文/吳傲宗，張娜娜，劉亞麗，夏占雪·第一拖拉機(jī)股份有限公司鍛造廠

淺談連桿模鍛生產(chǎn)技術(shù)

文/吳傲宗，張娜娜，劉亞麗，夏占雪·第一拖拉機(jī)股份有限公司鍛造廠

連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零件之一，連桿的質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械性能的平穩(wěn)性、連續(xù)性，以及發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，并直接關(guān)系到車輛的安全行駛。連桿作為發(fā)動(dòng)機(jī)的核心傳力機(jī)構(gòu)，其在工作過程中承受著周期性不斷變化的燃燒壓力和慣性力的交變載荷，機(jī)械負(fù)荷嚴(yán)重，工作條件惡劣。這就要求連桿在質(zhì)量盡可能小的條件下，有足夠的剛度和強(qiáng)度。連桿桿體通常做成“工”字形斷面，以便在取得足夠強(qiáng)度和剛度的前提下減少質(zhì)量。連桿一般采用中碳鋼或合金鋼經(jīng)模鍛、熱處理和機(jī)械加工制造而成。

連桿生產(chǎn)工藝

連桿的分類

連桿的分類可以按多種劃分方式，一般按材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。按材料來劃分，可以分為調(diào)質(zhì)鋼連桿和非調(diào)質(zhì)鋼連桿。調(diào)質(zhì)鋼連桿是指連桿鍛打成形后，需要通過淬火和高溫回火等熱處理來最終達(dá)到性能要求的連桿；非調(diào)質(zhì)鋼連桿是指連桿鍛打成形后，通過控制鍛后空冷速度來達(dá)到性能要求的連桿。

按結(jié)構(gòu)來劃分，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子分別鍛造的連桿；整體式連桿是指連桿體和連桿蓋子整體鍛造，鍛打后通過后續(xù)加工的方式來分離的連桿。表1為我國(guó)部分車型所用的連桿。

技術(shù)特點(diǎn)

連桿屬于長(zhǎng)軸類精密鍛件，隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，連桿有著相當(dāng)大的需求和發(fā)展空間。長(zhǎng)期以來，連桿一直被視為較難鍛造和加工的零件。國(guó)內(nèi)外對(duì)連桿材料、鍛造工藝和切削工藝都給予高度重視，并在不斷的改革和創(chuàng)新。同時(shí)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)的問題也有著深入的研究，其目的就是在滿足產(chǎn)品使用性能和使用要求的同時(shí)，降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率從而最大程度地增加經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)于不同類型檔次的發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)連桿的模鍛件有著不同的技術(shù)、質(zhì)量要求。隨著各類發(fā)動(dòng)機(jī)制造水平的提高，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高及動(dòng)平衡要求的提高，對(duì)于連桿模鍛件的重量公差、尺寸公差、產(chǎn)品精度、表面質(zhì)量、內(nèi)在質(zhì)量與機(jī)械性能的要求越來越高。為了適應(yīng)不同連桿模鍛件生產(chǎn)的要求，就要選擇不同的模鍛生產(chǎn)工藝和方法。

■ 表1 我國(guó)部分車型所用的連桿

裂解工藝的應(yīng)用

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代高性能發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)連桿的性能要求越來越高，拘泥于傳統(tǒng)、落后加工技術(shù)的生產(chǎn)模式，難以滿足日益發(fā)展的汽車制造行業(yè)對(duì)連桿批量和精度的要求。連桿裂解加工新工藝是20世紀(jì)90年代首先由德國(guó)、美國(guó)興起的一種連桿新加工技術(shù)，是采用無屑斷裂方法完成連桿體和蓋結(jié)合面剖分加工的方法，其主要工藝流程有以下5點(diǎn)，主要工藝過程圖如圖1所示。

⑴先將連桿毛坯大頭孔內(nèi)側(cè)預(yù)置裂解槽，形成初始斷裂源。

⑵在連桿大頭孔內(nèi)側(cè)施加垂直于預(yù)定斷裂面的正壓力，在滿足脆性斷裂發(fā)生條件下，完成無屑斷裂部分的加工。

⑶利用兩斷裂面自然犬牙交錯(cuò)結(jié)構(gòu)定位，實(shí)現(xiàn)連桿體與連桿蓋的精確合裝。

⑷以斷裂部分的三維曲面定位，在斷裂面完全嚙合的條件下進(jìn)行后續(xù)的大孔精加工及上螺栓工序。

連桿裂解加工過程

連桿裂解加工工藝流程包括粗磨連桿體兩側(cè)面→粗鏜大小頭孔、半精鏜小頭孔→鉆攻螺紋孔→加工裂解槽→裂解→裝配栓→壓襯套并精整→精磨連桿體兩側(cè)面→半精鏜、精鏜大小頭孔→鉸珩小頭孔→清洗→檢驗(yàn)。

裂解工藝的優(yōu)勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)：

⑴裂解工藝改變了連桿加工的關(guān)鍵生產(chǎn)工序，以整體加工代替分體加工，省去分離面的拉削與磨削等工藝，降低了螺栓孔的加工精度要求。

⑵裂解加工技術(shù)具有減少加工工序、優(yōu)化制造工藝，節(jié)省設(shè)備投入及能源消耗，降低連桿制造成本等優(yōu)點(diǎn)。

⑶斷裂形成的分離面是宏觀形態(tài)參差、微觀相互耦合的三維凹凸曲面，可以實(shí)現(xiàn)連桿結(jié)合面3個(gè)方向上的精確定位，裝配后的連桿體與連桿蓋可緊密接觸并互相鎖定，使連桿承載能力、抗剪能力、連桿組件剛度大幅度提高。

典型連桿模鍛生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)工藝流程

⑴錘上模鍛的生產(chǎn)工藝包括，下料→加熱→拔長(zhǎng)→輾壓→預(yù)鍛→終鍛→切邊沖孔→熱校正→熱處理→噴丸→探傷→精壓。

⑵熱模鍛壓力機(jī)模鍛生產(chǎn)工藝包括，下料→加熱→輥鍛（楔橫軋）制坯→預(yù)鍛→終鍛→切邊沖孔→熱校正→熱處理→噴丸→探傷→精壓。

⑶摩擦壓力機(jī)或高能螺旋壓力機(jī)模鍛生產(chǎn)工藝包括，下料→加熱→輥鍛制坯→摩擦壓力機(jī)預(yù)鍛→第二臺(tái)摩擦壓力機(jī)終鍛→切邊沖孔→熱校正→熱處理→噴丸清理→探傷→精壓。

典型連桿模鍛生產(chǎn)線配置

⑴熱模鍛壓力機(jī)模鍛生產(chǎn)線包括，中頻感應(yīng)加熱爐（300kW）→輥鍛機(jī)（φ460mm）或楔橫軋機(jī)→熱模鍛壓力機(jī)（25000kN或31500kN）→閉式單點(diǎn)壓力機(jī)→空冷爐（預(yù)熱淬火+回火爐）→噴丸機(jī)→探傷機(jī)→精壓機(jī)。

這種生產(chǎn)線配置比較先進(jìn)，采用了中頻感應(yīng)加熱，輥鍛或楔橫軋制坯，預(yù)熱處理工藝或非調(diào)質(zhì)鋼新材料。生產(chǎn)線便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，噪聲小，勞動(dòng)環(huán)境好，可生產(chǎn)各種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿，包括轎車連桿，但投資較大。

⑵液壓精鍛錘生產(chǎn)線包括，中頻感應(yīng)加熱爐（600kW）→輥鍛機(jī)（φ560mm）→液壓精鍛錘（63kJ）→開式壓力機(jī)（31500kN）→控溫冷卻（900～950℃）→噴丸機(jī)（600～1200kg/h）→熒光探傷機(jī)→電動(dòng)螺旋壓力機(jī)（4000kN）。

該生產(chǎn)線以轎車連桿為主，鍛件厚度公差基本在±0.2mm以內(nèi)，錯(cuò)差在±0.3mm以內(nèi)，精壓尺寸精度可以控制在±0.1mm之內(nèi)。

圖1 工藝過程圖

⑶摩擦壓力機(jī)生產(chǎn)線包括，中頻感應(yīng)加熱爐（5000kW）→輥鍛機(jī)（φ560mm）→摩擦壓力機(jī)（6300kN）→摩擦壓力機(jī)（10000kN）→閉式單點(diǎn)壓力機(jī)（2500kN）→摩擦壓力機(jī)（3000kN）→余熱淬火（870～900℃）→回火爐（150kW）→噴丸機(jī)→熒光探傷機(jī)。

該生產(chǎn)線以生產(chǎn)柴油機(jī)連桿為主，在摩擦壓力機(jī)上進(jìn)行預(yù)鍛、終鍛、熱校正，工藝過程穩(wěn)定，鍛件質(zhì)量好，生產(chǎn)效率也較高，適合于中小企業(yè)。

連桿模鍛工藝的特點(diǎn)

圖2 工字型截面預(yù)鍛、終鍛設(shè)計(jì)圖

輥鍛制坯

輥鍛制坯工序在連桿模鍛生產(chǎn)中具有重要作用，是保證連桿鍛件質(zhì)量的關(guān)鍵。在輥鍛制坯設(shè)計(jì)中，除了盡可能提高材料利用率外，還要通過模具的設(shè)計(jì)和計(jì)算，保證連桿毛坯在每一道次的輥鍛過程中都不能出現(xiàn)折疊，尤其是連桿的桿部區(qū)域。輥鍛工序設(shè)計(jì)主要有以下4個(gè)要點(diǎn)。

⑴合理確定各道次輥鍛毛坯的形狀和尺寸。

⑵選擇好型槽系，并要合理分配各道次延伸系數(shù)。

⑶合理確定各道次輥鍛毛坯在不同區(qū)域的前滑值S前滑的大小。

⑷準(zhǔn)確計(jì)算各道次毛坯截面尺寸與型槽尺寸。

預(yù)鍛模膛設(shè)計(jì)

預(yù)鍛模膛是用來對(duì)制坯后的坯料進(jìn)一步變形，合理地分配坯料各部位的金屬體積，使其更接近鍛件外形，改善金屬在終鍛模膛內(nèi)的流動(dòng)條件，保證終鍛時(shí)鍛件坯料成形飽滿；避免折疊、裂紋等缺陷，減少終鍛模膛的磨損，提高模具壽命。對(duì)于連桿鍛件，預(yù)鍛模膛設(shè)計(jì)至關(guān)重要。如果預(yù)鍛模膛設(shè)計(jì)不合理，則終鍛后鍛件將產(chǎn)生折疊，或出現(xiàn)局部充不滿的情況。預(yù)鍛模膛設(shè)計(jì)原則主要有以下三點(diǎn)：

⑴預(yù)鍛模膛的形狀和終鍛模膛的形狀基本一致。

⑵為了使預(yù)鍛后的坯料容易放入終鍛模膛，使預(yù)鍛模膛的寬度比終端模膛小1～2mm，預(yù)鍛模膛的高度比終端模膛高2～4mm，保證預(yù)鍛模膛中的坯料實(shí)際高度和橫截面積要大于終鍛模膛的高度和橫截面積。

⑶預(yù)鍛模膛的拔模斜度一般應(yīng)該與終鍛模膛一致。也可以根據(jù)具體情況，采用增大拔模斜度、寬度不變的方法來解決成形難的問題。

預(yù)鍛模膛的圓角半徑一般比終鍛模膛大2～3mm，這樣可以減輕金屬流動(dòng)的阻力，防止產(chǎn)生折疊；合理設(shè)計(jì)預(yù)鍛大頭孔的劈料凸臺(tái)的形狀與尺寸，防止因金屬流動(dòng)不合理，而產(chǎn)生叉口部位出現(xiàn)局部充不滿情況。

連桿鍛件最易在工字形截面的桿部腹板處產(chǎn)生折疊，故對(duì)于連桿工字形截面的預(yù)鍛和終鍛設(shè)計(jì)原則為公式(1)～(6)（單位為mm），公式（7）、（8）。

鍛模制造技術(shù)

轎車連桿重量公差國(guó)際上通用的標(biāo)準(zhǔn)為產(chǎn)品重量的2%～3%，一般發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿重量公差要求在3%～5%范圍內(nèi)。要控制連桿重量，模具制造精度是一個(gè)非常重要的因素。

終鍛型槽的制作，要按精密級(jí)鍛件的要求來制作。首先用三坐標(biāo)數(shù)控銑床進(jìn)行終鍛模膛的粗加工，粗加工后進(jìn)行模具熱處理，這樣就能有效保證模膛的強(qiáng)度，提高模具壽命。

模具熱處理后再進(jìn)行半精加工，然后在精密電火花機(jī)床上用石墨電極沖型，最后進(jìn)行拋光處理。石墨電極精沖深度為0.5mm，電流選擇15A。型槽公差深度、水平方向均可達(dá)±0.05mm。終鍛型槽尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，盡量趨于公差下限，使初始鍛件重量保持在重量公差下限，隨著模具模膛的磨損，重量會(huì)逐步向上限移動(dòng)。

為增加模具模膛耐磨性，延長(zhǎng)模具使用壽命，可對(duì)模膛進(jìn)行離子滲氮處理，滲氮層厚度為0.15～0.35mm，硬度在44～48HRC之間。

結(jié)束語(yǔ)

連桿作為發(fā)動(dòng)機(jī)上重要的零部件，其模鍛水平直接影響著連桿的質(zhì)量，這就要求我們不斷提高模鍛工藝水平來滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)連桿的要求。

吳傲宗，工程師，主要從事鍛模工藝開發(fā)及鍛模三維化設(shè)計(jì)工作。