淺析脹斷連桿模具的設計工藝

文/黃麗娟，馬永權，史延辰，劉文榮·南宮市精強連桿有限公司

淺析脹斷連桿模具的設計工藝

文/黃麗娟，馬永權，史延辰，劉文榮·南宮市精強連桿有限公司

傳統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合面（簡稱分開面），以螺栓孔或定位銷定位保證連桿體和連桿蓋的結合面穩定。近年來，隨著汽車工業飛速發展，發展起來一種新的連桿加工技術。新型脹斷連桿是將連桿大頭孔加工產生應力集中的裂解槽，然后由楔鐵向下推動脹套對連桿產生壓力，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行定位，裝配連桿。此方法的改進減少了加工工序，降低了螺栓連接孔的精度要求，從而降低了成本，提高了經濟效益。

本文以南宮精強連桿有限公司C70S6材料脹斷連桿產品為例，淺析脹斷連桿模具的設計工藝。

鍛造模具設計

C70S6材料主要化學元素含量為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。抗拉強度為900～1050MPa，屈服強度≥520MPa，延伸率δ≥10%，斷面收縮率ψ≥20%。疲勞強度是連桿材料的一個重要性能指標，疲勞試驗在諧振式疲勞試驗機上進行，施加對稱循環載荷107次時，有限循環應力為±343MPa，很好滿足了連桿的工作性能和壽命要求。

鍛模是實現脹斷連桿生產的關鍵因素之一。C70S6材料脹斷連桿采用有飛邊、熱模鍛工藝方式進行生產，圖1所示為連桿鍛模設計流程。

圖1 鍛模設計流程

鍛件圖設計

根據鍛造設備、機加工性能、機加工工藝，留機加工余量后設計鍛件圖紙。圖2所示為與客戶反復溝通后，最終確認的鍛件簡化圖紙。

圖 2 鍛件簡化圖紙

終鍛模具設計

圖2 所示鍛件采用1000t熱模鍛壓力機鍛造，鍛件一次沖程鍛造成形，模腔采用電火花加工。鍛件尺寸會受到鍛模受熱膨脹、鍛件中心距長度、鍛件復雜系數等因素的影響，C70S6材料連桿模具鍛造收縮系數設計為1.5%，中心距方向鍛造收縮系數設計為1.56%，據此設計終鍛模具型腔如圖3所示。

⑴終鍛飛邊槽設計。

由于鍛件復雜系數高，鍛件充不滿模腔即報廢，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套飛邊槽設計方案，如圖4所示。

圖3 終鍛模具型腔

圖4 飛邊槽設計方案

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

方案2：橋部在下模，終鍛、切邊模具制造簡單。但同樣橋部阻力小，容易產生充不滿現象，若加大橋部高度容易導致模具壓塌與開裂，影響模具壽命。

方案3：上下模設計橋部并加寬橋部，并在橋部位置設置阻止金屬流動的擋流槽。此方法能有效的加大橋部阻力，鍛件充滿容易。但設備噸位不夠時容易產生上下模打不靠現象，影響鍛件厚度，產生不合格品。

方案4：橋部在上模，下模設置擋流槽，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，橋部與鍛件接觸時間短，溫度低不易過熱與磨損，有效延長了模具的壽命。

方案5：上下模均設計橋部，有效加大橋部寬度，增加橋部阻力，同時料倉較其他方案大，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。

根據以上方案優缺點比較，最終選擇方案4。

圖5 模具實物圖

⑵終鍛頂料桿設計。

當鍛件形狀簡單、容易出模時，在模具上設置鉗口，用鐵鉗直接夾出即可。此鍛件形狀較為復雜，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，容易產生連桿彎曲，影響直線度。因此，在連桿大小孔中心設計長度合適的頂料桿，鍛壓完成后頂料桿頂出連桿，保證連桿直線度。圖5所示為模具實物圖。

⑶終鍛模具運用QFORM軟件進行鍛造模擬，根據模擬檢測設計合理性。

切邊模具設計

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，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。

熱校正模具設計

熱校正模具包括上、下兩熱校正模具，安裝在100t壓力機上，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準化，直線度、平面度達到要求，為機加工提供一個標準的尺寸，保證機加工精度。

預鍛模具設計

通過預鍛可改善金屬在終鍛模腔中的流動條件，使金屬易于充滿終鍛模腔，避免鍛件產生充不滿或折疊等缺陷，并提高整套鍛模的壽命。但預鍛也有導致終鍛時產生偏心打擊、使上下模發生錯移，增大模塊尺寸、降低生產效率的缺點。

根據以上分析，為提高產品質量，C70S6材料連桿制造工藝中增加了預鍛工序。為確保桿部不產生折疊，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鍛模腔與終鍛模腔相匹配：①預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，保證預鍛件能放進終鍛型腔內；③外圓角遞減，內圓角遞增，預防產生折疊。④運用QFORM軟件進行預鍛過程模擬，模擬檢測合理后，預鍛工件進入終鍛模擬。

圖6 鍛件與毛坯截面積簡化對比圖

輥鍛毛坯計算、原材料尺寸計算、輥鍛模具設計

根據鍛件任意一個截面積+相應截面飛邊截面積=毛坯截面積的原則，計算輥鍛毛坯。由毛坯計算結果，按體積不變的原則計算原材料尺寸，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、毛坯復雜系數、折疊產生風險等級等因素，確定輥鍛次數為5次，進而合理分布輥壓量，并通過德國VERACAD軟件設計各輥鍛模輥壓量分布。設計完后運用俄羅斯QFORM軟件進行輥鍛模擬，模擬檢測合理后模擬輥鍛毛坯工件進入預鍛模擬。輥鍛過程模擬如圖7所示。

圖7 輥鍛過程模擬

結束語

隨著制造業的發展，鍛造行業向著節能降耗、精密鍛造的方向迅猛發展。生產制造前，進行潛在的失效模式和后果分析，運用QFORM進行鍛造有限元模擬，通過CAD、VERACAD等軟件進行精準化設計，可以最大程度提高材料利用率及產品合格率。同時，也有利于簡化工藝流程，節約生產成本，為行業的發展添磚加瓦。