲(chǔ)料倉(cāng)保留足夠的深度，倒角半徑R為20mm，有利于金屬流動(dòng)，大頭儲(chǔ)料倉(cāng)示意圖如圖4所示。

圖4 大頭儲(chǔ)料倉(cāng)示意圖

沖孔、切邊模設(shè)計(jì)

⑴沖孔模的設(shè)計(jì)重點(diǎn)為沖頭。在不是特別要求大小頭內(nèi)徑過(guò)沖的情況下，一定要避免過(guò)沖。沖孔過(guò)切太大，在過(guò)切時(shí)，鍛件受擠壓向下，向外側(cè)變形，當(dāng)沖頭低于鍛件分型面時(shí)，鍛件向外側(cè)變形回彈，從而使沖頭抱死。因此，設(shè)計(jì)時(shí)一般單邊縮減約1mm。避免沖孔時(shí)沖頭受力過(guò)大造成沖頭磨損嚴(yán)重，降低沖頭使用壽命。沖頭切刃高度設(shè)計(jì)合理，過(guò)小則沖頭易磨損；過(guò)大容易產(chǎn)生拉刺或抱死，沖頭示意圖如圖5所示。

⑵沖孔凹模利用熱鍛件直接作出。因在沖孔作業(yè)時(shí)，鍛件仍帶有飛邊，所以沖孔凹模在距離分型面10mm的地方設(shè)計(jì)。不僅可以讓出飛邊的位置，避免因飛邊翹曲變形，鍛件定位不一致產(chǎn)生沖偏，而且由于周邊型腔結(jié)構(gòu)的限制，在沖孔過(guò)程中要保證能夠固定鍛件，避免產(chǎn)生壓痕及沖偏。

圖5 沖頭示意圖

圖6 刃口剖切示意圖

⑶設(shè)計(jì)切邊刃口。終鍛模型腔磨損會(huì)造成鍛件整體尺寸變大，在切邊凹模設(shè)計(jì)時(shí)，其刃口要與熱鍛件留有一定的間隙。凹模刃口厚度一般設(shè)計(jì)成3～4mm；厚度低于3mm時(shí)，刃口太薄，剪切時(shí)容易變形，鍛件與飛邊切口會(huì)產(chǎn)生凹槽；厚度超過(guò)5mm時(shí)，鍛件切邊過(guò)程中與模具接觸時(shí)間長(zhǎng)，容易產(chǎn)生拉痕，這會(huì)影響連桿的疲勞強(qiáng)度，刃口剖切示意圖如圖6所示。

⑷設(shè)計(jì)切邊凸模。凸凹模之間必須要有一定的間隙，間隙太大，受切邊力的影響，鍛件容易變形拉傷，尤其是螺栓臺(tái)等位置更明顯，會(huì)產(chǎn)生螺栓孔中心尺寸偏移的缺陷；間隙太小，模具長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)熱膨脹，容易影響到鍛件精度。由于桿部較細(xì)，在切邊過(guò)程中會(huì)造成鍛件的擠壓變形，使工字筋上下寬度不一致，因此切邊凸模必須要保留桿部形狀。

校正模制作

校正模的主要作用是校直鍛件直線度及平面度，因此校正模的制作相對(duì)簡(jiǎn)單。但考慮到有些連桿在沖孔、切邊過(guò)程中，容易導(dǎo)致桿部彎曲、變形，因此校正模制作時(shí)仍要將桿部形狀制作出來(lái)。而大小頭位置沒(méi)有特殊要求，只要作出平面即可。對(duì)于小頭尾部有斜面的情況，連桿在沖孔、切邊過(guò)程中，桿部會(huì)有少量向上模彎曲，可適當(dāng)在上、下模尾部斜面上做出補(bǔ)償量，保證最終校正后鍛件尺寸精度。

結(jié)束語(yǔ)

脹斷連桿的尺寸精度要求比傳統(tǒng)鋸切連桿更為嚴(yán)格，需要我們?cè)谠O(shè)計(jì)新產(chǎn)品之初就進(jìn)行工藝設(shè)定，合理的模具設(shè)計(jì)，從而來(lái)保證生產(chǎn)出的鍛件合格；需要我們?cè)谄綍r(shí)設(shè)計(jì)過(guò)程中不斷積累和豐富細(xì)節(jié)參數(shù)，為后續(xù)的設(shè)計(jì)提供可靠的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

林棟，工程師，副總經(jīng)理，主要從事材料成形及模具設(shè)計(jì)的研究工作。