文/黃麗娟，馬永權(quán)，史延辰，劉文榮·南宮市精強(qiáng)連桿有限公司

淺析脹斷連桿模具的設(shè)計(jì)工藝

文/黃麗娟，馬永權(quán)，史延辰，劉文榮·南宮市精強(qiáng)連桿有限公司

傳統(tǒng)連桿采用分體加工法，用銑、鋸、拉、磨等方法加工連桿體和連桿蓋的結(jié)合面（簡(jiǎn)稱分開面），以螺栓孔或定位銷定位保證連桿體和連桿蓋的結(jié)合面穩(wěn)定。近年來，隨著汽車工業(yè)飛速發(fā)展，發(fā)展起來一種新的連桿加工技術(shù)。新型脹斷連桿是將連桿大頭孔加工產(chǎn)生應(yīng)力集中的裂解槽，然后由楔鐵向下推動(dòng)脹套對(duì)連桿產(chǎn)生壓力，使連桿大頭孔從裂解槽處裂解，裂解后利用脹斷面的相互嚙合進(jìn)行定位，裝配連桿。此方法的改進(jìn)減少了加工工序，降低了螺栓連接孔的精度要求，從而降低了成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

本文以南宮精強(qiáng)連桿有限公司C70S6材料脹斷連桿產(chǎn)品為例，淺析脹斷連桿模具的設(shè)計(jì)工藝。

鍛造模具設(shè)計(jì)

C70S6材料主要化學(xué)元素含量為C-0.72%，Mn-0.5%，S-0.06%，P-0.009%，V-0.04%，其金相組織為珠光體加鐵素體?？估瓘?qiáng)度為900～1050MPa，屈服強(qiáng)度≥520MPa，延伸率δ≥10%，斷面收縮率ψ≥20%。疲勞強(qiáng)度是連桿材料的一個(gè)重要性能指標(biāo)，疲勞試驗(yàn)在諧振式疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，施加對(duì)稱循環(huán)載荷107次時(shí)，有限循環(huán)應(yīng)力為±343MPa，很好滿足了連桿的工作性能和壽命要求。

鍛模是實(shí)現(xiàn)脹斷連桿生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一。C70S6材料脹斷連桿采用有飛邊、熱模鍛工藝方式進(jìn)行生產(chǎn)，圖1所示為連桿鍛模設(shè)計(jì)流程。

圖1 鍛模設(shè)計(jì)流程

鍛件圖設(shè)計(jì)

根據(jù)鍛造設(shè)備、機(jī)加工性能、機(jī)加工工藝，留機(jī)加工余量后設(shè)計(jì)鍛件圖紙。圖2所示為與客戶反復(fù)溝通后，最終確認(rèn)的鍛件簡(jiǎn)化圖紙。

圖 2 鍛件簡(jiǎn)化圖紙

終鍛模具設(shè)計(jì)

圖2 所示鍛件采用1000t熱模鍛壓力機(jī)鍛造，鍛件一次沖程鍛造成形，模腔采用電火花加工。鍛件尺寸會(huì)受到鍛模受熱膨脹、鍛件中心距長(zhǎng)度、鍛件復(fù)雜系數(shù)等因素的影響，C70S6材料連桿模具鍛造收縮系數(shù)設(shè)計(jì)為1.5%，中心距方向鍛造收縮系數(shù)設(shè)計(jì)為1.56%，據(jù)此設(shè)計(jì)終鍛模具型腔如圖3所示。

⑴終鍛飛邊槽設(shè)計(jì)。

由于鍛件復(fù)雜系數(shù)高，鍛件充不滿模腔即報(bào)廢，需增加金屬流出模腔的阻力，迫使充滿模腔。因此，要求飛邊能有效的緩沖鍛造過程中上下模具打擊力量，預(yù)防模具壓塌或開裂，要求飛邊能容納多余的金屬。共提出了5套飛邊槽設(shè)計(jì)方案，如圖4所示。

圖3 終鍛模具型腔

圖4 飛邊槽設(shè)計(jì)方案

方案1：橋部在上模，橋部接觸鍛件時(shí)間短，溫度低，橋部不易過熱與磨損，終鍛模具制造簡(jiǎn)單。但橋部阻力小，容易產(chǎn)生充不滿現(xiàn)象，若加大橋部高度容易導(dǎo)致模具壓塌與開裂，影響模具壽命。

方案2：橋部在下模，終鍛、切邊模具制造簡(jiǎn)單。但同樣橋部阻力小，容易產(chǎn)生充不滿現(xiàn)象，若加大橋部高度容易導(dǎo)致模具壓塌與開裂，影響模具壽命。

方案3：上下模設(shè)計(jì)橋部并加寬橋部，并在橋部位置設(shè)置阻止金屬流動(dòng)的擋流槽。此方法能有效的加大橋部阻力，鍛件充滿容易。但設(shè)備噸位不夠時(shí)容易產(chǎn)生上下模打不靠現(xiàn)象，影響鍛件厚度，產(chǎn)生不合格品。

方案4：橋部在上模，下模設(shè)置擋流槽，擋流槽和橋部配合。此方法能有效的加大橋部的阻力，鍛件容易充滿，橋部與鍛件接觸時(shí)間短，溫度低不易過熱與磨損，有效延長(zhǎng)了模具的壽命。

方案5：上下模均設(shè)計(jì)橋部，有效加大橋部寬度，增加橋部阻力，同時(shí)料倉(cāng)較其他方案大，多次打擊能很好保證模腔充滿，但材料利用率偏低，橋部壽命偏低。

根據(jù)以上方案優(yōu)缺點(diǎn)比較，最終選擇方案4。

圖5 模具實(shí)物圖

⑵終鍛頂料桿設(shè)計(jì)。

當(dāng)鍛件形狀簡(jiǎn)單、容易出模時(shí)，在模具上設(shè)置鉗口，用鐵鉗直接夾出即可。此鍛件形狀較為復(fù)雜，且為一次沖程鍛造成形，出模困難。若用鐵鉗直接夾出，人為因素大，容易產(chǎn)生連桿彎曲，影響直線度。因此，在連桿大小孔中心設(shè)計(jì)長(zhǎng)度合適的頂料桿，鍛壓完成后頂料桿頂出連桿，保證連桿直線度。圖5所示為模具實(shí)物圖。

⑶終鍛模具運(yùn)用QFORM軟件進(jìn)行鍛造模擬，根據(jù)模擬檢測(cè)設(shè)計(jì)合理性。

切邊模具設(shè)計(jì)

切邊模具包括上凸模、下凸模、上凸模固定板、下凸模固定板、切邊凹模、卸料板、沖頭等。其中上凸模固定在上凸模固定板上，下凸模固定在下凸模固定板上，連桿鍛件放置在下凸模和卸料板上面；切邊時(shí)，上凸模、沖頭和切邊凹模下行，上下凸模抱緊找正連桿；沖頭和切邊凹模繼續(xù)下行，切邊凹模切下連桿飛邊，卸料板壓緊彈簧下行，沖頭切下大頭孔連皮，完成切邊過程。

熱校正模具設(shè)計(jì)

熱校正模具包括上、下兩熱校正模具，安裝在100t壓力機(jī)上，因鍛件鍛造過程中受各種因素影響，尺寸有散差，直線度、平面度受到影響，熱校正模具的作用是將連桿的厚度標(biāo)準(zhǔn)化，直線度、平面度達(dá)到要求，為機(jī)加工提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的尺寸，保證機(jī)加工精度。

預(yù)鍛模具設(shè)計(jì)

通過預(yù)鍛可改善金屬在終鍛模腔中的流動(dòng)條件，使金屬易于充滿終鍛模腔，避免鍛件產(chǎn)生充不滿或折疊等缺陷，并提高整套鍛模的壽命。但預(yù)鍛也有導(dǎo)致終鍛時(shí)產(chǎn)生偏心打擊、使上下模發(fā)生錯(cuò)移，增大模塊尺寸、降低生產(chǎn)效率的缺點(diǎn)。

根據(jù)以上分析，為提高產(chǎn)品質(zhì)量，C70S6材料連桿制造工藝中增加了預(yù)鍛工序。為確保桿部不產(chǎn)生折疊，防止變形不均勻等原因造成的金屬回流，采用以下方法保證預(yù)鍛模腔與終鍛模腔相匹配：①預(yù)鍛與終鍛截面積比值為1∶0.9475，保證終鍛能充滿模腔；②高度遞增，寬度遞減，保證預(yù)鍛件能放進(jìn)終鍛型腔內(nèi)；③外圓角遞減，內(nèi)圓角遞增，預(yù)防產(chǎn)生折疊。④運(yùn)用QFORM軟件進(jìn)行預(yù)鍛過程模擬，模擬檢測(cè)合理后，預(yù)鍛工件進(jìn)入終鍛模擬。

圖6 鍛件與毛坯截面積簡(jiǎn)化對(duì)比圖

輥鍛毛坯計(jì)算、原材料尺寸計(jì)算、輥鍛模具設(shè)計(jì)

根據(jù)鍛件任意一個(gè)截面積+相應(yīng)截面飛邊截面積=毛坯截面積的原則，計(jì)算輥鍛毛坯。由毛坯計(jì)算結(jié)果，按體積不變的原則計(jì)算原材料尺寸，其中不參與輥鍛處的直徑即為毛坯直徑。然后綜合分析毛坯金屬流向、毛坯復(fù)雜系數(shù)、折疊產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)等因素，確定輥鍛次數(shù)為5次，進(jìn)而合理分布輥壓量，并通過德國(guó)VERACAD軟件設(shè)計(jì)各輥鍛模輥壓量分布。設(shè)計(jì)完后運(yùn)用俄羅斯QFORM軟件進(jìn)行輥鍛模擬，模擬檢測(cè)合理后模擬輥鍛毛坯工件進(jìn)入預(yù)鍛模擬。輥鍛過程模擬如圖7所示。

圖7 輥鍛過程模擬

結(jié)束語

隨著制造業(yè)的發(fā)展，鍛造行業(yè)向著節(jié)能降耗、精密鍛造的方向迅猛發(fā)展。生產(chǎn)制造前，進(jìn)行潛在的失效模式和后果分析，運(yùn)用QFORM進(jìn)行鍛造有限元模擬，通過CAD、VERACAD等軟件進(jìn)行精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，可以最大程度提高材料利用率及產(chǎn)品合格率。同時(shí)，也有利于簡(jiǎn)化工藝流程，節(jié)約生產(chǎn)成本，為行業(yè)的發(fā)展添磚加瓦。