文/李偉陽,康海鵬,朱保亮,李大喬·寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司熱工分公司

基于自由鍛的大型連桿體胎模鍛工藝設(shè)計(jì)

文/李偉陽,康海鵬,朱保亮,李大喬·寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司熱工分公司

本文針對(duì)特殊的大型連桿體，在不適合模鍛的情況下，設(shè)計(jì)出一種自由鍛結(jié)合胎模鍛的鍛造工藝，利用胎模鍛出連桿體的桿部和球形頭部，再自由鍛鍛出連桿體頭部，使整個(gè)連桿體外形接近零件，避免鍛件流線機(jī)加工時(shí)被切斷，設(shè)備和模具投入小、鍛件重量輕、機(jī)加工余量少，鍛件力學(xué)性能更優(yōu)越。

背景介紹

連桿體在傳遞力的過程中，承受著很高的周期性沖擊力、慣性力和彎曲力，這就要求連桿體具有高的強(qiáng)度、韌性和疲勞性能。由于模鍛成形接近最終產(chǎn)品幾何形狀和尺寸精度，同時(shí)可以改善其組織，獲得更高的力學(xué)性能，所以在連桿體生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位。模鍛連桿體具有大批量、小規(guī)格的特點(diǎn)，對(duì)于某些大尺寸連桿體需要投入大型的模鍛設(shè)備和模具才能完成。

本文針對(duì)小批量、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸大的連桿體，設(shè)計(jì)出一種在自由鍛基礎(chǔ)上結(jié)合胎模鍛的鍛造工藝，可以鍛造出接近零件外形的連桿體毛坯，減少鍛件重量和機(jī)加工余量，滿足設(shè)備模具的較小投入，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

零件結(jié)構(gòu)和工藝性分析

圖1為連桿體零件示意圖，總長(zhǎng)1298mm，厚度150mm，重量270kg，材料42CrMo。分析其結(jié)構(gòu)：可以分為大方形頭部，圓形桿部和拍扁的球形小頭部。與傳統(tǒng)連桿體相比，桿部沒有工字凹槽，有利于胎模成形，大頭部重量大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于自由鍛成形，小頭外圓部為球形，可以通過球形模摔球后拍扁成形。

鍛造工藝設(shè)計(jì)

鍛造過程如下：

下料→加熱→粗拔長(zhǎng)桿部臺(tái)階→加熱→分料模分料→桿部摔模拔長(zhǎng)桿部→拍扁鍛方大頭部→加熱→模鍛球形小頭→拍扁球形小頭→精整→正火。

根據(jù)鍛件重量和尺寸，確定在3t電液錘上鍛造，整個(gè)鍛造過程分3火次完成，分料時(shí)由于桿部直徑相對(duì)較?。é?45mm），重量小，為了能更準(zhǔn)確地分料，用分料模來限制金屬流動(dòng)，然后桿部在桿部摔模內(nèi)成形，保證了桿部的尺寸和表面質(zhì)量。

大頭部重量大，約占整個(gè)鍛件的2/3左右，外形簡(jiǎn)單，寬度大于厚度的2倍以上，根據(jù)圓形截面變扁方截面公式：φ=(2B+H）/3（其中φ為拍扁前圓鋼的直徑，B為拍扁后方坯的寬度，H為拍扁后方坯的厚度），采用自由鍛拍扁鍛方，頭部留自然圓弧成形。

圖1 連桿體零件示意圖

小頭部由球形拍扁而成，根據(jù)球體拍扁經(jīng)驗(yàn)公式：Sφ=b+2(D-b）/3（其中Sφ為拍扁前球體直徑，b為球體拍扁后的厚度，D為球體拍扁后的最大直徑），求得球體拍扁前的球徑，再根據(jù)體積不變?cè)淼玫剿で蚯皥A柱形坯料的直徑和長(zhǎng)度。

大小頭部的孔壁相對(duì)來說較薄，沖孔時(shí)容易沖偏或使鍛件變形走樣，故孔不沖出。

胎模設(shè)計(jì)

圖2、圖3、圖4分別為分料模，桿部摔模和球形摔模。

圖2 分料模

圖3 桿部摔模

圖4 球形摔模

整個(gè)鍛造過程要使用以上三件模具各一對(duì)，用分料模分料后在錘上胎模鍛完成桿部和小頭部，自由鍛大頭部。

分料模由兩個(gè)互成120°的斜面構(gòu)成，上下分料模合模后的內(nèi)孔高度即為粗拔長(zhǎng)桿部臺(tái)階的直徑，根據(jù)體積不變?cè)泶_定分料模寬度。

桿部摔模內(nèi)腔為橢圓形，在摔桿的過程中，要不斷的轉(zhuǎn)動(dòng)鍛件，以便桿部變形均勻，橢圓形內(nèi)腔易于鍛件轉(zhuǎn)動(dòng)，利于金屬變形流動(dòng)，不夾料，不會(huì)產(chǎn)生折疊，摔模兩端有R50mm的大圓弧倒角，以便桿部和兩頭自然過渡。

球形摔模在球頭頂部開有溢流孔，其作用在于摔球過程中便于金屬向摔模后部流動(dòng)，減小變形阻力，防止坯料咬死，使金屬更好的充滿球形模型腔。

發(fā)現(xiàn)的問題和工藝改進(jìn)方向

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)反饋，在圓形坯料拍扁鍛方時(shí)，坯料的變形方向主要集中在圓形坯料的中間部分，變形的不均勻會(huì)使拍扁后的坯料中間寬度大于兩頭，有時(shí)甚至使兩頭達(dá)不到工藝尺寸要求，所以按圓截面變扁方截面公式時(shí)，應(yīng)在計(jì)算得出的直徑數(shù)據(jù)上加放20～30mm左右為宜，也要注意在拍扁鍛方過程中盡量使中間和兩頭變形均勻。

現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，頭部在摔球模內(nèi)摔球時(shí)，球體后部金屬流動(dòng)阻力非常大，有時(shí)金屬難以從溢流孔中擠出，甚至形成嚴(yán)重的折疊、夾層。所以在摔球模內(nèi)摔球前，用氧氣乙炔將柱形坯料的一頭環(huán)切去一部分，使坯料頭部形成錐形，這樣有利于金屬在模具內(nèi)流動(dòng)，并從溢流孔流出，更好的充滿型腔。

結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了自由鍛的大型連桿體胎模鍛工藝設(shè)計(jì)，得出以下幾個(gè)結(jié)論：

⑴這種基于自由鍛基礎(chǔ)上的胎模鍛大型連桿體工藝，可以鍛造出符合設(shè)計(jì)圖紙要求的連桿體鍛件，如圖5、圖6所示。

圖5 實(shí)體鍛件

圖6 實(shí)體零件

⑵連桿體鍛件內(nèi)部流線符合鍛件外形，力學(xué)性能優(yōu)越，機(jī)加工余量較自由鍛小，鍛件重量輕。

⑶該工藝設(shè)備和模具投入小，模具簡(jiǎn)單，易操作和維護(hù)，經(jīng)濟(jì)效益好。