南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 （江蘇常州 213011） 陳 勝 孫 超

內(nèi)燃機車工作時，靠連桿來傳遞活塞與曲軸間的作用力，并將活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動。連桿在工作中，除承受燃燒室燃?xì)猱a(chǎn)生的壓力外，還要承受縱向和橫向的慣性力。因此，連桿在一個復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下工作，既受交變拉壓應(yīng)力又受彎曲應(yīng)力，在這些交變載荷的作用下，連桿的主要損壞形式是疲勞斷裂和過量變形。工作條件要求連桿具有較高強度和抗疲勞性能，又要求具有足夠的剛性和韌性。同時，作為發(fā)動機重要的運動部件，還要求有很高的重量精度。

圖1為ND5主連桿鍛件，該連桿為不對稱復(fù)雜形狀連桿，與以往其他連桿相比，第一是大小端重量相差近7倍，第二是精鍛件，除鍛件大小端面與3個空為加工部位外，其余部位均為非加工面。

圖1 ND5鍛件

1.工藝分析

ND5主連桿外形復(fù)雜，整個鍛件頭部很大，桿身及小端相對要小得多。另外，其桿身工字形截面兩筋既窄又高，不僅成形困難，且易出模鍛缺陷，因此整個模鍛工藝要解決的關(guān)鍵問題是：對鍛造毛坯進行合理分料，形成適宜于模鍛的毛坯。保證模鍛時材料順利充滿型腔。模鍛件不出現(xiàn)折疊、缺肉和裂紋等缺陷。

（1）制坯 由于ND5主連桿的形狀特點，在空氣錘上設(shè)計胎模，先鍛出連桿大端形狀，再拔長桿部，鍛坯見圖2所示。

圖2 ND5主連桿鍛坯

（2）預(yù)鍛型腔 如圖3所示，ND5主連桿設(shè)計時終鍛型腔拔模斜度為5°，預(yù)鍛型腔為7°，預(yù)鍛型腔圓角半徑比終鍛型腔加大2～4mm，這樣不僅有利于金屬流動，為更好地充滿型腔提供有利條件，而且還可避免因模具制造問題產(chǎn)生的折疊，同時因ND5主連桿工字形截面尺寸h<2b，所以要求連接和過渡部分均為大圓角，總體形狀過渡自然，形狀力求簡單，并根據(jù)截面相等原則即預(yù)鍛型腔截面積等于終鍛型腔截面積計算預(yù)鍛件圖。

圖3 連桿預(yù)鍛、終鍛工字形截面

ND5主連桿鍛造連皮設(shè)計預(yù)鍛型腔采用斜底連皮，終鍛型腔中采用帶倉連皮，終鍛成形時，內(nèi)孔中多余的金屬不是全部向外排出，而是擠入連皮倉部，這樣可避免在孔底部產(chǎn)生折疊，同時帶倉連皮易于沖孔，鍛件變形小。

根據(jù)既有的鍛造工藝條件，決定采用空氣錘出坯、螺旋壓力機開式精鍛成形，模鍛噸位經(jīng)驗公式為

式中 K——系數(shù)，ND5主連桿屬熱鍛，取80kN/cm2；

S——鍛件總變形面積，2730cm2；

q——變形系數(shù)，連桿變形程度取1.3。

計算所得ND5主連桿模鍛噸位為168MN，選用180MN電動螺旋壓力機，配1t空氣錘出坯。

2.數(shù)值模擬分析

數(shù)值模擬分析采用DEFORM-3D軟件對連桿成形中的預(yù)鍛和終鍛兩道工序來進行模擬研究，DEFORM-3D軟件是一套基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元系統(tǒng)，采用剛粘塑性有限元法，模擬用幾何模型由Ptc/creo軟件完成三維造型，以STL文件格式導(dǎo)入模擬軟件，在有限元建模時，坯料視為塑性體，劃分280 000個四面體單元，模具為剛性體，不產(chǎn)生變形。始鍛溫度為1150℃，模具溫度200℃，模具和坯料之間的接觸為常剪應(yīng)力摩擦，摩擦因數(shù)為0.3，上模壓下速度為350mm/s，下模固定不動。增量計算時，預(yù)鍛行程為135mm，終鍛行程為40mm，每次增量取1.5mm。

首先將預(yù)鍛模及坯料調(diào)入DEFORM軟件，調(diào)整好模具與坯料相對位置，開始預(yù)鍛過程模擬，當(dāng)預(yù)鍛上模行程達到模擬終止條件時，預(yù)鍛終止，然后用終鍛模替換預(yù)鍛模并對模具與坯料相對位置進行重新調(diào)整后開始終鍛模擬。

圖4 預(yù)鍛、終鍛時坯料各個階段情況

圖5 行程—載荷曲線

圖4 為ND5連桿預(yù)鍛、終鍛時坯料各個階段的情況，圖5為預(yù)鍛、終鍛行程——載荷曲線，模擬用坯料經(jīng)過自由鍛制坯，開始預(yù)鍛時，坯料首先與預(yù)鍛模孔部分的凸臺接觸，將孔內(nèi)的多余金屬擠壓往四周自由流動(見圖4、圖5中a階段)，此階段預(yù)鍛載荷上升較慢，隨著上模壓下，坯料與上下模接觸面積增大，連桿大端與模具接觸面積增加，坯料載荷開始上升加快，開始形成初始飛邊（圖4b、圖5中b階段）。隨著飛邊的形成，坯料大小端與上下模開始緊密接觸，飛邊增大，載荷急劇增大(圖4b、圖5中c階段)。在終鍛階段，壓力在開始階段上升較慢，這是預(yù)鍛件放入終鍛型腔后與模具接觸面積比較小的緣故，隨著壓下量增加，連桿與模具大面積接觸并隨著鍛件溫度下降，壓力發(fā)生一個突變，開始急劇上升(圖4、圖5中d、e階段)。從載荷分布圖看，終鍛時載荷比預(yù)鍛小了近20MN，這是由于預(yù)鍛不設(shè)飛邊槽，增加了金屬流向飛邊的阻力，造成了載荷增加。預(yù)鍛不設(shè)飛邊槽對鍛件高筋頂成形有利。

終鍛成形模擬結(jié)束后，鍛件各部分完全充滿，未出現(xiàn)充不滿或折疊等缺陷，同時飛邊尺寸合理，形狀比較規(guī)則，取得了預(yù)期目的。

圖6是連桿終鍛時等效應(yīng)變，圖上等效應(yīng)變值主要為0.238～6.79，最大值出現(xiàn)在飛邊與難成形的拐角部分，對設(shè)計模具型腔圓角半徑等提供了依據(jù)。

圖6 終鍛等效應(yīng)變

3.結(jié)語

通過多次模擬發(fā)現(xiàn)，毛坯坯料形狀和預(yù)鍛型腔的設(shè)計是影響鍛件成形質(zhì)量，防止出現(xiàn)折疊和裂紋等缺陷的關(guān)鍵。