连杆模锻生产中几个关键点的分析与解决方法

文/夏巨谌·华中科技大学

连杆模锻生产中几个关键点的分析与解决方法

文/夏巨谌·华中科技大学

连杆的质量要求及控制方法

连杆的技术质量要求

连杆是汽油发动机和柴油发动机上极为关键的零部件，品种繁多，数量需求巨大。其中汽车发动机需求量最多，我国2013年汽车产量近2200万辆，按平均每台发动机6个连杆计算，需要连杆13200万件，加上维修市场和出口则需求量更大。

发动机是汽车的心脏，而连杆作为发动机的核心受力部件，其结构设计已非常成熟。如图1所示，连杆的小头通过活塞销与活塞连接，大头与曲轴的轴颈连接，大、小头尺寸取决于承压面积。连杆的工作温度为90～100℃，运转速度为3000～5000r/min。为保证连杆锻件顺利进入自动化精密机加工生产线和加工后的成品零件在发动机中的装配精度，同时，为了保持高速运转时其能承受频率极高的拉压交变应力，使曲轴始终处于平衡状态，要求连杆锻件具有高的强度和抗疲劳寿命。

常见的连杆锻件图如图2、3所示，连杆锻件在满足图纸尺寸精度的前提下还应满足如下技术和质量要求：

图1 曲柄连杆机构的组成

⑴未注模锻斜度在3°～5°之间，未注圆角半径R在2～5mm之间。

⑵非加工表面应光洁，不允许有裂纹、折叠、结疤、氧化皮（深度>1mm的凹坑）等缺陷。

⑶分模面残留飞边宽度≤0.8mm。

图2 692Q发动机连杆锻件图

图3 连杆整体锻件图

⑷纵剖面金属纤维方向应沿中心线方向并与外形相符，不得有紊乱和间断，不允许有气孔、裂纹、折叠和非金属夹杂物等缺陷。

⑸调质处理硬度在220～270HB之间。

⑹应对锻件作探伤检查。

⑺锻件上的缺陷不允许补焊。

⑻每批锻件的质量偏差≤3%。

控制方法

为满足连杆锻件的技术与质量要求，可采用如下控制方法。

⑴采用精密模锻工艺生产。

目前，较为典型的连杆精密模锻工艺流程为，下料→剥皮→中频感应加热→辊锻或楔横轧制坯→压扁+预锻+终锻→冲孔、切边、热校正→调质或非调质钢可控冷却→抛丸清理→磁粉探伤→外观检验→冷精压→直线度检查。

⑵采用精密模锻工艺流程时的注意事项。

①应配置全自动化生产线。若采用人工操作，不仅生产节拍慢，而且因节拍不均匀导致工艺操作的一致性差，最终影响连杆锻件质量的一致性，对于质量偏差小的轿车连杆影响更为明显。

②应在中频感应加热炉出口位置安装料温检测仪器对料温进行严格检查，确保料温在给定的温度规范内，凡不符合温度规范的应自动分选。

③制坯与模锻设备应选用数控压力机，这是配置自动化生产线的关键。

④切边模具上应设计有压紧装置，最好采用氮气弹簧作为压紧力，切边时可先将锻件压住定位然后切边，这样可确保锻件的变形量比较小。

连杆制坯工艺的优化选择

传统的连杆模锻工艺是模锻锤上拔长+辊挤制坯、预锻与终锻四工步成形，拔长是使加热好的坯料对应于连杆杆部及小头部位的横截面减小而长度伸长至略大于连杆终锻件的长度；而辊挤则是保持长度基本不变，使杆部金属进一步流向大头和小头，实现头部聚料并使杆部到头部圆滑过渡。这种制坯工艺，主要取决于操作工的经验和水平，因此，所制毛坯的几何形状和尺寸精确度粗糙。

图4 辊锻工作过程及原理

图5 连杆辊锻热毛坯图

自从辊锻和楔横轧用于连杆制坯成形以来，连杆制坯便不断地向着精密和高效的方向发展。下面分别讲述两种制坯工艺的成形原理、特点及各自的适用范围，以此为基础就可获得连杆制坯工艺的优化选择。

辊锻成形原理、特点及应用

辊锻是由轧制工艺发展起来的一种锻造工艺，其原理及工作过程，如图4所示。其变形原理是毛坯断面减小轴向伸长，其变形实质是毛坯局部变形连续进行。

辊锻与锤上模锻制坯相比，具有如下特点：

⑴生产效率高。已有资料统计，它的生产率为锤上模锻的5～10倍。

⑵节约金属材料。采用多型槽辊锻成形，坯料的金属材料消耗量比锤上多型槽模锻降低6%～10%。

⑶无冲击和振动，劳动条件好，易于实现机械化、自动化。

⑷设备结构简单，使用维修方便，对厂房基础要求低。

⑸模具费用低。可用球墨铸铁或冷硬铸件采用铸造方法成形辊锻扇形模块，然后精密机加工达到技术要求，材料与加工成本低。

辊锻可为长轴类锻件模锻制坯，也可为某些锻件实现终成形、初成形与局部成形。作为制坯应用的典型实例：某型发动机连杆锻件，选用50mm×50mm的方坯经四道次辊锻得到热态连杆

图6 前三道工步图

图7 楔横轧原理图

1—楔形模轧辊 2—毛坯 3—导板锻件毛坯，如图5所示。对图中所示的Ⅱ和Ⅳ区段，分别采用椭圆→方→椭圆→方和椭圆→圆的型槽系完成，前三道次工步图如图6所示，第四道次所得终辊毛坯即为图5所示毛坯图的Ⅱ区。

楔横轧工作原理、特点和应用

楔横轧工作原理如图7所示，两个带楔形模的轧辊以相同的方向旋转，带动圆棒毛坯旋转，毛坯在楔形孔型的作用下被轧制成各种阶梯轴件。其变形主要是径向压缩和轴向伸长。

楔横轧与普通模锻相比，具有如下特点：

⑴成形力小。因为是连续局部成形，其成形力只有普通模锻的几分之一至几十分之一。

⑵设备重量轻、体积小及投资省。

⑶生产效率高。一般高出几倍到几十倍。

⑷产品精度高。尺寸精度高，表面粗糙度较低，具有显著的节材效果。

⑸工作环境好。冲击与噪声小，工人工作环境显著改善。

⑹易于实现机械化和自动化生产。

楔横轧适合于阶梯轴类件的生产，尤其在汽车变速器轴类件生产中应用广泛。近10年来又推广应用到连杆的制坯，将楔横轧机与程控液压模锻锤和高能螺旋压力机或电动螺旋压力机组成自动化生产线。

图8 楔横轧模具的区段图

图9 楔横轧模具的展宽图

连杆制坯工艺的优化选择

其优化选择方法是通过比较辊锻与楔横轧各自的成形特点、应力状态及工艺约束条件来获得。

辊锻时在一个道次中任何辊锻变形的瞬间，工件在垂直方向受上、下辊锻模的作用产生压缩变形而横向展宽，其应力状态是垂直方向为压应力，而横向上是拉应力，这种应力状态在每一个截面上相同，不存在应力交变问题。因受压缩比类似于镦粗规则的限制，对杆部与头部截面积差别大的连杆需要多个辊锻工步才能成形出所需毛坯。

在辊锻生产过程中需要遵循压缩比来确定辊锻工步数，才能得到合格的辊锻毛坯。其应用范围宽，尤其大中型长轴类锻件，如汽车前轴、大马力柴油发动机连杆等的辊锻成形，是包括楔横轧在内的其他成形工艺难于实现的。

楔横轧成形原理可通过图8和图9来说明。以中间细两头粗的对称轴为例，其模具由楔入段（A-B）、平整段（B-C）、展宽段（C-D）、精整段（D-E）和撕开剪切段（E-F）组成；每一段所轧出的工件分别如图8中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ所示。由图可看出，主要成形发生在展宽段，展宽段一般由两条左右对称的斜楔组成，斜面与底面间的角为成形角（α）；斜面的展开线与中心线OO的夹角为展开角（β）。

由成形过程及成形原理可看出，棒料毛坯在旋转的轧辊型槽作用下，即在两条对称的斜面作用下实现径向压缩轴向延伸，只能在轧辊旋转一周内成形为所需轧件。因此，其关键工艺参数变形程度即断面收缩率必须限制在35%≤ψ≤75%之间。

当ψ<35%时，塑性变形不能遍及毛坯的整个横截面，塑性变形区分布在表层，心部为刚性区，在“拉应力→压应力”交替作用下，两个区域间会产生剪切裂纹且裂纹扩大为中心空洞；当ψ＞75%时，则因应力值过大，加上交变作用，使轧件的表面金属与中心部分的金属分离。

两种制坯工艺的综合比较

⑴楔横轧制坯不产生飞边，一般无夹钳料头损耗，因此楔横轧的材料利用率更高。

⑵楔横轧制坯径向尺寸和长度尺寸精度高，形状和尺寸的一致性更好。

⑶楔横轧一次轧制成形，生产效率更高。

⑷楔横轧制坯必须严格控制在允许的工艺参数范围内，而辊锻制坯虽然在⑴、⑵、⑶方面略低于楔横轧制坯，但它只要辊锻的道次满足一次压缩量的允许范围，工件内部不会产生疏松和裂纹等缺陷，且能确保金属流线沿连杆的轴线方向并与外形基本一致。

因此，两种制坯工艺的适用范围：楔横轧可在连杆杆部断面缩减率满足35%≤ψ≤75%的范围内选用，一般适用于一些中小型连杆的制坯。辊锻可用于所有连杆的制坯，目前，一些大中型连杆只能采用辊锻制坯，特别是头部与杆部截面积差别大的和采用方钢为毛坯的连杆只能采用辊锻制坯。

图10 摩擦压力机力—能关系曲线及能量分配图

图11 三种螺旋压力机的滑块导向结构

螺旋压力机的选择与应用

螺旋压力机是我国锻造行业中应用数量最多、应用面最广的一种模锻设备，据粗略估计，我国拥有摩擦压力机1200～1300台，各种型号的电动螺旋压力机不少于800台，离合器式（高能）螺旋压力机及其他形式的螺旋压力机350～400台，共计约2500余台，而且还有继续增多的趋势。

螺旋压力机的吨位选择

由图10及相应的分析可知：锻件的变形量越小，打击时的作用力越大，而打击时所需的变形力越大，锻件所吸收的能量反而越小，这时大部分能量消耗于模具和机身的弹性变形，增加了模具和设备的磨损，并产生大的噪声；当变形量为0时，其打击能全部被机身和零件的弹性变形所吸收，此时作用力达到最大值，称为冷击力。所以，螺旋压力机兼有锤与机械压力机两者的优点，对于变形量较大的镦粗、挤压等工序可提供大的变形能量；对于变形量小的精压等工序则可提供大的工作压力。

基于以上分析，可以得出螺旋压力机吨位选择的两条基本原则：

⑴对于水平投影面积较大而高度尺寸小乃至很薄的锻件的开式模锻，应以成形力为主来选择压力机的吨位。

⑵对于以镦粗、挤压为主要变形方式的闭式模锻，因变形量较大，应在计算其成形力的基础上，计算所需的成形能，根据成形力和能都能满足的条件选择压力机的吨位。

螺旋压力机抗偏载能力分析

为了正确使用各种类型的螺旋压力机，有必要对其承受偏载的能力进行分析。根据各种螺旋压力机不同结构特点和实际使用情况来看，对于承受偏载能力的主要影响因素是滑块的高度L与宽度B之比K=L/B的大小和导向精度即滑块与导轨的间隙δ的大小。

摩擦压力机系列、电动螺旋压力机系列、滑块采用导轨和圆筒组合导向的电动和离合器式螺旋压力机系列的滑块导向结构，如图11所示。为了比较三种螺旋压力机承受偏载的能力，假设在它们的公称压力、滑块宽度、机身刚度及滑块导向面与机身导轨之间间隙均相同的条件下，当承受同样的偏心载荷时，滑块相对于导轨倾斜的角度r，则可以表示其承受偏载的能力，r角越大，承受偏载的能力越差。

对于摩擦压力机，因K1值小，滑块高度L小，滑块导向面同机身导轨接触长度短，因此，当滑块承受偏心载荷P时，其中心线相对于垂直线即相对于导轨的倾斜角度ra就大，表明承受偏载的能力小（图11a）。

对于电动螺旋压力机，因K2值越大，滑块高度L大，滑块导向面同机身导轨接触长度长，因此，当滑块承受偏心载荷P时，其中心线相对垂直线即相对于导轨的倾斜角度rb就小，表明承受偏载的能力强（图11b）。

对于具有导轨和圆筒双重导向的电动螺旋压力机和离合器式螺旋压力机，因K3值更大，滑块高度L更大，滑块导向面的接触长度更长，因此，承受偏载的能力更强（图11c）。

不难看出，在上述假设条件下，螺旋压力机承受偏载能力的规律是，当K1< K2< K3时，ra>rb>rc，即随着K值的增加，承受偏载的能力不断增强。

但随着K值的增大，滑块导向面同导轨的接触长度随之增长，则其相对间隙值大为减小，这必然使制造和安装调试成本增加。因此，在选用螺旋压力机时，除了遵循上述规律外，还应在锻模设计时使模膛的布置与压力机承受偏载的能力相符。

螺旋压力机上多模膛设计

多模膛位置设计主要是指模膛位置的合理布置。

图12 摩擦压力机上预锻与终锻模膛的布置

图13 锻造力与螺杆直径及滑块尺寸的关系

⑴摩擦压力机上多模膛布置。

由于摩擦压力机承受偏载的能力差，故一般只采用单模膛模锻，当需要采用预锻和终锻两个模膛模锻时，其经验设计方法是,两个模膛分布在螺杆中心线的两边，两个模膛中心线间的距离为a/b≤1/2，且a+b≤D/2，如图12所示。

⑵电动螺旋压力机和离合器式螺旋压力机上多模膛布置。

图14 三工位锻模

图15 连杆锻件

电动螺旋压力机和离合器式螺旋压力机承受偏载能力大为提高，但必须注意只有中心打击时才能采用公称压力的1.6倍。而在偏离螺杆中心线时，其打击力应相应减小。图13所示是锻造力同螺杆直径与滑块尺寸的关系曲线，它根据相关厂家生产实践及我国引进国外大型螺旋压力机时，供应商提供类似资料综合绘制，可供多模膛模锻进行模具设计时参考。多模膛布置可采取如下两种方式：

①将压扁、弯曲和预锻等成形力小和较小的模膛布置在螺杆中心线的两旁，成形力大的终锻模膛中心线与螺杆中心线重合或偏离很小，例如，连杆和具有弯曲线和复杂横截面的长轴类锻件可采用这种方式来布置。

②基于预锻和终锻工步变形量相等或接近，所需成形力与能相等或接近的工艺设计，可将镦粗、预锻和终锻模膛沿螺杆直径自左至右均匀分布，这种方式适合于结构复杂的盘状齿轮和饼盘类锻件的开式和闭式模锻。

图14为华中科技大学同广东四会实力连杆有限公司共同开发安装在J58-1000电动螺旋压力机（武汉新威奇制造）上的压扁、预锻和终锻三工位模具。图15为其所生产的连杆锻件。

连杆模锻工艺的新进展

⑴连杆在锤上模锻时由无飞边预锻改为带楔形飞边预锻。即在预锻模膛上沿分模面设计成楔形飞边槽，这种飞边槽结构有助于预锻连杆模膛的纵向充满，使终锻模膛更加易于充满，减轻终锻模的负荷，有利于提高终锻模膛的使用寿命。

⑵切边、冲孔、整形复合。对于质量为70kg的大型连杆，减少了大小孔的机加工序，减少了锻件变形，提高了锻件尺寸精度和生产效率。

⑶采用肘杆式机械压力机对已切边冲孔的连杆锻件进行半闭式精压并再一次精密修边。对于质量偏差≤2%的高档轿车连杆，可在切边、冲孔后，采用刚性好的肘杆式机械压力机及高刚度精密精整模进行半闭式冷精压，然后采用精密切边模具进行修边，质量偏差≤2%，尺寸精度高，外观质量好。

⑷小型铝合金连杆闭式模锻。对于小型铝合金连杆的连杆体可采用可分凹模闭式模锻，连杆盖可采用整体凹模闭式模锻。可分凹模的工作部分由上凹模、下凹模和水平挤压凸模所组成。模锻时，将加热好的连杆毛坯放入下凹模，上凹模随压力机滑块下行，使毛坯产生压缩变形，当上、下凹模闭合时，连杆的杆部和小头已成形结束。然后，水平凸模向前移动对连杆的叉形头部闭式反挤成形。成形结束后，首先挤压凸模从锻件与凹模中退出，然后上凹模向上回程与下凹模张开，取出锻件，一个工作循环结束。连杆盖整体凹模闭式模锻如同常规闭式模锻，不再赘述。

铝合金连杆闭式模锻同开式模锻比较其优点有：锻件无飞边，可提高材料利用率30%～35%；确保金属流线与锻件轮廊一致，加上无飞边，不存在因切边而切断金属流线的问题，可显著提高产品的力学性能；闭式模锻是在强烈的三向压应力状态下成形，可显著提高高强度铝合金的成形性能；不需预锻和切边、冲孔工序，可提高生产效率。