主连杆分步成形锻造工艺研究

文／潘海江，周拥军，任瑞俊，李智敏，武络·内蒙古一机集团富成锻造有限责任公司

主连杆作为坦克发动机的关键零部件之一，公司自生产以来，受操作技能、多火次加热（天然气炉）、设备精度差等因素影响，导致锻件的废品率高、工人劳动强度高、产品生产效率低、模具使用寿命低。针对这些问题，本人结合公司80kJ 电液锤生产线配备的中频加热炉、辊锻机、315t双点式曲柄切边机等设备，在此生产线上研究了主连杆分步成形锻造工艺。

产品结构分析

锻件重量分布不均

图1 锻件三维实体

图2 锻件简图

根据锻件的三维图(图1)和二维图(图2)，可以看出该产品主要由三部分组成，即大头、杆身、小头。整个主连杆的重量为12kg，主连杆大部分重量分布于大头和小头，而杆身所占的重量仅为整个锻件重量的1/4。

主连杆中心间距为320.5mm，大头呈“U”形结构，大头中心线与杆身中心线成30°夹角；“U”形大头的重心偏向杆身中心线的一侧，经计算偏心距约为50mm，此产品结构大大增加了制坯的难度。

锻件“U”形大头成形难度大

主连杆大头的设计高度为76mm，此处与小头均为锻件的最高尺寸，经计算得出大头的重量为7.3kg，占整个锻件重量的60.8%，若锻件制坯不当，会造成大头不易充满，而大头的结构又进一步加大了其成形难度。如制坯的分料不均会引发锻造过程的对流现象，造成锻件折叠而报废。

“工字”杆身尺寸难保证

图3 中此连杆工字筋处的单侧机加工余量为2.5mm，其筋的宽度只有9.6mm，锻件在切边时，由于整体切边产生的切边力过大，存在一定的力矩，使得锻件在热态的情况下，易产生变形，造成工字筋处余量不匀，会导致锻件的机加工余量不够，造成废品。

图3 主连杆工字筋处

分步成形锻造工艺方案

制坯方案

根据主连杆三部分的结构，绘制各部分的截面图，然后对各截面进行简化，最终制定的中间毛坯如图4所示。

图4 中间毛坯图

根据中间毛坯制定制坯方案，考虑到生产的高效性、中间毛坯的一致性及表面质量，故选择560t 辊锻机制坯。经计算得出，制坯达到中间毛坯要求需进行四道次辊锻，再结合中间毛坯和锻压手册，绘制每道次所使用的辊锻模。随后，将这些数据导入DEFORM-3D软件系统，设定系统参数及旋转动作。四道次辊锻模拟结果如图5 所示。

压弯工序

因主连杆大头成“U”形结构，充型时充满模腔困难，故在压弯时需进行初步分料。设计压弯模膛的原则为：压弯后，预留“U”形大头部分体积所需要的材料，预锻、终锻过程中锻件此处材料可实现自给自足。

图5 辊锻DEFORM-3D 模拟结果

主连杆的压弯模膛采用的是后定位，如图6 所示，因此，在辊锻时必须保证其中间辊锻毛坯的长度，若此长度过短，会造成分料后无法满足主连杆“U”形大头的充满，导致锻件充不满。

预锻工序

若压弯后锻件直接终锻成形，则会出现两个问题：⑴因锻件杆身成“工”字结构，在充满“U”形大头部分时，材料迅速流向模膛(图7)，在拐角处必定产生折叠伤，造成锻件报废。⑵由于直接锻造成形，模具易磨损，会大大降低模具使用寿命。

综上所述，此连杆增加预锻模膛势在必行。增加的预锻工序，主要用来成形连杆“U”形大头部分和初步成形连杆小头部分；为预防锻件出现折叠伤，杆身部分截面设计为矩形截面，待终锻时进行最终成形。

图6 压弯摆放形式及成形结果

图7 预锻放料及成形情况

终锻工序

终锻主要是成形连杆杆身和小头，并对“U”形大头进行整形，具体模拟情况如图8 所示。

图8 终锻模拟情况

精整工序

因“工”字杆身加工余量只有2.5mm，在切边凹模刃口磨损后，锻件易产生切边变形，进而造成加工余量不够，产生废品。

切边工序采用的是315t 切边压力机，此设备是双点式结构，且工作台面足够大，可进行三工位生产，因此针对变形问题，可增加精整工序进行解决，精整模具如图9 所示。在设计过程中，为降低精整能量，实现局部精整，增加碟簧以防止曲柄压力机顶死。

图9 精整模具

图10 最终生产出的锻件

生产验证

主连杆分步成形锻造工艺在80kJ 电液锤生产线上实现生产后，因采用中频炉加热、560mm辊锻机制坯，运用压弯、预锻、终锻工序生产，实现锻件逐步成形，锻件(图10)尺寸及外观质量较好。与以往的工艺进行对比，模具使用寿命翻了两番，大大降低了工人的劳动强度，锻件生产效率也翻了一番。