胀断连杆锻造工艺与模具设计分析

文/林栋，林鹏飞，徐俊峰，王建科，宋虎林·天润曲轴股份有限公司

胀断连杆锻造工艺与模具设计分析

文/林栋，林鹏飞，徐俊峰，王建科，宋虎林·天润曲轴股份有限公司

连杆在进行模具设计之前，首先应该确定合理的生产工艺，然后根据生产工艺设计合适的模具。本文以我公司生产的某连杆为例，依据连杆的形状参数，选择在4000t热模锻压力机生产线上进行生产，其工艺流程为：下料→加热→去氧化皮→辊锻→压扁→预锻→终锻→冲孔→切边→热校正。

连杆在锻造过程中需要多个模具来成形，根据锻造工艺来设计模具，有利于了解坯料金属流向。而且在设计模具时，还要注意不同材料对应的热膨胀系数也不同。

辊锻模具设计

连杆锻件的材料利用率一般在65%～80%之间，辊锻时利用率分别按照75%、80%、70%计算出大头（加连皮后）、杆部、小头的用料直径，然后根据计算好的直径使用模拟软件设计辊锻模具，得出辊锻各部分示意图，如图1所示。

由于连杆大头与杆部的用料直径相差较大，变形也比较大，一般按照4道次设计辊锻，每道次最大缩减率不超过35%。过渡圆角内角、外角要选择合理数值，否则，内角过小，则会造成锻件本体产生折叠缺陷；外角过大，会造成锻件填充不满、产生缺肉缺陷。

图1 辊锻各部分示意图

由于加热温度的差异，辊坯成形时小头端面容易形成缩口，所以在计算小头用料时，一般要在满足锻件成形的基础上再增加5mm的用料；在计算终锻用料时，主要从便于把辊锻产生的缩口缺陷流入到飞边中，不在锻件端面形成折叠等方面考虑。

压扁设计

压扁模大小头上下模间隙设计比连杆厚度小,压扁时将坯料横向尺寸增加有利于大头横向成形。间隙太大，坯料宽度不够，造成大小头横向充不满；间隙太小，坯料太扁，中间余料不足,造成大小头孔及杆部工字筋充不满，压扁间隙示意图如图2所示。

预锻模具设计

模膛设计

图2 压扁间隙示意图

图3 预锻桥部示意图

预锻需要保证有足够的坯料使锻件最终成形。因此，预锻模型腔深度按照比终锻模型腔深度单边深的思路进行设计。大小头连皮厚度在桥部高度的基础上少量下沉，保证连皮储料充足，加大倒角便于金属流动，大小头型腔更容易充满。

分模面设计

预锻模闭合高度和桥部高度尺寸紧密相关。由于预锻工序会产生大量金属流动，在设计时要重点考虑桥部间隙、桥部宽度。预锻桥部示意图（图3）中，桥部间隙过大，桥部宽度过小，金属向外流动迅速，造成锻件充不满；桥部间隙过小，桥部宽度太大，金属不易向外流动，模腔压力大大增加，从而造成桥部磨损，影响模具寿命。同时金属流动不畅，易在内部形成折叠缺陷。预锻模内倒角的半径R为4mm，有利于加快金属流动，将预锻成形后余料快速排挤出型腔，降低模腔压力，延长模具使用寿命。

顶出机构设计

预锻模的顶杆顶出位置设计在冲孔连皮上。顶杆设计直径与顶出孔的直径相差小于1mm，间隙太小，模具与顶杆受热膨胀挤死；间隙太大，则容易挤入飞刺使顶出装置失效。顶杆高度应与型腔平面平齐或低于型腔平面0.5mm以内。高度太高，仓部储料将顶杆抱死，造成坯料出模困难；高度太低，余料进入顶杆孔，使顶杆孔磨损变大，容易挤入飞刺。

终锻模具设计

模膛设计

终锻模的模膛按照热锻件三维图直接做出即可。锻件在预锻工序基本成形，终锻仅有少量的金属流动。实际生产过程中因打击偏载造成锻件大小头平面度差，因此在设计终锻模具时，下模大小头平面要留有补偿量。在大小头连皮处增加储料仓，起到存储余料的作用，可以有效防止多余材料向外挤压造成模具磨损严重及锻件折叠。储料仓保留足够的深度，倒角半径R为20mm，有利于金属流动，大头储料仓示意图如图4所示。

图4 大头储料仓示意图

冲孔、切边模设计

⑴冲孔模的设计重点为冲头。在不是特别要求大小头内径过冲的情况下，一定要避免过冲。冲孔过切太大，在过切时，锻件受挤压向下，向外侧变形，当冲头低于锻件分型面时，锻件向外侧变形回弹，从而使冲头抱死。因此，设计时一般单边缩减约1mm。避免冲孔时冲头受力过大造成冲头磨损严重，降低冲头使用寿命。冲头切刃高度设计合理，过小则冲头易磨损；过大容易产生拉刺或抱死，冲头示意图如图5所示。

⑵冲孔凹模利用热锻件直接作出。因在冲孔作业时，锻件仍带有飞边，所以冲孔凹模在距离分型面10mm的地方设计。不仅可以让出飞边的位置，避免因飞边翘曲变形，锻件定位不一致产生冲偏，而且由于周边型腔结构的限制，在冲孔过程中要保证能够固定锻件，避免产生压痕及冲偏。

图5 冲头示意图

图6 刃口剖切示意图

⑶设计切边刃口。终锻模型腔磨损会造成锻件整体尺寸变大，在切边凹模设计时，其刃口要与热锻件留有一定的间隙。凹模刃口厚度一般设计成3～4mm；厚度低于3mm时，刃口太薄，剪切时容易变形，锻件与飞边切口会产生凹槽；厚度超过5mm时，锻件切边过程中与模具接触时间长，容易产生拉痕，这会影响连杆的疲劳强度，刃口剖切示意图如图6所示。

⑷设计切边凸模。凸凹模之间必须要有一定的间隙，间隙太大，受切边力的影响，锻件容易变形拉伤，尤其是螺栓台等位置更明显，会产生螺栓孔中心尺寸偏移的缺陷；间隙太小，模具长时间使用过热膨胀，容易影响到锻件精度。由于杆部较细，在切边过程中会造成锻件的挤压变形，使工字筋上下宽度不一致，因此切边凸模必须要保留杆部形状。

校正模制作

校正模的主要作用是校直锻件直线度及平面度，因此校正模的制作相对简单。但考虑到有些连杆在冲孔、切边过程中，容易导致杆部弯曲、变形，因此校正模制作时仍要将杆部形状制作出来。而大小头位置没有特殊要求，只要作出平面即可。对于小头尾部有斜面的情况，连杆在冲孔、切边过程中，杆部会有少量向上模弯曲，可适当在上、下模尾部斜面上做出补偿量，保证最终校正后锻件尺寸精度。

结束语

胀断连杆的尺寸精度要求比传统锯切连杆更为严格，需要我们在设计新产品之初就进行工艺设定，合理的模具设计，从而来保证生产出的锻件合格；需要我们在平时设计过程中不断积累和丰富细节参数，为后续的设计提供可靠的经验数据。

林栋，工程师，副总经理，主要从事材料成形及模具设计的研究工作。