脹斷連桿鍛造工藝與模具設計分析

文/林棟，林鵬飛，徐俊峰，王建科，宋虎林·天潤曲軸股份有限公司

脹斷連桿鍛造工藝與模具設計分析

文/林棟，林鵬飛，徐俊峰，王建科，宋虎林·天潤曲軸股份有限公司

連桿在進行模具設計之前，首先應該確定合理的生產工藝，然后根據生產工藝設計合適的模具。本文以我公司生產的某連桿為例，依據連桿的形狀參數，選擇在4000t熱模鍛壓力機生產線上進行生產，其工藝流程為：下料→加熱→去氧化皮→輥鍛→壓扁→預鍛→終鍛→沖孔→切邊→熱校正。

連桿在鍛造過程中需要多個模具來成形，根據鍛造工藝來設計模具，有利于了解坯料金屬流向。而且在設計模具時，還要注意不同材料對應的熱膨脹系數也不同。

輥鍛模具設計

連桿鍛件的材料利用率一般在65%～80%之間，輥鍛時利用率分別按照75%、80%、70%計算出大頭（加連皮后）、桿部、小頭的用料直徑，然后根據計算好的直徑使用模擬軟件設計輥鍛模具，得出輥鍛各部分示意圖，如圖1所示。

由于連桿大頭與桿部的用料直徑相差較大，變形也比較大，一般按照4道次設計輥鍛，每道次最大縮減率不超過35%。過渡圓角內角、外角要選擇合理數值，否則，內角過小，則會造成鍛件本體產生折疊缺陷；外角過大，會造成鍛件填充不滿、產生缺肉缺陷。

圖1 輥鍛各部分示意圖

由于加熱溫度的差異，輥坯成形時小頭端面容易形成縮口，所以在計算小頭用料時，一般要在滿足鍛件成形的基礎上再增加5mm的用料；在計算終鍛用料時，主要從便于把輥鍛產生的縮口缺陷流入到飛邊中，不在鍛件端面形成折疊等方面考慮。

壓扁設計

壓扁模大小頭上下模間隙設計比連桿厚度小,壓扁時將坯料橫向尺寸增加有利于大頭橫向成形。間隙太大，坯料寬度不夠，造成大小頭橫向充不滿；間隙太小，坯料太扁，中間余料不足,造成大小頭孔及桿部工字筋充不滿，壓扁間隙示意圖如圖2所示。

預鍛模具設計

模膛設計

圖2 壓扁間隙示意圖

圖3 預鍛橋部示意圖

預鍛需要保證有足夠的坯料使鍛件最終成形。因此，預鍛模型腔深度按照比終鍛模型腔深度單邊深的思路進行設計。大小頭連皮厚度在橋部高度的基礎上少量下沉，保證連皮儲料充足，加大倒角便于金屬流動，大小頭型腔更容易充滿。

分模面設計

預鍛模閉合高度和橋部高度尺寸緊密相關。由于預鍛工序會產生大量金屬流動，在設計時要重點考慮橋部間隙、橋部寬度。預鍛橋部示意圖（圖3）中，橋部間隙過大，橋部寬度過小，金屬向外流動迅速，造成鍛件充不滿；橋部間隙過小，橋部寬度太大，金屬不易向外流動，模腔壓力大大增加，從而造成橋部磨損，影響模具壽命。同時金屬流動不暢，易在內部形成折疊缺陷。預鍛模內倒角的半徑R為4mm，有利于加快金屬流動，將預鍛成形后余料快速排擠出型腔，降低模腔壓力，延長模具使用壽命。

頂出機構設計

預鍛模的頂桿頂出位置設計在沖孔連皮上。頂桿設計直徑與頂出孔的直徑相差小于1mm，間隙太小，模具與頂桿受熱膨脹擠死；間隙太大，則容易擠入飛刺使頂出裝置失效。頂桿高度應與型腔平面平齊或低于型腔平面0.5mm以內。高度太高，倉部儲料將頂桿抱死，造成坯料出模困難；高度太低，余料進入頂桿孔，使頂桿孔磨損變大，容易擠入飛刺。

終鍛模具設計

模膛設計

終鍛模的模膛按照熱鍛件三維圖直接做出即可。鍛件在預鍛工序基本成形，終鍛僅有少量的金屬流動。實際生產過程中因打擊偏載造成鍛件大小頭平面度差，因此在設計終鍛模具時，下模大小頭平面要留有補償量。在大小頭連皮處增加儲料倉，起到存儲余料的作用，可以有效防止多余材料向外擠壓造成模具磨損嚴重及鍛件折疊。儲料倉保留足夠的深度，倒角半徑R為20mm，有利于金屬流動，大頭儲料倉示意圖如圖4所示。

圖4 大頭儲料倉示意圖

沖孔、切邊模設計

⑴沖孔模的設計重點為沖頭。在不是特別要求大小頭內徑過沖的情況下，一定要避免過沖。沖孔過切太大，在過切時，鍛件受擠壓向下，向外側變形，當沖頭低于鍛件分型面時，鍛件向外側變形回彈，從而使沖頭抱死。因此，設計時一般單邊縮減約1mm。避免沖孔時沖頭受力過大造成沖頭磨損嚴重，降低沖頭使用壽命。沖頭切刃高度設計合理，過小則沖頭易磨損；過大容易產生拉刺或抱死，沖頭示意圖如圖5所示。

⑵沖孔凹模利用熱鍛件直接作出。因在沖孔作業時，鍛件仍帶有飛邊，所以沖孔凹模在距離分型面10mm的地方設計。不僅可以讓出飛邊的位置，避免因飛邊翹曲變形，鍛件定位不一致產生沖偏，而且由于周邊型腔結構的限制，在沖孔過程中要保證能夠固定鍛件，避免產生壓痕及沖偏。

圖5 沖頭示意圖

圖6 刃口剖切示意圖

⑶設計切邊刃口。終鍛模型腔磨損會造成鍛件整體尺寸變大，在切邊凹模設計時，其刃口要與熱鍛件留有一定的間隙。凹模刃口厚度一般設計成3～4mm；厚度低于3mm時，刃口太薄，剪切時容易變形，鍛件與飛邊切口會產生凹槽；厚度超過5mm時，鍛件切邊過程中與模具接觸時間長，容易產生拉痕，這會影響連桿的疲勞強度，刃口剖切示意圖如圖6所示。

⑷設計切邊凸模。凸凹模之間必須要有一定的間隙，間隙太大，受切邊力的影響，鍛件容易變形拉傷，尤其是螺栓臺等位置更明顯，會產生螺栓孔中心尺寸偏移的缺陷；間隙太小，模具長時間使用過熱膨脹，容易影響到鍛件精度。由于桿部較細，在切邊過程中會造成鍛件的擠壓變形，使工字筋上下寬度不一致，因此切邊凸模必須要保留桿部形狀。

校正模制作

校正模的主要作用是校直鍛件直線度及平面度，因此校正模的制作相對簡單。但考慮到有些連桿在沖孔、切邊過程中，容易導致桿部彎曲、變形，因此校正模制作時仍要將桿部形狀制作出來。而大小頭位置沒有特殊要求，只要作出平面即可。對于小頭尾部有斜面的情況，連桿在沖孔、切邊過程中，桿部會有少量向上模彎曲，可適當在上、下模尾部斜面上做出補償量，保證最終校正后鍛件尺寸精度。

結束語

脹斷連桿的尺寸精度要求比傳統鋸切連桿更為嚴格，需要我們在設計新產品之初就進行工藝設定，合理的模具設計，從而來保證生產出的鍛件合格；需要我們在平時設計過程中不斷積累和豐富細節參數，為后續的設計提供可靠的經驗數據。

林棟，工程師，副總經理，主要從事材料成形及模具設計的研究工作。