柴油機連桿鍛造成形工藝設(shè)計

文／沙奔，陳文琳，楊棟，喻建軍·合肥工業(yè)大學(xué)李之文·合肥汽車鍛件有限責(zé)任公司

柴油機連桿鍛造成形工藝設(shè)計

文／沙奔，陳文琳，楊棟，喻建軍·合肥工業(yè)大學(xué)李之文·合肥汽車鍛件有限責(zé)任公司

針對某型號柴油機連桿采用輥鍛制坯—模鍛成形工藝生產(chǎn)時材料利用率低的問題，對輥鍛工藝重新進行工藝計算，并利用有限元軟件對連桿鍛造成形過程進行模擬，分析坯料在輥鍛型槽中的變形過程、應(yīng)力分布及受力情況，得到輥鍛金屬流動情況，合理分配金屬，最終獲得合格鍛件，材料利用率從原工藝的69.5%提高到了77.6%。

連桿屬于長軸類鍛件，沿軸線方向上截面變化劇烈，所以長期以來，連桿一直被視為較難鍛造的一種零件。連桿常用的成形工藝有模鍛、模鑄、粉末冶金鍛造等，但目前國內(nèi)企業(yè)采用的主要成形方式還是模鍛。在模鍛成形中，采用輥鍛制坯是當(dāng)前較好的方法，由于輥鍛設(shè)計較為復(fù)雜，設(shè)計人員對輥鍛制坯時的金屬流動情況不了解，故常常依據(jù)經(jīng)驗進行工藝設(shè)計，而輥鍛坯料金屬分配不合理，會導(dǎo)致終鍛成形時飛邊較大，材料利用率低。

圖1 連桿鍛件圖

因此，本文將對某型號柴油機連桿進行工藝計算，建立輥鍛制坯的有限元模型，了解、分析金屬的流動情況，調(diào)整輥鍛工藝，以期望能合理地分配金屬，成形出合格鍛件，達到提高材料利用率的目的。

連桿工藝分析

如圖1所示為某型號柴油機連桿，該連桿鍛件質(zhì)量約2.8kg，材料為40Cr，屬于帶工字形截面的長軸類復(fù)雜形零件。其中連桿大頭部橫截面積大，桿部截面細小，鍛件橫截面變化大。目前某公司生產(chǎn)該連桿的工藝流程為：下料→中頻加熱→4道次輥鍛制坯→預(yù)鍛(630t摩擦壓力機）→終鍛(1000t摩擦壓力機）→熱切邊→熱校正。坯料采用規(guī)格為φ65mm×157mm的棒料，終鍛件周圍的飛邊較大，材料利用率僅為69.5%。其主要原因是輥鍛坯料分配不合理，需要重新進行工藝計算。

輥鍛制坯工藝設(shè)計

計算毛坯圖的繪制

首先根據(jù)鍛件圖繪出計算毛坯圖，如圖2所示。其中計算毛坯的橫截面積可按下式計算：

式中 A計——任一處計算毛坯截面面積 (mm2）；

A鍛——相對應(yīng)處鍛件的截面面積(mm2）；

A飛邊——相對應(yīng)處飛邊槽截面面積(mm2）；

η——充滿系數(shù)，形狀簡單的鍛件取0.3～0.5，形狀復(fù)雜的鍛件取0.5～0.8。

連桿鍛件形狀較為復(fù)雜，所以本文中充滿系數(shù)η值選取為0.6。

圖2 連桿計算毛坯圖

原始毛坯尺寸的設(shè)計

依據(jù)計算毛坯最大截面尺寸，選取原始毛坯直徑為φ64.7mm，由此按照標準鋼材型號選擇φ65mm的圓鋼坯，并由下式計算原始毛坯長度：

式中 L0——原始毛坯長度(mm）；

V0——原始毛坯體積(mm3），由鍛件截面圖計算得到；

F0——原始毛坯截面面積(mm2）；

Ky——燒損系數(shù)，中頻加熱取0.5%～0.8%。

計算得L0為142mm，故最終確定原始毛坯尺寸為：φ65mm×142mm。

輥鍛道次的確定及型槽系的選擇

根據(jù)計算毛坯圖得到連桿桿部所對應(yīng)的最小截面面積Fmin＝600.3mm2，而原始毛坯截面面積F0＝π(d0/2）2＝3316.6mm2，由下式計算得輥鍛制坯過程中的總延伸系數(shù)：

式中 λS——總延伸系數(shù)；

F0——原始毛坯截面面積(mm2）；

Fmin——最小截面面積(mm2）。

計算得總延伸系數(shù)λS＝5.52。

輥鍛道次Z可由下式確定：

式中 Z——輥鍛道次；

λS——總延伸系數(shù)；

λP——平均延伸系數(shù)，通常取1.4～1.6。

計算可得連桿的輥鍛制坯道次Z為3.98，取整為4。

適用于圓形坯料的常用輥鍛型槽系組合中，橢圓—方形型槽系允許的延伸系數(shù)較高，輥鍛時坯料穩(wěn)定性較好；橢圓—圓形型槽系允許的延伸系數(shù)較小，輥鍛坯料表面質(zhì)量較好；橢圓—方形—平橢圓形型槽系允許的延伸系數(shù)較高，終鍛坯料桿部截面形狀與連桿較為接近。

經(jīng)計算分析，4道次上述型槽系組合中只有橢圓—方形型槽系能達到設(shè)定的桿部截面積要求，所以連桿桿部選用橢圓—方形—橢圓—方形4道次型槽。同理，可確定連桿小頭部選用橢圓—圓形2道次型槽。

輥鍛毛坯圖和各工步圖的設(shè)計

根據(jù)計算毛坯圖設(shè)計出輥鍛毛坯圖，其中，將桿部圓形截面依據(jù)等面積原則換算成方形截面，因為連桿大頭部的截面尺寸與原始坯料截面尺寸相差不大，所以在輥鍛制坯過程中并不成形，而作為機械手夾持的料頭部分。由圖解法分別計算出輥鍛毛坯第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ道輥鍛工步圖，如圖3所示，再由輥鍛毛坯各工步圖計算出各型槽的幾何尺寸。

圖3 輥鍛工步圖

圖4 有限元模型

成形過程有限元模擬

建立有限元模型

根據(jù)連桿輥鍛制坯—模鍛成形工藝特點和剛粘塑性有限元理論，分別建立輥鍛制坯過程、模鍛過程的有限元模型，如圖4所示。具體設(shè)置為：坯料定義為塑性體，模具定義為剛性體；坯料材料為40Cr，對應(yīng)的國際牌號為AISI 5140，模具材料為H13鋼；坯料初始溫度為1180℃，模具預(yù)熱溫度為250℃；輥鍛時，對工件端部進行上下位移約束，鍛輥的角速度為6.6rad/s，預(yù)鍛時，采用速度控制，模具下行速度為250mm/s(符合630t摩擦壓力機），終鍛時，采用速度控制，模具下行速度為400mm/s(符合1000t摩擦壓力機）；坯料與鍛模的摩擦采用剪切摩擦模型，模具采用水基石墨潤滑劑潤滑，摩擦系數(shù)為0.3。

依據(jù)圖4的有限元模型對原有的毛坯尺寸進行模擬，其結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯M所得的各工步的坯料與實際生產(chǎn)中對應(yīng)工步的坯料在外形形狀上基本一致，用此坯料進行預(yù)鍛和終鍛，預(yù)鍛件、終鍛件所產(chǎn)生的飛邊的大小和形狀與實際的預(yù)鍛件、終鍛件一致。由此可知，通過有限元模擬能夠較準確地預(yù)測金屬的宏觀流動情況，從而驗證了有限元模型的正確性。

圖5 模擬與實物對比圖

模擬結(jié)果及分析

將經(jīng)過工藝計算所得的輥鍛模具進行實體建模后，使用理論計算得到的φ65mm×142mm毛坯，進行有限元模擬，以第一道次輥鍛制坯過程為例(圖6）進行分析如下：

圖6 第一道次輥鍛時坯料變形情況

從圖6a可以看出，坯料在高度方向經(jīng)輥鍛模具壓縮后，除一小部分金屬橫向流動而使坯料的寬度略有增加外，大部分被壓縮的金屬沿著坯料的長度方向流動。夾持的料頭端金屬流動速度大于鍛輥的線速度，變形區(qū)的金屬流動速度要小于鍛輥的線速度。并且在變形區(qū)內(nèi)，從軸向方向看，越靠近模具的金屬流動速度越大。而在高度方向上，由于接觸摩擦力的影響，貼合模具的上下斷面金屬流動速度小，而中心位置的金屬流動速度大。所以，在輥鍛變形過程中金屬的流動速度分布是不均勻的。

圖6b為第一道次輥鍛制坯過程中的應(yīng)力分布情況，setp10所示工件中間被模具咬合后，在咬合力的作用下，中間桿部發(fā)生變形，形成應(yīng)力場。隨著變形的進行，連桿小頭部對應(yīng)的坯料也發(fā)生變形，由于桿部的變形量比小頭部的大，故應(yīng)力值比較大。

圖6c為第一道次輥鍛制坯過程中的力矩變化情況，輥鍛時，坯料在輥鍛模具中逐步變形，通過局部變形累積為整體變形，因此輥鍛工藝較一般模鍛工藝所需成形力要小得多。輥鍛力矩是選擇輥鍛設(shè)備的重要依據(jù)，從圖6c中可以看出，輥鍛力矩隨著輥鍛過程的進行發(fā)生變化，且與型槽形狀有關(guān)，在中間桿部時，壓下量大，輥鍛力矩達到最大。

如圖7所示為原工藝采用尺寸為φ65mm×157mm的毛坯和理論計算所得尺寸為φ65mm×142mm的毛坯終鍛時的載荷—行程變化曲線，開式模鍛中分鐓粗、成形、靠模階段，在靠模階段載荷明顯迅速增大，這與實際情況吻合。兩種情況下的最大載荷力分別為：9.17×106N，8.12×106N。由于后者的輥鍛坯料減少，并且金屬分配更加合理，故使得其在終鍛時的最大載荷比前者下降了約1.05×106N。模具受到的載荷降低，壽命提高。

圖7 兩種坯料終鍛時的載荷—行程變化曲線

圖8 φ65mm×142mm的坯料模擬結(jié)果

坯料經(jīng)過4道次輥鍛制坯、預(yù)鍛、終鍛成形后得到終鍛件，如圖8所示。鍛件充填良好，飛邊較原工藝有所減少，無折疊等鍛造缺陷，符合設(shè)計要求。此時材料利用率為77.6%。

結(jié)束語

⑴通過有限元軟件對原生產(chǎn)工藝進行模擬，所得的各工步坯料與實物形狀大小一致，驗證了有限元模型的正確性，也說明數(shù)值模擬能為工藝制定提供理論指導(dǎo)。

⑵對連桿輥鍛制坯工藝進行重新設(shè)計，并對連桿輥鍛制坯—模鍛成形過程進行數(shù)值模擬，最終得到合格鍛件，且材料利用率從原工藝的69.5%提高到了77.6%。

沙奔，碩士，主要研究方向為塑性成形與模具CAD。