連桿鍛造成形數值模擬及工藝參數優化分析

蔡丹云

（浙江水利水電學院，浙江 杭州 310013）

連桿鍛造成形數值模擬及工藝參數優化分析

蔡丹云

（浙江水利水電學院，浙江 杭州 310013）

本文通過對連桿的模具選取、數值模擬以及相關工藝參數優化等方面對連桿進行研究，并總結出連桿加工鍛造技術的發展及特性，為今后的進一步發展與研究提供參考。

連桿；鍛造；數值模擬；優化

1　連桿鍛造工藝研究進展概述

在我國機械領域內，人們關于對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措施都已被提出，這促進了連桿鍛造技術的進一步發展。在建國初期，隨著長春一汽的建成，我國開始獨立鍛造連桿工件［1-2］。但這時的鍛造技術比較落后，而且制造的產品多為成批產品，難以獨立設計連桿結構進行鍛造。后來，南京汽車制造廠開始靠固定的小地爐，通過大量的勞動力，手工打造連桿鍛件，這為鍛造技術的發展翻開了新的篇章。如今，我國的連桿鍛造技術已經有了很大的發展，像國內的二汽鍛造廠，就以其工藝新、材料新、設備新的特點，大量使用熱模鍛壓力機等機器，鍛造出優質連桿。

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環節，下料方式一般有兩種，即剪切和鋸切。在大多數的連桿鍛造中，其下料方式均為鋸切。因為如果采用剪切方式，則極易造成材料端面的平整光滑度受損。在制造毛坯時，如果采用輥鍛技術，則需要利用機械的夾手來夾住毛坯材料，如果材料不平或不規則，則容易造成材料脫落，從而造成意外事故發生，因此利用輥鍛技術制造毛坯時一般采用鋸切下料方式［3-4］。

2.2加熱

在加熱生產工序中，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。在現在的加熱環節中，加熱環境已經得到極大改善，為了更好的提高加工質量，使得生產更加便捷可靠，一般采用頻率感應方式進行加熱。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。但是在生產中這種方式要求比較嚴格，因為生產節拍的影響，所以在加熱時，應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，因為這樣會造成坯料整體的溫差過大，這個步驟可以通過調節相應開關來控制。對于鍛件來說，加熱溫度的高低將直接影響其整體質量（包括內在和外觀）。一般來說，溫度低對于鍛造連桿的剛度、強度有力，同時有利于后續工藝進程的進行。但是溫度過低時，常常會造成金屬融化不足，流動性能較差，模具將承受大量應力，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，例如金屬流動性能太強，造成鍛件表面的氧化破壞極其嚴重等。因此，加熱溫度應在保證鍛件成型的基礎上，進行適當的調節。

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。但其投資較大，且模具的磨損比較嚴重。因此在輥鍛制坯時，我們應注意輥鍛模具的質量，因為輥鍛直接影響連桿質量，因此輥鍛模具應保持光滑。由于輥鍛模具在長時間使用后會由于金屬流動造成不光滑等現象，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折痕。而且輥鍛的時候，每一次加工的咬合處都不一致，因此需在加工前仔細觀察坯料是否表面不平整或是出現劃痕、擦傷等情況，然后調整輥鍛的機械夾手，防止坯料掉落出現意外事故。機械夾手在使用過程中，若操作不當，極容易坯料造成磨損。以上問題都是輥鍛過程中極易出現的問題，因此在輥鍛加工時，必須避免出現這些情況，從而保證加工工藝的質量。輥鍛成形原理如圖1所示。

圖1　輥鍛成形原理圖

2.4模鍛

連桿的模鍛成形設備有很多種，常用的有熱模鍛壓力機、摩擦壓力機等。在模鍛成形的加工過程中應注意：對于已經經過輥鍛的坯料，當對其進行模鍛時，應注意在模鍛膛爐中翻轉坯料，以防出現氧化層剝落不完整的現象。而且在輥鍛過程中，有些坯料的部位并未發生變形，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。在生產中，應使生產節拍保持一致，這樣有利于后續工藝的進行，同時有利于提高加工質量［5-7］。

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

2.5切邊沖孔

切邊沖孔是指在已經成形的坯料上利用模具進行加工，一般來說，切邊沖孔最好在坯料仍有溫度時進行，因為在鍛造過程完成后，坯料本身會存有一定的余熱，這些余熱有助于減小坯料的強度，使得在切邊時所受應力較小。切邊沖孔時應注意避免模具不匹配，因為這樣極易造成切割后的坯料產生毛邊不均的現象。同時切邊變形也是常常遇到的問題，因此在切邊沖孔時，應做好相應的防護措施。避免坯料因為應力變形造成的損失。

2.6校正

連桿的校正是連桿生產工序的最后一步，此道工序是保證連桿質量的重要工序。校正一般比較簡單。一般是針對連桿表面的平整度以及整體厚度而言，對于有特殊要求的連桿，其相應校正程序也應進行。從而保障連桿的質量合格。

3　連桿鍛造成形數值模擬分析

3.1金屬塑性成形有限元理論

金屬的塑性成形是一個非常復雜的過程，可以將它看做一個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值模擬方法對金屬塑性成形進行求解。在連桿的熱鍛成形過程中，金屬不僅表現其塑性，同時也有相應的粘性。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，必須進行數值模擬。數值模擬前應注意分析假設其相應的邊界條件，這樣有利于通過數學角度來解決問題。一般在進行數值模擬時，會將連桿假設為理想材料，忽略連桿的彈性變形。而在實際中，連桿的彈塑性變形可通過相關理論進行求解，但其過程比較復雜。因此采用有限元法，借助相應的原理，對金屬變形區域進行離散化，從而得到相應的結果。

金屬的塑性成形有限元分析系統是一個綜合系統，它包含了有限元分析，彈塑性變形分析和計算機模擬分析等相關技術。隨著技術的不斷發展和完善，目前有限元分析系統已廣泛應用于塑性成形領域。目前有限元分析系統可模擬分析各類材料的彈塑性變形，模擬計算復雜的成形過程，并對影響成形的各因素進行分析。其分析的相應應力變化、溫度變化等結果，可以作為相應指標來優化成形設計［8］。

3.2連桿壓扁工步優化

連桿壓扁工藝比較簡單，但在連桿壓扁過程中存在一個較難的問題是如何確定壓扁高度值，這個值對于后續工藝的順利展開影響重大。在傳統的設計中，一般根據加工經驗進行選取，這樣選取的高度值針對性較差，而且不一定適用于所有的連桿。因此現在一般采用3D軟件進行不同高度值得模擬分析。

對于壓扁成形階段的分析，應在選取相應的機械后，建立有限元模型。一般在相應范圍內選取間隔大約為5mm左右的幾個高度值進行模擬。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，將第一階段的計算結果作為已知條件導入到第二階段的計算中。以此類推，從而完成整個過程的數值模擬。在數值模擬完成后，需要分析每一高度下工件的損傷程度，因為鍛件的損傷是評價鍛件質量的重要因素，鍛件損傷情況可以查看相應的云圖。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，選取最優的壓扁高度值。

4　連桿鍛造成形工藝參數多目標優化

在金屬的塑性成形過程中，其形成機理是非常復雜的，工藝參數對其的影響是許多參數共同作用引起的，因此在進行工藝參數選取時，應該綜合考慮各個參數的影響，經過分析后選取合適的參數，目前的理論研究一般都通過單個元素的分析來確定其對鍛件的影響，但在實際的生產過程中，工藝參數是相互作用的，且在選取時，一般選取綜合效果較好的參數，因為對于連桿鍛件而言，不僅要努力提高其加工質量，還要考慮相應模具的制造和磨損。

在實際的模擬中，一般采用鍛件的應力值，損傷程度和模具磨損度作為鍛件成形工藝的主要指標，然后采用正交試驗法進行試驗，綜合考慮各試驗參數對鍛件的影響。最后采用正交試驗得到的數據，建立起鍛件成形與工藝參數之間的數學關系，得到有限元算法的最優解。正交試驗法在現在的設計中應用非常廣泛，因為若選取全面試驗的方法，則試驗強度將大大增加。

在對多目標進行求解時，由于求解的各目標極值不同。因此得到的求解結果是互相矛盾的，所得到的最優解是不能使用的。因此需要對各目標進行處理，使得相互之間協調，從而得到最優解。一般求解多目標問題的方法分為兩種，即直接法和間接法。通過這兩種方法，可以較好的完成優化。其中，直接法是通過從所有解中選取較優的解。間接法是對求解問題進行分類處理，通過對問題的改造，完成將多目標問題轉化成單目標問題，從而簡化求解過程。間接法也可將多目標問題轉化成幾個小問題進行求解，這種方法得到的優化設計效果較好［9］。

5　結語

本文通過對鍛造連桿的生產步驟的介紹，初步揭示相關軟件的在連桿設計中怎樣使用，同時分析它對連桿生產產生的影響，從而對成形工藝進行模擬優化，為連桿設計的進一步提高提供一些高效的制作工藝，為連桿生產的蓬勃發展提供一定的參考。

［1］鍛工手冊編寫組.鍛工手冊［M］.北京：機械工業出版社，1976.

［2］王祖德.中國汽車零部件工業現狀及展望［J］.現代零部件，2005（5）：52-56.

［3］顏懷祥.淺談連桿加工工藝中的一些新的技術［J］.柴油機設計與制造，2003（2）：45-48.

［4］羅晴嵐.連桿鍛造工藝技術的進步陰［J］.鍛壓機械，2000，35（4）：11-13.

［5］王樂安.鍛造模具與潤滑［M］.北京：國防工業出版社，2010.

［6］李德群，肖祥芷.模具CAD/CAE/CAM的發展概況及趨勢［J］.模具工業，2005（7）：9-12.

［7］柳玉起.計算機模擬在金屬成形行業的應用和發展現狀［J］.鍛造與沖壓，2005（6）：16

［8］李紹忠.發動機連桿生產工藝的進展［J］.汽車科技，2000（1）：7-11.

［9］馬曉春，姚建華，陳刑，等.連桿鍛件的生產現狀及發展對策［J］.浙江工業大學學報，2001，29（2）：156-160.

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研究工業項目（2014c31112）。

蔡丹云（1975.2-），女，研究生，講師，研究方向：模具設計與制造。