浅谈连杆模锻生产技术

文/吴傲宗，张娜娜，刘亚丽，夏占雪·第一拖拉机股份有限公司锻造厂

浅谈连杆模锻生产技术

文/吴傲宗，张娜娜，刘亚丽，夏占雪·第一拖拉机股份有限公司锻造厂

连杆是发动机的重要零件之一，连杆的质量直接影响发动机机械性能的平稳性、连续性，以及发动机的使用寿命，并直接关系到车辆的安全行驶。连杆作为发动机的核心传力机构，其在工作过程中承受着周期性不断变化的燃烧压力和惯性力的交变载荷，机械负荷严重，工作条件恶劣。这就要求连杆在质量尽可能小的条件下，有足够的刚度和强度。连杆杆体通常做成“工”字形断面，以便在取得足够强度和刚度的前提下减少质量。连杆一般采用中碳钢或合金钢经模锻、热处理和机械加工制造而成。

连杆生产工艺

连杆的分类

连杆的分类可以按多种划分方式，一般按材料和结构进行分类。按材料来划分，可以分为调质钢连杆和非调质钢连杆。调质钢连杆是指连杆锻打成形后，需要通过淬火和高温回火等热处理来最终达到性能要求的连杆；非调质钢连杆是指连杆锻打成形后，通过控制锻后空冷速度来达到性能要求的连杆。

按结构来划分，可以分为分体式连杆和整体式连杆。分体式连杆是指连杆体和连杆盖子分别锻造的连杆；整体式连杆是指连杆体和连杆盖子整体锻造，锻打后通过后续加工的方式来分离的连杆。表1为我国部分车型所用的连杆。

技术特点

连杆属于长轴类精密锻件，随着汽车工业的飞速发展，连杆有着相当大的需求和发展空间。长期以来，连杆一直被视为较难锻造和加工的零件。国内外对连杆材料、锻造工艺和切削工艺都给予高度重视，并在不断的改革和创新。同时对整个生产过程中容易出现的问题也有着深入的研究，其目的就是在满足产品使用性能和使用要求的同时，降低生产成本、提高生产效率从而最大程度地增加经济效益。

对于不同类型档次的发动机，对连杆的模锻件有着不同的技术、质量要求。随着各类发动机制造水平的提高，尤其是发动机转速的提高及动平衡要求的提高，对于连杆模锻件的重量公差、尺寸公差、产品精度、表面质量、内在质量与机械性能的要求越来越高。为了适应不同连杆模锻件生产的要求，就要选择不同的模锻生产工艺和方法。

■ 表1 我国部分车型所用的连杆

裂解工艺的应用

随着汽车工业的发展，现代高性能发动机对连杆的性能要求越来越高，拘泥于传统、落后加工技术的生产模式，难以满足日益发展的汽车制造行业对连杆批量和精度的要求。连杆裂解加工新工艺是20世纪90年代首先由德国、美国兴起的一种连杆新加工技术，是采用无屑断裂方法完成连杆体和盖结合面剖分加工的方法，其主要工艺流程有以下5点，主要工艺过程图如图1所示。

⑴先将连杆毛坯大头孔内侧预置裂解槽，形成初始断裂源。

⑵在连杆大头孔内侧施加垂直于预定断裂面的正压力，在满足脆性断裂发生条件下，完成无屑断裂部分的加工。

⑶利用两断裂面自然犬牙交错结构定位，实现连杆体与连杆盖的精确合装。

⑷以断裂部分的三维曲面定位，在断裂面完全啮合的条件下进行后续的大孔精加工及上螺栓工序。

连杆裂解加工过程

连杆裂解加工工艺流程包括粗磨连杆体两侧面→粗镗大小头孔、半精镗小头孔→钻攻螺纹孔→加工裂解槽→裂解→装配栓→压衬套并精整→精磨连杆体两侧面→半精镗、精镗大小头孔→铰珩小头孔→清洗→检验。

裂解工艺的优势主要有以下几点：

⑴裂解工艺改变了连杆加工的关键生产工序，以整体加工代替分体加工，省去分离面的拉削与磨削等工艺，降低了螺栓孔的加工精度要求。

⑵裂解加工技术具有减少加工工序、优化制造工艺，节省设备投入及能源消耗，降低连杆制造成本等优点。

⑶断裂形成的分离面是宏观形态参差、微观相互耦合的三维凹凸曲面，可以实现连杆结合面3个方向上的精确定位，装配后的连杆体与连杆盖可紧密接触并互相锁定，使连杆承载能力、抗剪能力、连杆组件刚度大幅度提高。

典型连杆模锻生产工艺

生产工艺流程

⑴锤上模锻的生产工艺包括，下料→加热→拔长→辗压→预锻→终锻→切边冲孔→热校正→热处理→喷丸→探伤→精压。

⑵热模锻压力机模锻生产工艺包括，下料→加热→辊锻（楔横轧）制坯→预锻→终锻→切边冲孔→热校正→热处理→喷丸→探伤→精压。

⑶摩擦压力机或高能螺旋压力机模锻生产工艺包括，下料→加热→辊锻制坯→摩擦压力机预锻→第二台摩擦压力机终锻→切边冲孔→热校正→热处理→喷丸清理→探伤→精压。

典型连杆模锻生产线配置

⑴热模锻压力机模锻生产线包括，中频感应加热炉（300kW）→辊锻机（φ460mm）或楔横轧机→热模锻压力机（25000kN或31500kN）→闭式单点压力机→空冷炉（预热淬火+回火炉）→喷丸机→探伤机→精压机。

这种生产线配置比较先进，采用了中频感应加热，辊锻或楔横轧制坯，预热处理工艺或非调质钢新材料。生产线便于实现自动化生产，噪声小，劳动环境好，可生产各种类型的发动机连杆，包括轿车连杆，但投资较大。

⑵液压精锻锤生产线包括，中频感应加热炉（600kW）→辊锻机（φ560mm）→液压精锻锤（63kJ）→开式压力机（31500kN）→控温冷却（900～950℃）→喷丸机（600～1200kg/h）→荧光探伤机→电动螺旋压力机（4000kN）。

该生产线以轿车连杆为主，锻件厚度公差基本在±0.2mm以内，错差在±0.3mm以内，精压尺寸精度可以控制在±0.1mm之内。

图1 工艺过程图

⑶摩擦压力机生产线包括，中频感应加热炉（5000kW）→辊锻机（φ560mm）→摩擦压力机（6300kN）→摩擦压力机（10000kN）→闭式单点压力机（2500kN）→摩擦压力机（3000kN）→余热淬火（870～900℃）→回火炉（150kW）→喷丸机→荧光探伤机。

该生产线以生产柴油机连杆为主，在摩擦压力机上进行预锻、终锻、热校正，工艺过程稳定，锻件质量好，生产效率也较高，适合于中小企业。

连杆模锻工艺的特点

图2 工字型截面预锻、终锻设计图

辊锻制坯

辊锻制坯工序在连杆模锻生产中具有重要作用，是保证连杆锻件质量的关键。在辊锻制坯设计中，除了尽可能提高材料利用率外，还要通过模具的设计和计算，保证连杆毛坯在每一道次的辊锻过程中都不能出现折叠，尤其是连杆的杆部区域。辊锻工序设计主要有以下4个要点。

⑴合理确定各道次辊锻毛坯的形状和尺寸。

⑵选择好型槽系，并要合理分配各道次延伸系数。

⑶合理确定各道次辊锻毛坯在不同区域的前滑值S前滑的大小。

⑷准确计算各道次毛坯截面尺寸与型槽尺寸。

预锻模膛设计

预锻模膛是用来对制坯后的坯料进一步变形，合理地分配坯料各部位的金属体积，使其更接近锻件外形，改善金属在终锻模膛内的流动条件，保证终锻时锻件坯料成形饱满；避免折叠、裂纹等缺陷，减少终锻模膛的磨损，提高模具寿命。对于连杆锻件，预锻模膛设计至关重要。如果预锻模膛设计不合理，则终锻后锻件将产生折叠，或出现局部充不满的情况。预锻模膛设计原则主要有以下三点：

⑴预锻模膛的形状和终锻模膛的形状基本一致。

⑵为了使预锻后的坯料容易放入终锻模膛，使预锻模膛的宽度比终端模膛小1～2mm，预锻模膛的高度比终端模膛高2～4mm，保证预锻模膛中的坯料实际高度和横截面积要大于终锻模膛的高度和横截面积。

⑶预锻模膛的拔模斜度一般应该与终锻模膛一致。也可以根据具体情况，采用增大拔模斜度、宽度不变的方法来解决成形难的问题。

预锻模膛的圆角半径一般比终锻模膛大2～3mm，这样可以减轻金属流动的阻力，防止产生折叠；合理设计预锻大头孔的劈料凸台的形状与尺寸，防止因金属流动不合理，而产生叉口部位出现局部充不满情况。

连杆锻件最易在工字形截面的杆部腹板处产生折叠，故对于连杆工字形截面的预锻和终锻设计原则为公式(1)～(6)（单位为mm），公式（7）、（8）。

锻模制造技术

轿车连杆重量公差国际上通用的标准为产品重量的2%～3%，一般发动机的连杆重量公差要求在3%～5%范围内。要控制连杆重量，模具制造精度是一个非常重要的因素。

终锻型槽的制作，要按精密级锻件的要求来制作。首先用三坐标数控铣床进行终锻模膛的粗加工，粗加工后进行模具热处理，这样就能有效保证模膛的强度，提高模具寿命。

模具热处理后再进行半精加工，然后在精密电火花机床上用石墨电极冲型，最后进行抛光处理。石墨电极精冲深度为0.5mm，电流选择15A。型槽公差深度、水平方向均可达±0.05mm。终锻型槽尺寸设计时，尽量趋于公差下限，使初始锻件重量保持在重量公差下限，随着模具模膛的磨损，重量会逐步向上限移动。

为增加模具模膛耐磨性，延长模具使用寿命，可对模膛进行离子渗氮处理，渗氮层厚度为0.15～0.35mm，硬度在44～48HRC之间。

结束语

连杆作为发动机上重要的零部件，其模锻水平直接影响着连杆的质量，这就要求我们不断提高模锻工艺水平来满足发动机对连杆的要求。

吴傲宗，工程师，主要从事锻模工艺开发及锻模三维化设计工作。