文／蔣鵬·北京機(jī)電研究所

王沖·桂林電器科學(xué)研究院有限公司

張旭敏·深圳中航技術(shù)檢測(cè)所

連桿鍛造工藝、裝備與自動(dòng)化技術(shù)的若干問題探討

文／蔣鵬·北京機(jī)電研究所

王沖·桂林電器科學(xué)研究院有限公司

張旭敏·深圳中航技術(shù)檢測(cè)所

連桿是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的主要傳動(dòng)部件之一。連桿的作用是把活塞與曲軸聯(lián)接起來，使活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)榍幕剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以輸出動(dòng)力。連桿工作環(huán)境溫度一般為90～100℃，運(yùn)轉(zhuǎn)速度為3000～5000r/min，在工作中承受著急劇變化的動(dòng)載荷，受力情況較差，因此需要有較高的強(qiáng)度。為了保持高速下曲軸的平衡狀態(tài)，對(duì)連桿不僅有較高的尺寸精度要求，而且對(duì)質(zhì)量公差也需要嚴(yán)格控制。

國內(nèi)連桿的市場(chǎng)需求分析

圖1 近十年中國汽車產(chǎn)量

連桿屬于長軸類精密鍛件，市場(chǎng)需求量巨大。2015 年我國汽車產(chǎn)銷均突破2450萬輛，連續(xù)7年蟬聯(lián)全球第一（見圖1）。2016 年有望超過2600萬輛。汽車產(chǎn)銷總體呈平穩(wěn)增長態(tài)勢(shì)，2014年產(chǎn)銷同比增長7.26%和6.86%，2015年增長3.3%與4.7%。

汽車鍛件需求量維持小幅度增長的狀態(tài)，近年來國內(nèi)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用連桿鍛件的年需求量超過一億支。另外，2015年我國摩托車銷量1882萬輛，創(chuàng)近10年新低，摩托車連桿年需求為2000萬只。

按每年發(fā)動(dòng)機(jī)總產(chǎn)量大約為5500～6000萬臺(tái)，單缸機(jī)為2600～2800萬臺(tái)，估計(jì)國內(nèi)連桿需求量大約為1.6～1.8億支。如果把眼光放遠(yuǎn)一些，連桿的國際市場(chǎng)前景廣闊。

連桿分類

連桿按材料分類可以分為調(diào)質(zhì)鋼連桿和非調(diào)質(zhì)鋼連桿。調(diào)質(zhì)鋼連桿是指連桿鍛造成形后需通過淬火和高溫回火熱處理最終達(dá)到性能要求的連桿，非調(diào)質(zhì)鋼連桿是指連桿鍛造成形后通過鍛后控制冷卻速度來達(dá)到性能要求的連桿。

按結(jié)構(gòu)分類可以分為分體式連桿和整體式連桿。分體式連桿是指連桿體和連桿蓋在鍛造時(shí)就是分離的連桿，整體式連桿是指連桿體和連桿蓋整體鍛造，通過后續(xù)加工再分離的連桿。整體式連桿按照桿蓋剖分方式的不同可分為脹斷連桿和切分連桿。

鍛造工藝

連桿的典型鍛造工藝流程如圖2所示，一般流程為：下料→剝皮→中頻加熱→制坯分料→模鍛成形→沖孔、切邊、熱校正→調(diào)質(zhì)或非調(diào)質(zhì)鋼可控冷卻→拋丸→磁粉探傷→外觀檢驗(yàn)→冷精壓→直線度檢驗(yàn)校直→防銹裝箱→入庫。

由于對(duì)連桿流線的要求越來越高，輥鍛制坯成為連桿鍛造的主流制坯工藝。楔橫軋工藝制坯精度較高，但用該工藝制坯容易出現(xiàn)鍛造流線不合格的缺陷。

圖2 一種連桿鍛造工藝流程照片

連桿的自動(dòng)輥鍛制坯工藝

自動(dòng)輥鍛機(jī)是專用制坯設(shè)備，生產(chǎn)效率高，坯料精度好，已成功地用于連桿鍛造生產(chǎn)線的制坯工序，使用效果良好，是目前最常用的制坯工藝。

連桿輥鍛工藝一般設(shè)計(jì)為桿部4道次輥鍛，孔型選擇為圓→橢圓→方→橢圓→方，小頭部為兩道次輥鍛，孔型選擇為圓→橢圓→圓。扇形輥鍛模包角85°。模具材料一般選用5CrNiMo，可以采用焊補(bǔ)修復(fù)的辦法延長模具壽命。圖3是用460mm自動(dòng)輥鍛機(jī)輥鍛制坯的一種柴油機(jī)連桿的輥鍛件、鍛件和飛邊的照片。可以看出，輥鍛件的形狀規(guī)整，鍛件飛邊很小而且均勻。

與自由鍛制坯相比，自動(dòng)輥鍛制坯工藝有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，可歸納為以下幾點(diǎn)：

圖3 一種柴油機(jī)連桿輥鍛件、鍛件和飛邊照片

⑴提高鍛件質(zhì)量。輥鍛機(jī)制坯時(shí)間固定、形狀準(zhǔn)確、節(jié)拍穩(wěn)定，到達(dá)模鍛主機(jī)的坯料溫度和尺寸一致性好，有利于鍛件質(zhì)量的提高，也有利于控制連桿鍛件的重量公差；

⑵節(jié)約原材料。鍛件材料利用率較空氣錘制坯有較大提高；

⑶節(jié)約能源。由如下兩方面構(gòu)成：①每件節(jié)省的坯料所需的加熱能量；②輥鍛機(jī)組主電機(jī)功率明顯小于空氣錘的壓氣機(jī)電機(jī)功率；

⑷提高效率。如460mm輥鍛機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)為65rpm，自動(dòng)輥鍛時(shí)4道次輥鍛耗時(shí)不到4s，考慮機(jī)械手接送料、拋料、橫移回位等輔助工作時(shí)間，輥鍛生產(chǎn)效率在6～8s/件，比空氣錘制坯的效率有較大提高；

⑸提高鍛造模具壽命。輥鍛制坯后因坯料精化，鍛造飛邊小，因而對(duì)模具的磨損小，有利于鍛造模具壽命的提高；

⑹減少人員。自動(dòng)輥鍛機(jī)可以做到無人操作；

⑺減小模鍛主機(jī)打擊力。由于精化毛坯，減小了模鍛主機(jī)的打擊力，對(duì)延長模鍛主機(jī)的使用壽命有利。

使用輥鍛機(jī)也有一些對(duì)降低成本不利的方面：①輥鍛機(jī)和空氣錘相比，一次性投入大；②由于設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、程控等各種系統(tǒng)，設(shè)備維護(hù)難度較大，費(fèi)用較高；③輥鍛模設(shè)計(jì)調(diào)試較為復(fù)雜，另外增加了輥鍛模的加工和維修費(fèi)用。

由于尺寸放大關(guān)系，坯料的下料誤差會(huì)造成輥鍛件的長短有誤差，這給自動(dòng)化操作帶來不利影響。

幾種常見的連桿鍛造裝備

⑴熱模鍛壓力機(jī)。

優(yōu)點(diǎn)：水平方向精度高，生產(chǎn)效率高，工作臺(tái)面寬闊，有利于模具安裝和實(shí)現(xiàn)機(jī)械化；缺點(diǎn)：因設(shè)備剛度問題，如果工藝過程不能保持穩(wěn)定，可能會(huì)對(duì)連桿質(zhì)量公差造成影響。

⑵螺旋壓力機(jī)。

國內(nèi)目前有摩擦壓力機(jī)、電動(dòng)螺旋壓力機(jī)、高能螺旋壓力機(jī)等幾種，高能螺旋壓力機(jī)是開發(fā)較早的新型螺旋壓力機(jī)，但結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜，電動(dòng)螺旋壓力機(jī)目前已經(jīng)成為廠家優(yōu)先選擇的鍛壓設(shè)備，圖4為一條以高能螺旋壓力機(jī)為主機(jī)的連桿鍛造生產(chǎn)線。螺旋壓力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，成本較低，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，模具打靠保證高度方向尺寸，對(duì)保證連桿重量公差有利；缺點(diǎn)：頂出為液壓，有出故障可能性，臺(tái)面寬度和抗偏載能力不如熱模鍛壓力機(jī)。

圖4 一條高能螺旋壓力機(jī)為主機(jī)的連桿鍛造生產(chǎn)線

⑶程控電液錘。

目前廣泛使用程控電液錘的優(yōu)點(diǎn)：打擊速度快，有利成形，效率高；缺點(diǎn)：一般無頂出、存在振動(dòng)和噪聲問題，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化有較大難度。

鍛造機(jī)械化和自動(dòng)化裝置

⑴鍛造操作機(jī)。

最早的鍛造機(jī)械化裝置是人工駕駛的鍛造操作機(jī)，一般用于重型生產(chǎn)線，用以夾持鍛坯配合水壓機(jī)或鍛錘完成送進(jìn)、轉(zhuǎn)動(dòng)、調(diào)頭等動(dòng)作，有助于改善勞動(dòng)條件，提高生產(chǎn)效率。根據(jù)需要，鍛造操作機(jī)也可用于裝爐、出爐。鍛造操作機(jī)結(jié)構(gòu)分有軌和無軌兩種，其傳動(dòng)方式有機(jī)械式、液壓式和混合式等。此外，還有專門用于某些輔助工序的鍛造操作機(jī)，如裝取料操作機(jī)和工具操作機(jī)等。為了配合鍛造操作機(jī)的工作，有時(shí)還配置鍛坯回轉(zhuǎn)臺(tái)，以方便鍛坯的調(diào)頭。鍛造操作機(jī)僅僅解決了省力的問題，是一種機(jī)械化操作裝置，還不能算自動(dòng)化裝置。

⑵坐標(biāo)式鍛造機(jī)械手。

20世紀(jì)80年代從德國引進(jìn)熱模鍛壓力機(jī)成套技術(shù)時(shí)也引進(jìn)了鍛造自動(dòng)化技術(shù)，裝備是程控液壓傳動(dòng)的坐標(biāo)式機(jī)械手。

⑶多關(guān)節(jié)機(jī)器人。

現(xiàn)在，多關(guān)節(jié)機(jī)械手或稱機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線。多關(guān)節(jié)機(jī)械手是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能。它可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運(yùn)行（圖5）。

⑷步進(jìn)梁機(jī)械手。

鍛造步進(jìn)梁機(jī)械手一般用于中小型模鍛生產(chǎn)線，一般將步進(jìn)梁安裝在主機(jī)上，用于多工位鍛造的操作，其他工序間的操作一般用機(jī)器人來連接。步進(jìn)梁機(jī)械手能夠配套熱模鍛壓力機(jī)、螺旋壓力機(jī)、液壓壓力機(jī)等設(shè)備。

伺服驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)梁機(jī)械手一般可在X、Y、Z三個(gè)方向的空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)與壓機(jī)動(dòng)作節(jié)拍一致的夾持、上升、前進(jìn)、下降、釋放、后退、夾持的循環(huán)動(dòng)作，從而在儲(chǔ)料位、鐓粗位、成形位、切底位、出料位等多個(gè)工位上將工件定距、步進(jìn)傳送。步進(jìn)梁機(jī)械手高效、可靠，是連桿鍛件自動(dòng)化生產(chǎn)的優(yōu)選方式。

圖5 多關(guān)節(jié)機(jī)器人及其夾鉗

結(jié)束語

⑴小型輥鍛機(jī)替代空氣錘為連桿鍛件制坯，在提高效率，降低料耗和能耗的同時(shí)，還可為自動(dòng)化操作提供必要的條件，為發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，需要提高輥鍛機(jī)的可靠性和生產(chǎn)效率；

⑵自動(dòng)化連桿生產(chǎn)線是未來發(fā)展方向，和回轉(zhuǎn)體鍛件相比，難度增大，步進(jìn)梁應(yīng)該是主要的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)形式，錘鍛實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化難度應(yīng)該充分估計(jì)，連桿鍛造邁向智能制造前途光明，道路曲折；

⑶切邊沖孔校正一體化復(fù)合模具值得嘗試，并且一上馬有可能馬上見效，不要怕模具復(fù)雜，鍛造模具未來的趨勢(shì)是越來越復(fù)雜；

⑷連桿鍛造生產(chǎn)線在注重質(zhì)量的同時(shí)應(yīng)該注重生產(chǎn)效率，一模兩件已廣泛使用，不可忽視換模的時(shí)間消耗，快換模具和模架將來應(yīng)該是常規(guī)配置；

⑸粉末鍛造連桿國內(nèi)幾乎是空白，需要進(jìn)行該項(xiàng)技術(shù)的考察研究；

⑹企業(yè)應(yīng)密切注意新能源汽車的發(fā)展動(dòng)向，以準(zhǔn)確判斷連桿市場(chǎng)走向，提前做好應(yīng)對(duì)準(zhǔn)備。