连杆无飞边锻造工艺及模具系统研究

刘雅辉，刘淑梅，何文涛，于秋华

（上海工程技术大学材料工程学院，上海 201620）

锻造产品具有良好的机械性能，因而锻造工艺被广泛应用于制造高性能的零件［1—3］，然而随着制造业的技术革新，传统的锻造工艺面临着粉末冶金和铸造的挑战［4—6］。随着精密成形技术在轴对称零件上的应用，齿轮等汽车常用的小质量零件均实现了近净成形［7—9］。有报道称已在实验室实现了两缸曲轴的无飞边锻造［10—12］，这将会给锻造行业带来新的竞争优势。

文中以发动机连杆的精密成形工艺为研究对象，并探讨模具系统的设计方案，使用数值模拟技术对连杆的无飞边锻造过程进行分析，研究闭模锻造过程中金属的流动规律和容易出现的成形缺陷，最后分析了模具载荷并对模具磨损进行预测。

1 连杆无飞边锻造工艺链

连杆属于长轴类锻件［1，4，12］，其长宽高 3 个尺寸依次减小，传统的锻造工艺需要两次预锻和一次终锻成形，相邻工艺的模具匹配复杂且后续还有切边、冲孔和热校正等工序。采用闭模锻造技术生产连杆，即将辊锻所得预制坯放入上下模之间，上模具下行闭合，冲头进入模具并对坯料成形，该过程中无飞边产生，且只需一次预锻和终锻后进行冲孔、控制冷却，其工艺链见图1，连杆材料为C70S6，模具材料为H13钢。

图1 连杆精锻工艺链布局Fig.1 Layout of precision forging chain for connecting rod

2 精锻模具系统设计

2.1 中间工序件的设计

由于精锻连杆要求预制坯与预锻、终锻模腔的尺寸有较好的匹配，因此需采用辊锻制坯。近净成形过程无飞边产生，只允许模具之间有微小的毛刺，在确定工序件的体积时，除了考虑体积收缩补偿外，还应考虑锻造过程的成形载荷和模具应力。图2为微车连杆无飞边锻造成形的中间工序件。

但需要注意3点:首先，应考虑锻件体积收缩补偿，这是因为金属受温度变化会出现尺寸和体积变化，尽管体积不变，尺寸变化也将影响锻件精度，因此需要采用物理实验研究不同材料和温度对锻件体积收缩的影响［12］。其次，要考虑中间工序件的设计，不同的表面和截面设计会影响坯料的散热和流动，进而影响锻件质量［4］。最后，合理设计终锻件代加工部位，以减少后续机加工的余量，这里主要是指连杆的大小孔及两侧端面［6，8］。

图2 中间工序件设计Fig.2 Design of intermediate goods

2.2 模具系统的设计

精锻模具系统的设计因零件与锻造工艺的不同而差别较大。常见的闭模锻造工艺的工作部件主要包括上下模和冲头，基于锻件受力状态的考虑，预锻一般有一个冲头而终锻有上下两个冲头。图3为连杆精锻模具示意图，其中预锻模具的运动次序是:上下模开启，预制坯放入，上下模闭合且锻件不变形，上冲头下行进入上模对坯料成形。终锻模具的运动次序类似:上下模开启，预锻件放入，上下模闭合且锻件不变形，上、下冲头分别进入上、下模从坯料两侧进行成形。

图3 精锻模具系统示意图Fig.3 Schematic diagrams of precision forging tool systems

在无飞边锻造过程中，模具承受的载荷较大，不合理的模腔结构设计将会带来应力集中甚至断裂失效等不良后果［4，6］，加之锻造过程的周期冲击载荷和热载荷，模具寿命势必缩短，因此应利用数值模拟技术，在设计过程中发现和改善不合理设计。

3 精锻数值模拟和分析

采用DEFORM软件进行数值模拟和分析。坯料温度为1250℃，坯料网格为68 800个;模具温度为250℃，冲头运行速度为50 mm/s;采用混合摩擦模型:摩擦因数为0.2，摩擦因数为0.4，模具传热系数为11 W/（m·℃），空气传热系数为0.02 W/（m·℃）。

3.1 金属流动规律分析

金属流动规律是在模具设计阶段就应该考虑的问题，主要体现在锻造过程中坯料至模腔壁面的距离［12—13］，即金属流动长度，金属流动长度越大则坯料充模越困难，越容易出现充填不足的缺陷;而金属流动长度越不均衡则锻件受力越不均衡，越容易导致金属紊乱流动甚至出现折叠缺陷。图4给出了连杆精锻过程中的变形过程，可见棒状坯料在变形过程中主要是横向流动:连杆大端的4个顶角是金属流动距离最大的位置，而连杆大孔边缘冲头一侧依靠金属回流成形，相当于反挤压，此二处成形困难。但为了降低预锻载荷，不易完全充模。

图4 连杆的主要变形步骤Fig.4 Main forming sequence of connecting rod

图5为精锻过程中连杆的位移场分布，可见预锻中金属的位移远大终锻。由于连杆大孔在预锻中成形，连杆小孔在终锻中成形，因此避免了锻件两端受力不均衡发生翘曲。由图6可见，预锻中连杆小端的等效应力和等效应变与杆部的水平相当。

图5 无飞边锻造中位移场分布Fig.5 Distribution of displacement field in flashless forging

图6 预锻的等效应力和等效应变Fig.6 Effective stress and effective strain in pre forging

温度对小质量锻件的尺寸精度影响较大，尤其是重量和晶粒度要求较高的连杆，需要密切关注锻件温升和温降。由图7可见，锻造过程中锻件与传统接触的大小孔部位，温降较大，因此需对模具进行预热。

图7 变形过程中锻件温度的变化Fig.7 Evolution of forging temperature in the forming process

3.2 成形载荷的分析

根据模拟结果:预锻中上冲头与下模的最大载荷一致，均为437 t，上模载荷小于1 t;终锻中上下冲头最大载荷均为850 t，上下模的最大载荷均为670 t。图8为连杆预锻和终锻中上冲头的行程-载荷曲线。尽管成形主要在预锻完成，但终锻模腔圆角较小，成形载荷仍出现急剧上升。

图8 上冲头的行程-载荷曲线Fig.8 Stroke-load curve of top punch

3.3 模具寿命的预测

热锻模具因承受热载荷、机械载荷、化学腐蚀和摩擦等作用而容易发生磨损失效和断裂失效。通过数值模拟可以在设计阶段对设计进行优化［14—15］。利用 Archard计算模具磨损［16—17］，发现冲头顶端为磨损严重区。连杆大端的模腔圆角处为模具应力危险区。

4 结论

1）采用闭模锻造技术开发了连杆无飞边锻造工艺，工序链主要包括辊锻制坯、预锻和终锻等工序。

2）连杆无飞边锻造中，预锻模具采用一个上冲头形式，而终锻采用上下2个冲头的设计以保证连杆两侧受力均衡。

3）数值模拟结果表明，坯料充填效果良好，上冲头的预锻和终锻最大载荷分别为437 t和850 t，连杆大端的模腔圆角为模具失效危险区。

［1］GRONOSTAJSKI Z，HAWRYLUK M.The Main Aspects of Precision Forging［J］.Archives of Civil and Mechanical Engineering，2008，8（2）:39—55.

［2］DUGGIRALA R.Design of Forging Dies for Forming Flashless Ring Gear Blanks Using Finite Element Ethods［J］.Journal Materials Shaping Technology，1989，7（1）:33—47.

［3］BACH F W，KERBER K.Prozesskette Präzisionsschmieden［M］.Berlin:Springer，2014.

［4］PARK J J，HWANG H S.Preform Design for Precision Forging of an Asymmetric Rib-web Type Component［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007，187-188:595—599.

［5］OH S I，WU W T，ARIMOTO K.International Symposium on Advanced Forming and Die Manufacturing Technology［J］.Journal of Materials Processing Technology，2001，111（1-3）:2—9.

［6］BEHRENS B A，ODENING D.Process and Tool Design for Precision Forging of Geared Components［J］.International Journal of Materials Forming，2009，2（1）:125—128.

［7］DOEGE E，NÄGELE H.FE Simulation of the Precision Forging Process of Bevel Gears［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，1994，43（1）:241—244.

［8］DOEGE E，BOHNSACK R.Closed Die Technologies for Hot Forging［J］.Journal of Materials Processing Technology.2000，98（2）:165—170.

［9］HARTLEY P，PILLINGER I.Numerical Simulation of the Forging Process［J］.Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，2006，195（48-49）:6676—6690.

［10］BEHRENS B A，BOUGUECHA A，LÜKEN I，et al.3.16-Near-net and Net Shape Forging［J］.Comprehensive Materials Processing，2014，3:427—446.

［11］BEHRENS B A，NICKEL R，MÜller S.Flashless Precision Forging of a Two-cylinder-crankshaft［J］.Production Engineering，2009，3（4-5）:381—389.

［12］BEHRENS B A，DOEGE E，REINSCH S，et al.Precision Forging Processes for High-duty Automotive Components［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007，185（1-3）:139—146.

［13］BEHRENS B A，WOLTER F E，BLANKE P，et al.Inverse 3D-Materialflusssimulation zur Zwischenformauslegung für das Gesenkschmieden［EB/OL］.［2014-05-06］.www.utfscience.de.

［14］KNÖRR M.Auslegung Von Masivumformwerkzeugen Gegen Versagen Durch Ermüdung［M］.Berlin:Springer，1996.

［15］STUTE-SCHLAMME W.Konstruktion and Thermomechanisches Verhalten Rotationssymetrischer Schmiedegesenke［D］.Hannover:Universität Hannover，1981.

［16］JAHANMIR S，SUH N P，ABRAHAMSON II E P.The Delamination Theory of Wear and the Wear of a Composite Surface［J］.Wear，1975，32（1）:33—49.

［17］SOBIS T，ENGEL U，GEIGER M.A Theoretical Study on Wear Simulation in Metal Forming Process［J］.Journal of Materials Processing Technology，1992，34（1-4）:233—240.