蔡丹云

（浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310013）

連桿鍛造成形數(shù)值模擬及工藝參數(shù)優(yōu)化分析

蔡丹云

（浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310013）

本文通過對(duì)連桿的模具選取、數(shù)值模擬以及相關(guān)工藝參數(shù)優(yōu)化等方面對(duì)連桿進(jìn)行研究，并總結(jié)出連桿加工鍛造技術(shù)的發(fā)展及特性，為今后的進(jìn)一步發(fā)展與研究提供參考。

連桿；鍛造；數(shù)值模擬；優(yōu)化

1　連桿鍛造工藝研究進(jìn)展概述

在我國(guó)機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)，人們關(guān)于對(duì)連桿的研究從未停止。在一系列的研究下，連桿鍛造工藝的缺陷以及改進(jìn)措施都已被提出，這促進(jìn)了連桿鍛造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。在建國(guó)初期，隨著長(zhǎng)春一汽的建成，我國(guó)開始獨(dú)立鍛造連桿工件［1-2］。但這時(shí)的鍛造技術(shù)比較落后，而且制造的產(chǎn)品多為成批產(chǎn)品，難以獨(dú)立設(shè)計(jì)連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行鍛造。后來，南京汽車制造廠開始靠固定的小地爐，通過大量的勞動(dòng)力，手工打造連桿鍛件，這為鍛造技術(shù)的發(fā)展翻開了新的篇章。如今，我國(guó)的連桿鍛造技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，像國(guó)內(nèi)的二汽鍛造廠，就以其工藝新、材料新、設(shè)備新的特點(diǎn)，大量使用熱模鍛壓力機(jī)等機(jī)器，鍛造出優(yōu)質(zhì)連桿。

2　連桿的鍛造工藝分析

2.1下料

下料是連桿鍛造過程的第一個(gè)環(huán)節(jié)，下料方式一般有兩種，即剪切和鋸切。在大多數(shù)的連桿鍛造中，其下料方式均為鋸切。因?yàn)槿绻捎眉羟蟹绞?，則極易造成材料端面的平整光滑度受損。在制造毛坯時(shí)，如果采用輥鍛技術(shù)，則需要利用機(jī)械的夾手來夾住毛坯材料，如果材料不平或不規(guī)則，則容易造成材料脫落，從而造成意外事故發(fā)生，因此利用輥鍛技術(shù)制造毛坯時(shí)一般采用鋸切下料方式［3-4］。

2.2加熱

在加熱生產(chǎn)工序中，首先需要考慮的是怎樣使其受熱均勻，而且如何控制溫度使其保持在合適的范圍也是極其重要的。在現(xiàn)在的加熱環(huán)節(jié)中，加熱環(huán)境已經(jīng)得到極大改善，為了更好的提高加工質(zhì)量，使得生產(chǎn)更加便捷可靠，一般采用頻率感應(yīng)方式進(jìn)行加熱。這樣不僅可以降低能耗，而且溫度更易控制，通過這個(gè)方式得到的坯料的氧化層較薄，比起以往的坯料氧化層更易去除。但是在生產(chǎn)中這種方式要求比較嚴(yán)格，因?yàn)樯a(chǎn)節(jié)拍的影響，所以在加熱時(shí)，應(yīng)注意控制坯料整體的溫差；在坯料移除前，不能使坯料暴露在膛爐的膛口，因?yàn)檫@樣會(huì)造成坯料整體的溫差過大，這個(gè)步驟可以通過調(diào)節(jié)相應(yīng)開關(guān)來控制。對(duì)于鍛件來說，加熱溫度的高低將直接影響其整體質(zhì)量（包括內(nèi)在和外觀）。一般來說，溫度低對(duì)于鍛造連桿的剛度、強(qiáng)度有力，同時(shí)有利于后續(xù)工藝進(jìn)程的進(jìn)行。但是溫度過低時(shí)，常常會(huì)造成金屬融化不足，流動(dòng)性能較差，模具將承受大量應(yīng)力，從而加劇模具的磨損，制造完成的連桿容易開裂的后果。因此一般不能將溫度調(diào)的過低。但是溫度過高也容易造成一系列問題，例如金屬流動(dòng)性能太強(qiáng)，造成鍛件表面的氧化破壞極其嚴(yán)重等。因此，加熱溫度應(yīng)在保證鍛件成型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。

2.3輥鍛

輥鍛制坯是常用的毛坯制造方式，適合大批次的連桿生產(chǎn)。但其投資較大，且模具的磨損比較嚴(yán)重。因此在輥鍛制坯時(shí)，我們應(yīng)注意輥鍛模具的質(zhì)量，因?yàn)檩佸懼苯佑绊戇B桿質(zhì)量，因此輥鍛模具應(yīng)保持光滑。由于輥鍛模具在長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)由于金屬流動(dòng)造成不光滑等現(xiàn)象，因此需定期清理模具表面，使其保持光滑，避免坯料由于不光滑出現(xiàn)折痕。而且輥鍛的時(shí)候，每一次加工的咬合處都不一致，因此需在加工前仔細(xì)觀察坯料是否表面不平整或是出現(xiàn)劃痕、擦傷等情況，然后調(diào)整輥鍛的機(jī)械夾手，防止坯料掉落出現(xiàn)意外事故。機(jī)械夾手在使用過程中，若操作不當(dāng)，極容易坯料造成磨損。以上問題都是輥鍛過程中極易出現(xiàn)的問題，因此在輥鍛加工時(shí)，必須避免出現(xiàn)這些情況，從而保證加工工藝的質(zhì)量。輥鍛成形原理如圖1所示。

圖1　輥鍛成形原理圖

2.4模鍛

連桿的模鍛成形設(shè)備有很多種，常用的有熱模鍛壓力機(jī)、摩擦壓力機(jī)等。在模鍛成形的加工過程中應(yīng)注意：對(duì)于已經(jīng)經(jīng)過輥鍛的坯料，當(dāng)對(duì)其進(jìn)行模鍛時(shí)，應(yīng)注意在模鍛膛爐中翻轉(zhuǎn)坯料，以防出現(xiàn)氧化層剝落不完整的現(xiàn)象。而且在輥鍛過程中，有些坯料的部位并未發(fā)生變形，因此要先將這些部位壓扁，使得坯料容易夾緊定位。而且有利于去除氧化層表皮。在生產(chǎn)中，應(yīng)使生產(chǎn)節(jié)拍保持一致，這樣有利于后續(xù)工藝的進(jìn)行，同時(shí)有利于提高加工質(zhì)量［5-7］。

在連桿的模鍛觀過程中，最容易出現(xiàn)連桿裂紋、飛邊、麻點(diǎn)等問題，因此在此工藝過程中應(yīng)注意利用以下措施來解決這些問題。首先對(duì)于材料不同，幾何形狀不同的連桿，應(yīng)根據(jù)其需要的模鍛工藝，選取相應(yīng)的預(yù)鍛膛爐，使最終成型效果與設(shè)計(jì)匹配；其次，應(yīng)重視個(gè)連接部件之間的配合，對(duì)于連桿各部位的參數(shù)選取與設(shè)計(jì)，這樣可以使坯料金屬的流動(dòng)性不受模具的影響，避免產(chǎn)生折疊等現(xiàn)象。在預(yù)鍛凸臺(tái)的部位，應(yīng)該合理設(shè)計(jì)相應(yīng)形狀尺寸，尤其是對(duì)于只鍛連桿的桿體部位，由于這個(gè)部位屬于叉口形狀，因此其尺寸應(yīng)該合理選擇，否則將造成金屬流動(dòng)受阻，從而在此部位出現(xiàn)材料填充不滿現(xiàn)象，使得連桿的整體流線連暢性被破壞，最終應(yīng)不合格而被丟棄。在膛爐進(jìn)行鍛造時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)坯件進(jìn)行修正，打磨，拋光等，使得坯件與模具匹配。在模具制造時(shí)，注意控制生產(chǎn)節(jié)拍使其保持穩(wěn)定，同時(shí)鍛打的溫度應(yīng)控制在一定值。在鍛打時(shí)，注意潤(rùn)滑劑的噴涂，從而使得模具具有高的光潔度和制造精度。在進(jìn)行鍛打時(shí)，打擊力量應(yīng)控制在一定值，以免出現(xiàn)工件磨損。

2.5切邊沖孔

切邊沖孔是指在已經(jīng)成形的坯料上利用模具進(jìn)行加工，一般來說，切邊沖孔最好在坯料仍有溫度時(shí)進(jìn)行，因?yàn)樵阱懺爝^程完成后，坯料本身會(huì)存有一定的余熱，這些余熱有助于減小坯料的強(qiáng)度，使得在切邊時(shí)所受應(yīng)力較小。切邊沖孔時(shí)應(yīng)注意避免模具不匹配，因?yàn)檫@樣極易造成切割后的坯料產(chǎn)生毛邊不均的現(xiàn)象。同時(shí)切邊變形也是常常遇到的問題，因此在切邊沖孔時(shí)，應(yīng)做好相應(yīng)的防護(hù)措施。避免坯料因?yàn)閼?yīng)力變形造成的損失。

2.6校正

連桿的校正是連桿生產(chǎn)工序的最后一步，此道工序是保證連桿質(zhì)量的重要工序。校正一般比較簡(jiǎn)單。一般是針對(duì)連桿表面的平整度以及整體厚度而言，對(duì)于有特殊要求的連桿，其相應(yīng)校正程序也應(yīng)進(jìn)行。從而保障連桿的質(zhì)量合格。

3　連桿鍛造成形數(shù)值模擬分析

3.1金屬塑性成形有限元理論

金屬的塑性成形是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，可以將它看做一個(gè)非線性的問題來解決。由于金屬的塑性成形既要考慮材料的屬性，又要考慮最后成形的幾何形狀。因此它可以分為材料非線性問題與幾何非線性問題。一般而言，在金屬的成形過程中，許多因素都將影響最后的成形效果，例如溫度、摩擦、模具等。由于這些因素的不可控性，因此采用有限元的數(shù)值模擬方法對(duì)金屬塑性成形進(jìn)行求解。在連桿的熱鍛成形過程中，金屬不僅表現(xiàn)其塑性，同時(shí)也有相應(yīng)的粘性。連桿的成形是是在熱力耦合的作用下完成的。因此在分析金屬塑性成形時(shí)，必須進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)值模擬前應(yīng)注意分析假設(shè)其相應(yīng)的邊界條件，這樣有利于通過數(shù)學(xué)角度來解決問題。一般在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，會(huì)將連桿假設(shè)為理想材料，忽略連桿的彈性變形。而在實(shí)際中，連桿的彈塑性變形可通過相關(guān)理論進(jìn)行求解，但其過程比較復(fù)雜。因此采用有限元法，借助相應(yīng)的原理，對(duì)金屬變形區(qū)域進(jìn)行離散化，從而得到相應(yīng)的結(jié)果。

金屬的塑性成形有限元分析系統(tǒng)是一個(gè)綜合系統(tǒng)，它包含了有限元分析，彈塑性變形分析和計(jì)算機(jī)模擬分析等相關(guān)技術(shù)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，目前有限元分析系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于塑性成形領(lǐng)域。目前有限元分析系統(tǒng)可模擬分析各類材料的彈塑性變形，模擬計(jì)算復(fù)雜的成形過程，并對(duì)影響成形的各因素進(jìn)行分析。其分析的相應(yīng)應(yīng)力變化、溫度變化等結(jié)果，可以作為相應(yīng)指標(biāo)來優(yōu)化成形設(shè)計(jì)［8］。

3.2連桿壓扁工步優(yōu)化

連桿壓扁工藝比較簡(jiǎn)單，但在連桿壓扁過程中存在一個(gè)較難的問題是如何確定壓扁高度值，這個(gè)值對(duì)于后續(xù)工藝的順利展開影響重大。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，一般根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取，這樣選取的高度值針對(duì)性較差，而且不一定適用于所有的連桿。因此現(xiàn)在一般采用3D軟件進(jìn)行不同高度值得模擬分析。

對(duì)于壓扁成形階段的分析，應(yīng)在選取相應(yīng)的機(jī)械后，建立有限元模型。一般在相應(yīng)范圍內(nèi)選取間隔大約為5mm左右的幾個(gè)高度值進(jìn)行模擬。在選取了高度值以后，利用軟件模擬出連桿制造的第一階段，將第一階段的計(jì)算結(jié)果作為已知條件導(dǎo)入到第二階段的計(jì)算中。以此類推，從而完成整個(gè)過程的數(shù)值模擬。在數(shù)值模擬完成后，需要分析每一高度下工件的損傷程度，因?yàn)殄懠膿p傷是評(píng)價(jià)鍛件質(zhì)量的重要因素，鍛件損傷情況可以查看相應(yīng)的云圖。在分析完損傷后，需要觀察工件的鍛件成形的沖填情況，一般若工件的端面與模具型腔完全接觸，則填充情況完好。填充情況完好是鍛件需要滿足的首要條件，最終通過一系列的分析，選取最優(yōu)的壓扁高度值。

4　連桿鍛造成形工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化

在金屬的塑性成形過程中，其形成機(jī)理是非常復(fù)雜的，工藝參數(shù)對(duì)其的影響是許多參數(shù)共同作用引起的，因此在進(jìn)行工藝參數(shù)選取時(shí)，應(yīng)該綜合考慮各個(gè)參數(shù)的影響，經(jīng)過分析后選取合適的參數(shù)，目前的理論研究一般都通過單個(gè)元素的分析來確定其對(duì)鍛件的影響，但在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，工藝參數(shù)是相互作用的，且在選取時(shí)，一般選取綜合效果較好的參數(shù)，因?yàn)閷?duì)于連桿鍛件而言，不僅要努力提高其加工質(zhì)量，還要考慮相應(yīng)模具的制造和磨損。

在實(shí)際的模擬中，一般采用鍛件的應(yīng)力值，損傷程度和模具磨損度作為鍛件成形工藝的主要指標(biāo)，然后采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行試驗(yàn)，綜合考慮各試驗(yàn)參數(shù)對(duì)鍛件的影響。最后采用正交試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，建立起鍛件成形與工藝參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，得到有限元算法的最優(yōu)解。正交試驗(yàn)法在現(xiàn)在的設(shè)計(jì)中應(yīng)用非常廣泛，因?yàn)槿暨x取全面試驗(yàn)的方法，則試驗(yàn)強(qiáng)度將大大增加。

在對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行求解時(shí)，由于求解的各目標(biāo)極值不同。因此得到的求解結(jié)果是互相矛盾的，所得到的最優(yōu)解是不能使用的。因此需要對(duì)各目標(biāo)進(jìn)行處理，使得相互之間協(xié)調(diào)，從而得到最優(yōu)解。一般求解多目標(biāo)問題的方法分為兩種，即直接法和間接法。通過這兩種方法，可以較好的完成優(yōu)化。其中，直接法是通過從所有解中選取較優(yōu)的解。間接法是對(duì)求解問題進(jìn)行分類處理，通過對(duì)問題的改造，完成將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化成單目標(biāo)問題，從而簡(jiǎn)化求解過程。間接法也可將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化成幾個(gè)小問題進(jìn)行求解，這種方法得到的優(yōu)化設(shè)計(jì)效果較好［9］。

5　結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)鍛造連桿的生產(chǎn)步驟的介紹，初步揭示相關(guān)軟件的在連桿設(shè)計(jì)中怎樣使用，同時(shí)分析它對(duì)連桿生產(chǎn)產(chǎn)生的影響，從而對(duì)成形工藝進(jìn)行模擬優(yōu)化，為連桿設(shè)計(jì)的進(jìn)一步提高提供一些高效的制作工藝，為連桿生產(chǎn)的蓬勃發(fā)展提供一定的參考。

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Numerical Simulation and ProcessParameter Optimization Analysisof Connecting Rod Forging

Cai DanYun
（Zhejiang Institute of Water Conservancy and Hydropower，Hangzhou Zhejiang 310013）

From the rod mold selection，numerical simulation and optimization of related process parameters and other aspects，this paper studied the connecting rod，and summarized the development and characteristics of connecting rod forging processing technology，so as to provide a reference for further development and research.

connecting rod；forging；numerical simulation；optimization

TG316

A

1003-5168（2015）12-0033-3

2015-11-20

浙江省科技廳公益技術(shù)研究工業(yè)項(xiàng)目（2014c31112）。

蔡丹云（1975.2-），女，研究生，講師，研究方向：模具設(shè)計(jì)與制造。