文/黃貴林，張文博·中車資陽(yáng)機(jī)車有限公司資陽(yáng)鍛造分公司

某連桿桿身是我公司為國(guó)內(nèi)某柴油機(jī)公司開(kāi)發(fā)的中速機(jī)連桿之一，平均年產(chǎn)量超過(guò)1000只。過(guò)去模鍛生產(chǎn)時(shí)，制坯操作難度大、生產(chǎn)效率低，原材料消耗大，產(chǎn)品質(zhì)量差，廢品、返修率高?，F(xiàn)通過(guò)對(duì)某連桿桿身鍛造工藝進(jìn)行改進(jìn)，降低了制坯操作難度，節(jié)約了原材料消耗和產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，滿足了產(chǎn)品質(zhì)量要求。

改進(jìn)前生產(chǎn)難點(diǎn)分析

某連桿桿身鍛件(圖1)外形由連桿大端、桿身、小端組合而成，鍛件質(zhì)量135kg?？傞L(zhǎng)度910mm，寬度326mm，厚度164mm，復(fù)雜系數(shù)S ＝0.35。產(chǎn)品鍛造時(shí)最大橫截面積42758mm2，最小橫截面積10381mm2，最大橫截面面積與桿身橫截面面積之比為4.12。

圖1 某連桿桿身鍛件圖

某連桿桿身主要鍛造工步為：自由鍛制坯→打磨制坯缺陷→模鍛卡壓→終鍛成形。鍛件質(zhì)量135kg，下料質(zhì)量為174kg，鍛件工藝余料39kg，材料利用率77.5%，工藝余料占比22.5%。由于某連桿桿身鍛造工藝制坯操作難度大、生產(chǎn)效率低、原材料消耗大的先天性工藝缺陷，造成模鍛時(shí)一火次鍛不靠、產(chǎn)品厚度尺寸超上差；同時(shí)受到制坯形狀限制，在模鍛時(shí)連桿桿身大頭、小頭與桿身的過(guò)渡部位極易產(chǎn)生鍛造折疊，在模鍛一火次后需要冷卻將鍛件表面的折疊隱患清除才能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了模鍛生產(chǎn)效率，中斷了模鍛生產(chǎn)的連續(xù)性。

圖2 為某連桿桿身制坯圖，從圖來(lái)看，某連桿桿身制坯后形狀大致為大頭、桿身、小頭三個(gè)長(zhǎng)方體的組合，這與公司歷來(lái)連桿制坯工藝高度吻合。坯料大頭為尺寸330mm×145mm×100mm 的長(zhǎng)方體，桿身為590mm×110mm×110mm 的長(zhǎng)方體，小頭為240mm×210mm×150mm 的長(zhǎng)方體，大頭、小頭與中間桿身部位大圓弧連接。按照自由鍛的正常、傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法，在實(shí)際生產(chǎn)中具有以下難點(diǎn)。

圖2 某連桿桿身制坯圖

方坯鍛造困難、效率低，成本高

如圖3 中，從原始坯料到工步2 的方坯。某連桿桿身下料尺寸為φ250mm×452mm，變形后的工步2 尺寸為413mm×350mm×150mm。為了保證達(dá)到制坯圖的最大寬度尺寸，考慮在切肩時(shí)的拉縮量，工步2 將寬度尺寸330mm 增加到350mm。依據(jù)鍛造成形的最小阻力定律原理，鍛長(zhǎng)方體坯料難度大于鍛圓柱體坯料，鍛件的角不容易形成尖角，存在較大的圓角，四個(gè)側(cè)表面中間形成外凸的形狀(圖4)，同時(shí)生產(chǎn)效率低，成本高。實(shí)踐證明，改進(jìn)前的出坯效率為班產(chǎn)量15 ～20 件。

圖3 某連桿桿身制坯工步簡(jiǎn)圖

圖4 工步2 方坯

連桿大頭330mm×145mm×100mm 的長(zhǎng)方體形狀很難實(shí)現(xiàn)

在鍛造完成制坯工步2 的方坯后，采取半圓形壓板進(jìn)行制坯工步3 的切肩分料操作(圖5)時(shí)，金屬的變形流動(dòng)如圖5 所示。上下半圓對(duì)臨近的金屬產(chǎn)生強(qiáng)大的拉縮現(xiàn)象，會(huì)大致沿對(duì)角線向方坯的中心點(diǎn)方向流動(dòng)，靠近左邊端面的金屬向左端面方向平行流動(dòng)。實(shí)際生產(chǎn)中，在切肩操作完成后得到如圖6 所示形狀的坯料。

圖5 切肩金屬流動(dòng)示意圖

圖6 切肩后制坯工步4 形狀圖

連桿大小頭與桿身過(guò)渡的圓弧很難實(shí)現(xiàn)

由某連桿桿身制坯圖得知，連桿制坯后大小頭與桿身連接圓弧為R150mm 與R350mm 平滑連接。但是，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中：

①要做到R150mm與R350mm基本不大可能實(shí)現(xiàn)，在自由鍛生產(chǎn)使用的半圓壓鐵如果做到R150mm 與R350mm，那么尺寸與質(zhì)量會(huì)很大，造成工人無(wú)法操作。

②大頭寬度與桿身寬度落差達(dá)到220mm，單邊落差110mm，這樣大的落差決定了只能采用較小的半圓進(jìn)行切肩分料，最后實(shí)際得到的鍛件如圖7 所示，制坯后大小頭與桿身連接圓弧過(guò)渡處實(shí)際為一系列的臺(tái)階狀缺陷。

表面質(zhì)量很難達(dá)到模鍛要求，打磨量大，效率低，成本高

制坯后的表面質(zhì)量要達(dá)到模鍛的基本要求，只能進(jìn)行人工打磨，將圖7 中的過(guò)渡臺(tái)階打磨成圓弧狀，才能使產(chǎn)品在模鍛過(guò)程中不至于因?yàn)榕_(tái)階過(guò)渡形成鍛造折疊，打磨量大，效率低，成本高。

圖7 實(shí)際形狀圖

材料消耗大，成本高

某連桿桿身鍛件質(zhì)量135kg，下料質(zhì)量為174kg，鍛件工藝余料39kg，材料利用率77.5%，工藝余料占比22.5%，材料消耗大，成本高。

模鍛效率低，需要鍛二火，成本高

由于某連桿桿身鍛造制坯操作難度大、生產(chǎn)效率低、原材料消耗大的先天性工藝缺陷，造成模鍛時(shí)一火次鍛不靠、產(chǎn)品厚度尺寸超上差，同時(shí)受到制坯形狀限制，在模鍛時(shí)連桿桿身大頭、小頭與桿身的過(guò)渡部位極易產(chǎn)生鍛造折疊，在模鍛一火次后需要冷卻將鍛件表面的折疊隱患完全清除才能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了模鍛生產(chǎn)效率，中斷了模鍛生產(chǎn)的連續(xù)性，產(chǎn)品生產(chǎn)成本高。

改進(jìn)工藝方案的確定

改進(jìn)目標(biāo)

①減少下料質(zhì)量，提高原材料利用率。

②降低制坯操作難度，提高生產(chǎn)效率，降低制坯生產(chǎn)成本。

③改善制坯質(zhì)量，減少制坯缺陷，基本做到制坯后直接模鍛不打磨，提高制坯質(zhì)量，降低質(zhì)量損失。

④模鍛一火次成形，提高模鍛生產(chǎn)效率，降低模鍛生產(chǎn)成本，保證生產(chǎn)連續(xù)性。

改進(jìn)措施

①優(yōu)化制坯尺寸。依據(jù)某連桿桿身鍛件圖，計(jì)算大頭、桿身、小頭截面積，根據(jù)截面積推算出制坯對(duì)應(yīng)的大頭、桿身和小頭的截面積。

②優(yōu)化制坯形狀。某連桿桿身制坯形狀大致為三個(gè)長(zhǎng)方體，這也是公司連桿制坯的傳統(tǒng)工藝方案。改進(jìn)后的某連桿桿身制坯形狀為三個(gè)圓柱體組成，初步制坯圖見(jiàn)圖8。

圖8 改進(jìn)后制坯圖

③取消卡壓工步、實(shí)現(xiàn)模鍛一火次生產(chǎn)。由于制坯形狀的改變，模鍛時(shí)的卡壓工步已經(jīng)失去存在的必要，取消卡壓工步。同時(shí)因?yàn)橄铝腺|(zhì)量的減少，為模鍛一火次實(shí)現(xiàn)厚度公差達(dá)到工藝要求提供了可能性。

改進(jìn)措施的可行性分析

某連桿桿身鍛造工藝改進(jìn)措施，特別是制坯形狀的改變打破了公司連桿制坯形狀的傳統(tǒng)工藝方案，但是通過(guò)對(duì)改進(jìn)后制坯圖的工藝尺寸反復(fù)計(jì)算以及對(duì)制坯形狀的可實(shí)現(xiàn)性進(jìn)行認(rèn)真分析得出。

①實(shí)現(xiàn)下料減重、減少料耗。按照改進(jìn)后制坯圖的尺寸計(jì)算，下料質(zhì)量由174kg 減少到160kg，減少材料消耗14kg。

②制坯操作難度大幅度降低，改進(jìn)后的制坯方案由原來(lái)的三個(gè)長(zhǎng)方體優(yōu)化為三個(gè)圓柱體，圓柱體在制坯過(guò)程相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)對(duì)坯料的準(zhǔn)確控制，同時(shí)對(duì)臺(tái)階過(guò)渡處能夠很好地實(shí)現(xiàn)圓滑過(guò)渡，提高制坯質(zhì)量、降低制坯操作難度，提升制坯效率均有了最基礎(chǔ)的保障。

③模鍛實(shí)現(xiàn)一火次鍛造，改進(jìn)后下料質(zhì)量為160kg，減去制坯、模鍛加熱時(shí)的燒損，模鍛時(shí)實(shí)際工藝余料約20kg，材料利用率由77.5%提高到84.4%，工藝余料占比下降到15.6%，參照其余模鍛件相對(duì)應(yīng)參數(shù)，模鍛一火次鍛造有可能實(shí)現(xiàn)。

生產(chǎn)驗(yàn)證與效果分析

生產(chǎn)驗(yàn)證

按照下料質(zhì)量160kg 進(jìn)行備料、制坯(實(shí)物如圖9)，經(jīng)檢查，外觀表面質(zhì)量達(dá)到直接模鍛的要求，不需要批量打磨。模鍛時(shí)取消卡壓工步，直接在終鍛型腔進(jìn)行終鍛工步，產(chǎn)品成形容易，充滿良好，尺寸完全符合工藝要求，經(jīng)過(guò)拋丸、探傷對(duì)表面缺陷進(jìn)行檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)工藝性和制坯操作因素產(chǎn)生的折疊缺陷，某連桿桿身鍛造工藝改進(jìn)后，工藝保證率達(dá)到100%。經(jīng)過(guò)多年的生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量一直穩(wěn)定可靠，同時(shí)又對(duì)制坯工藝進(jìn)行二次優(yōu)化，再次減重5kg，下料質(zhì)量155kg，減重后產(chǎn)品合格，模鍛飛邊均勻(圖10),材料利用率從改進(jìn)前的77.5%提高到87%，單件下料質(zhì)量減少共19kg，降低了原材料成本。

圖9 制坯實(shí)物圖

圖10 產(chǎn)品飛邊圖

效果分析

某連桿桿身鍛造工藝改進(jìn)取得成功后，已累計(jì)生產(chǎn)萬(wàn)余件，單件減少原材料消耗19kg，同時(shí)制坯、模鍛工序每件減少19kg 的鍛造成本，取消了鍛造過(guò)程中去除產(chǎn)品表面折疊隱患的打磨工序，制坯生產(chǎn)效率提高3 ～4 倍，模鍛班產(chǎn)量提高一倍以上，產(chǎn)品除偶發(fā)性質(zhì)量問(wèn)題外，一直未發(fā)生工藝性質(zhì)量損失，某連桿桿身鍛造工藝改進(jìn)取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果與社會(huì)效果。

結(jié)論

⑴經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，某連桿桿身鍛造工藝改進(jìn)方案切實(shí)可行，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量、效率、效益的齊頭并進(jìn)，達(dá)到了工藝改進(jìn)的目標(biāo)，并按照改進(jìn)后的鍛造工藝投入了正式生產(chǎn)。

⑵某連桿桿身出坯工藝由3 個(gè)矩形組合改進(jìn)為圓柱體臺(tái)階坯，邁出了公司連桿制坯新思路的第一步，大大降低了出坯操作的難度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和質(zhì)量穩(wěn)定性，提高了生產(chǎn)效率，延長(zhǎng)了模具使用壽命。

⑶某連桿桿身工藝改進(jìn)取得的經(jīng)驗(yàn)，已在同類型的連桿生產(chǎn)中得到了廣泛的推廣與應(yīng)用，目前公司已有10 種連桿生產(chǎn)采用同樣的工藝過(guò)程，均取得良好的效果。