小型汽車發動機連桿模具設計及模擬軟件的應用

文/高建華，高金梁·白城中一精鍛股份有限公司

小型汽車發動機連桿模具設計及模擬軟件的應用

文/高建華，高金梁·白城中一精鍛股份有限公司

隨著小型汽車市場的興起，消費者對汽車節能、環保、輕量化的要求越來越高，發動機連桿也相應地越做越小，越做越精，因此對模具的設計要求也越來越高。

小型汽車發動機連桿有兩種生產方式，一種是鍛造，一種是粉末冶金。目前，用的比較多的是鍛造成形。鍛造連桿的生產過程，首先是加熱料段，然后由輥鍛機初成形，再由鍛錘鍛打，成形后放到壓力機上切邊，切邊的同時精整，再用壓力機壓上下表面，使連桿表面平整，便于加工。

連桿生產的很多步驟是靠模具來完成的，所以模具設計在連桿鍛造生產過程中起著決定性的作用。鍛造連桿的模具有輥鍛模、鍛模、切邊模（帶精整）、精壓模幾種，重點是輥鍛模和鍛模，下面就這兩種模具的設計做一下簡單說明。

輥鍛模

由于金屬變形受縮減率的限制，一次變形不能太大，根據經驗我們采用五道輥鍛（也有用四道的），如圖1所示。

輥鍛模的設計重點是確定最終輥坯的形狀，要求輥坯最適合鍛模的成形，既要充滿型腔，又要使各部分金屬不至于太多。如果型腔內金屬過多會造成鍛模的局部磨損太快，影響模具壽命。理想的輥坯形狀如圖2所示。

圖2從右上到左下，分別為原材料、第一道、第二道、第三道、第四道、第五道成形（即最終輥坯）。原材料直徑要根據連桿終鍛件最大截面積來選擇，即原材料的截面面積要大于終鍛件最大截面積，才能保證鍛打時金屬能夠充滿型腔。輥坯分為8個截面，各截面之間過渡要圓滑，截面的形狀選擇原則上變形不能太快，那樣容易造成輥坯有折疊等缺陷，會帶到鍛件上，造成批量廢品的產生。

各道次之間變形應符合縮減率要求，設計時盡量使其均勻分布。目前我們采用的設計軟件是德國的Veracad，它能夠很好地實現上述步驟，并將實際生產中的滑移問題考慮進去，可以做適當的補償。設計軟件的應用減少了設計人員的工作強度，提高了設計精度和準確性。

鍛模

圖1 五道輥鍛模

圖2 理想的輥坯形狀

連桿是發動機中受力比較大的部件，要求強度較高，連桿本身的流線等對它的強度會有較大影響，汽車行業標準《發動機連桿技術條件》中要求“連桿縱向剖面上的金屬宏觀組織的纖維方向應沿著連桿中心線并與連桿外形相符，無紊亂及間斷現象”。考慮輥坯到連桿成形過程中變形較大，金屬流動太快，會造成流線紊亂或者間斷，因此將鍛模設計為預鍛、終鍛兩個型腔，如圖3所示。

預鍛作為坯料變形的中間步驟，是輥坯的預變形，較終鍛型腔要瘦、要深，通過對三維數模采用不同的收縮率和加工刀具的設置來實現。理論上預鍛要較終鍛金屬體積大，這樣才能在終鍛時充滿型腔，在終鍛型腔的大頭孔位置預留一個凹坑，用來容納多余金屬。

型腔的周圍做出一圈凸臺（即橋部），以阻礙金屬流動，使金屬盡量向型腔里邊流動。凸臺外邊是倉部，容納多余金屬（即飛邊）。模具上表面的外圍還要有承壓面，鍛打時模具承壓面接觸，實現連桿尺寸的精確控制。

另外，模具設計時還應根據加工手段的不同適當調整，用電火花加工模具時，電極會有不同程度的損耗。比如，連桿筋部實際值比理論值會小，就是因為電極細小部位容易損耗，在設計模具時應該考慮在這些部位適當地做一下補償，以滿足尺寸要求。還有模具鍛打時磨損較快的部位，應該在滿足鍛件尺寸公差的情況下適當調整，以延長模具的使用壽命，降低生產成本。

模擬軟件的應用

隨著CAD/CAM技術的發展，模具的設計手段也有了很大的進步。目前，鍛造廠技術人員所應用的設計軟件主要有Pro/E、UG、Catia、Solidworks等等。CAD軟件的應用顯著縮短了模具設計和制造周期，提高了產品質量，制造出的模具精度高，一致性、互換性好，有效地降低了生產成本。

由于汽車市場的發展，連桿品種增加很快，而連桿生產廠家的增多，使得市場競爭也不斷激烈，新產品的供貨周期越來越短。而隨著連桿價格的下調，降低模具制造成本也成為降本增效的必要途徑。要做到這些，從模具設計方面來說，要提高模具設計精度，提高模具設計成功率，避免不必要的浪費。所以模擬軟件成為保證模具精度及成功率的關鍵。

我們所應用的模擬軟件是俄羅斯的Qform軟件，在軟件中可以設置實際加工環境，實現輥鍛模、鍛模的模擬，模擬過程可以反映鍛件的溫度、應力、應變等等，如圖4為輥鍛模模擬，圖5為鍛模模擬。

根據模擬結果，對模具進行調整，使模具更加理想。模擬軟件的應用，提高了模具的精度，縮短了模具的制造周期，從而降低了模具的制造成本。

圖3 預鍛、終鍛兩個型腔

圖4 輥鍛模模擬

圖5 鍛模模擬

結束語

模具設計生產水平的高低，已成為衡量一個企業產品制造水平高低的重要標志。作為發動機連桿的專業生產廠家，我們要把縮短產品開發周期，提高模具精度，增加模具壽命，降低模具成本作為企業發展的方向，從而穩固企業在市場競爭中的地位。

高建華，高級工程師，技術部副部長，主要從事模具設計方面的工作。