某胀断连杆锻造工艺工装设计及验证

刘宗江，肖宜仰，刘庆义，齐 建，钱福梅

（潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊261061）

某胀断连杆是一款用于V 型8 缸大功率柴油机，其连杆为全新设计。

根据产品图样，需要在锻造车间热模锻生产线进行自制连杆锻件的样试工艺开发。按批量生产的要求进行样机连杆毛坯的试制，试制成功后，根据市场需求，具备批量生产能力。

1 产品结构分析及工艺方案制定

1.1 产品结构分析

连杆中心距282mm，是我公司目前最大的胀断连杆，连杆大小头厚度不同，连杆上下不对称（图1）。

连杆材料选用C70S6，连杆体、盖整体锻造，机加工采用胀断工艺。

1.2 设备吨位计算

设备吨位的计算是根据锻造力P 确定的[1]，公式为：

式中：P——变形力，kN；F——包括飞边桥在内的锻件投影面积，cm2，通过查询毛坯三维质量特性投影面积F=487.2cm2；50～70 为系数，根据材质系数、锻件复杂程度等因素确定。根据实践经验，设备公称压力应比变形力大，一般选为1.18 左右的变形力为宜，经计算，选DRF4000 热模锻压力机。

图1 某胀断连杆总成简图

1.3 工艺方案

1.3.1 锻造工艺流程

下料—加热—辊锻—预锻—终锻—切边、冲孔、热校正—控温冷却—清理—探伤—强抛—沾防锈液。

1.3.2 下料

连杆材料C70S6，选用ø75 棒料试制。下料采用S-400HA 型全自动带锯床。

1.3.3 加热

加热采用KGPS-TJ1200kW/1kHz 中频感应加热机。

1.3.4 辊锻

辊锻采用ZGD-560 型自动辊锻机，新设计制作辊锻模一套，为四道次辊锻，机械手夹持，辊锻完成后将辊坯送至传送带，进入DRF4000 热模锻压力机。

1.3.5 预锻、终锻、切边、冲孔、热校正

预、终锻采用DRF4000 热模锻压力机，新设计制作预锻模、终锻模各一套。切边、冲孔、热校正采用JC31-400D 闭式单点压力机，新设计制作切边、冲孔及热校正连续模一套。

1.3.6 控温冷却

控温冷却采用专用控冷设备。

1.3.7 清理、探伤、强抛、沾防锈液

清理采用Q378E 型抛丸清理室，探伤采用荧光磁粉探伤检测线，探伤后退磁。强抛采用转台抛丸强化机，强抛后沾防锈液，防止连杆毛坯表面生锈。

2 辊锻模设计

2.1 辊锻毛坯及工步图设计

制坯辊锻工艺设计首先要设计辊锻毛坯图。辊锻毛坯的设计以计算毛坯的尺寸和形状为基础。计算毛坯是假想的具有圆形（或方形）横截面的坯料，其形状反映了沿锻件长度方向金属分布的情况。

原始毛坯的尺寸是按锻件的最大截面选取的，该锻件的最大截面位于连杆大头部位。坯料大头端部不变形，且满足夹持用长度要求，可利用它作为辊锻时的夹持部位。

制坯辊锻常用的型槽系有：椭圆—方、椭圆—圆、菱—方、六角—方等[1]。椭圆—圆型槽系具有转变平稳、表面质量好等优点，因此选择该型槽系制坯，见图2。

图2 椭圆- 圆型槽系

根据体积不变原理，计算出各道次辊坯纵向尺寸。根据各型槽截面尺寸和纵向尺寸，绘出辊锻工步图，见图3。

图3 辊锻工步图

2.2 辊锻模设计

椭圆型槽由两段以Rk为半径的圆弧相交而成，圆角半径r=（0.1～0.2）bk（bk为型槽理论宽度）。Rk、bk、hk（型槽高度）之间的关系如式（2）、（3）所示[1]：

辊锻模间隙S 一般为2mm～4mm，本文取3mm，取型槽充满程度δ=0.8。结合各道次辊坯尺寸，可计算出各道次型槽尺寸。

由于有前滑，型槽的长度应较毛坯的相应区段要短，各型槽区段所对应的中心角由式（4）计算得到[1]。

式中：Id——相应区段的毛坯长度尺寸；Rz——型槽作用半径；S——前滑值。

前滑值S 在不同的区段按经验数据选取，一般等截面的长度区段取4～6%。在过渡的楔形区段计算前滑时要看其在辊锻时的送进方向，当坯料的薄端在前的时候，其前滑较小，可以取2～4%，当坯料厚端在前时，前滑较大，可以取6～12%。

根据计算的辊坯尺寸，分别计算出各道次每个区段的中心角，完成辊锻模设计，见图4，从右到左依次为第一～第四道次。

3 工艺工装验证

3.1 工装验证

验证内容：①工装结构设计是否合理、模具型腔形状是否正确；②预、终模顶出机构是否顺畅顶出锻件。验证过程中出现的问题和解决措施如表1 所示。

图4 辊锻模三维模型

3.2 工艺验证

验证内容：①锻件工艺设计是否合理；②工艺参数是否合理；③锻件毛坯结构尺寸是否正确；④进行工艺完善、稳定锻件质量。

（1）初定下料规格为ø75×232mm，试料时产出的锻件飞边合适、尺寸合格。为避免后期模具磨损后飞边尺寸过小，第二次试制时下料规格为ø75×235mm。

表1 工装验证对策表

（2）辊锻模试模时发现辊坯长度不足，测量发现大头夹持部分过长，调整机械手，缩短夹持部分后问题解决。

（3）预锻模试模时小头端部填充不足，检查发现辊坯过粗引起长度过短，分析认为是辊锻模封闭高度偏大所致，调整封闭高度后问题解决。

（4）工艺验证时预终锻模块材料为5CrNiMo，生产时发现模具飞边桥部磨损严重。

（5）试料时发现锻件厚度、错移超差，调整设备封闭高度并更换偏心键后锻件尺寸合格。

（6）冲孔校正时锻件被冲头带起，在落料板作用下落下时磕到校正模下模凸起部位造成磕碰伤。

4 结论及建议

（1）工艺流程合理，满足生产需要，锻件经理化性能检验，组织、机械性能合格。

（2）设备吨位的计算，由于连杆材质为C70S6，强度较高、锻件为连杆，复杂程度高，因此式（1）中的系数建议取最大值70。

（3）经验证，辊锻模前滑值S 的选取，等截面区段取5%，楔形区段，当薄端在前时，取3%，当厚端在前时，取8%。

（4）为提高锻模使用寿命，建议模块材料使用性能更优的4Cr2MnNiMo 进行验证。