连杆锻造成形数值模拟及工艺参数优化分析

蔡丹云

（浙江水利水电学院，浙江 杭州 310013）

连杆锻造成形数值模拟及工艺参数优化分析

蔡丹云

（浙江水利水电学院，浙江 杭州 310013）

本文通过对连杆的模具选取、数值模拟以及相关工艺参数优化等方面对连杆进行研究，并总结出连杆加工锻造技术的发展及特性，为今后的进一步发展与研究提供参考。

连杆；锻造；数值模拟；优化

1　连杆锻造工艺研究进展概述

在我国机械领域内，人们关于对连杆的研究从未停止。在一系列的研究下，连杆锻造工艺的缺陷以及改进措施都已被提出，这促进了连杆锻造技术的进一步发展。在建国初期，随着长春一汽的建成，我国开始独立锻造连杆工件［1-2］。但这时的锻造技术比较落后，而且制造的产品多为成批产品，难以独立设计连杆结构进行锻造。后来，南京汽车制造厂开始靠固定的小地炉，通过大量的劳动力，手工打造连杆锻件，这为锻造技术的发展翻开了新的篇章。如今，我国的连杆锻造技术已经有了很大的发展，像国内的二汽锻造厂，就以其工艺新、材料新、设备新的特点，大量使用热模锻压力机等机器，锻造出优质连杆。

2　连杆的锻造工艺分析

2.1下料

下料是连杆锻造过程的第一个环节，下料方式一般有两种，即剪切和锯切。在大多数的连杆锻造中，其下料方式均为锯切。因为如果采用剪切方式，则极易造成材料端面的平整光滑度受损。在制造毛坯时，如果采用辊锻技术，则需要利用机械的夹手来夹住毛坯材料，如果材料不平或不规则，则容易造成材料脱落，从而造成意外事故发生，因此利用辊锻技术制造毛坯时一般采用锯切下料方式［3-4］。

2.2加热

在加热生产工序中，首先需要考虑的是怎样使其受热均匀，而且如何控制温度使其保持在合适的范围也是极其重要的。在现在的加热环节中，加热环境已经得到极大改善，为了更好的提高加工质量，使得生产更加便捷可靠，一般采用频率感应方式进行加热。这样不仅可以降低能耗，而且温度更易控制，通过这个方式得到的坯料的氧化层较薄，比起以往的坯料氧化层更易去除。但是在生产中这种方式要求比较严格，因为生产节拍的影响，所以在加热时，应注意控制坯料整体的温差；在坯料移除前，不能使坯料暴露在膛炉的膛口，因为这样会造成坯料整体的温差过大，这个步骤可以通过调节相应开关来控制。对于锻件来说，加热温度的高低将直接影响其整体质量（包括内在和外观）。一般来说，温度低对于锻造连杆的刚度、强度有力，同时有利于后续工艺进程的进行。但是温度过低时，常常会造成金属融化不足，流动性能较差，模具将承受大量应力，从而加剧模具的磨损，制造完成的连杆容易开裂的后果。因此一般不能将温度调的过低。但是温度过高也容易造成一系列问题，例如金属流动性能太强，造成锻件表面的氧化破坏极其严重等。因此，加热温度应在保证锻件成型的基础上，进行适当的调节。

2.3辊锻

辊锻制坯是常用的毛坯制造方式，适合大批次的连杆生产。但其投资较大，且模具的磨损比较严重。因此在辊锻制坯时，我们应注意辊锻模具的质量，因为辊锻直接影响连杆质量，因此辊锻模具应保持光滑。由于辊锻模具在长时间使用后会由于金属流动造成不光滑等现象，因此需定期清理模具表面，使其保持光滑，避免坯料由于不光滑出现折痕。而且辊锻的时候，每一次加工的咬合处都不一致，因此需在加工前仔细观察坯料是否表面不平整或是出现划痕、擦伤等情况，然后调整辊锻的机械夹手，防止坯料掉落出现意外事故。机械夹手在使用过程中，若操作不当，极容易坯料造成磨损。以上问题都是辊锻过程中极易出现的问题，因此在辊锻加工时，必须避免出现这些情况，从而保证加工工艺的质量。辊锻成形原理如图1所示。

图1　辊锻成形原理图

2.4模锻

连杆的模锻成形设备有很多种，常用的有热模锻压力机、摩擦压力机等。在模锻成形的加工过程中应注意：对于已经经过辊锻的坯料，当对其进行模锻时，应注意在模锻膛炉中翻转坯料，以防出现氧化层剥落不完整的现象。而且在辊锻过程中，有些坯料的部位并未发生变形，因此要先将这些部位压扁，使得坯料容易夹紧定位。而且有利于去除氧化层表皮。在生产中，应使生产节拍保持一致，这样有利于后续工艺的进行，同时有利于提高加工质量［5-7］。

在连杆的模锻观过程中，最容易出现连杆裂纹、飞边、麻点等问题，因此在此工艺过程中应注意利用以下措施来解决这些问题。首先对于材料不同，几何形状不同的连杆，应根据其需要的模锻工艺，选取相应的预锻膛炉，使最终成型效果与设计匹配；其次，应重视个连接部件之间的配合，对于连杆各部位的参数选取与设计，这样可以使坯料金属的流动性不受模具的影响，避免产生折叠等现象。在预锻凸台的部位，应该合理设计相应形状尺寸，尤其是对于只锻连杆的杆体部位，由于这个部位属于叉口形状，因此其尺寸应该合理选择，否则将造成金属流动受阻，从而在此部位出现材料填充不满现象，使得连杆的整体流线连畅性被破坏，最终应不合格而被丢弃。在膛炉进行锻造时，应及时对坯件进行修正，打磨，抛光等，使得坯件与模具匹配。在模具制造时，注意控制生产节拍使其保持稳定，同时锻打的温度应控制在一定值。在锻打时，注意润滑剂的喷涂，从而使得模具具有高的光洁度和制造精度。在进行锻打时，打击力量应控制在一定值，以免出现工件磨损。

2.5切边冲孔

切边冲孔是指在已经成形的坯料上利用模具进行加工，一般来说，切边冲孔最好在坯料仍有温度时进行，因为在锻造过程完成后，坯料本身会存有一定的余热，这些余热有助于减小坯料的强度，使得在切边时所受应力较小。切边冲孔时应注意避免模具不匹配，因为这样极易造成切割后的坯料产生毛边不均的现象。同时切边变形也是常常遇到的问题，因此在切边冲孔时，应做好相应的防护措施。避免坯料因为应力变形造成的损失。

2.6校正

连杆的校正是连杆生产工序的最后一步，此道工序是保证连杆质量的重要工序。校正一般比较简单。一般是针对连杆表面的平整度以及整体厚度而言，对于有特殊要求的连杆，其相应校正程序也应进行。从而保障连杆的质量合格。

3　连杆锻造成形数值模拟分析

3.1金属塑性成形有限元理论

金属的塑性成形是一个非常复杂的过程，可以将它看做一个非线性的问题来解决。由于金属的塑性成形既要考虑材料的属性，又要考虑最后成形的几何形状。因此它可以分为材料非线性问题与几何非线性问题。一般而言，在金属的成形过程中，许多因素都将影响最后的成形效果，例如温度、摩擦、模具等。由于这些因素的不可控性，因此采用有限元的数值模拟方法对金属塑性成形进行求解。在连杆的热锻成形过程中，金属不仅表现其塑性，同时也有相应的粘性。连杆的成形是是在热力耦合的作用下完成的。因此在分析金属塑性成形时，必须进行数值模拟。数值模拟前应注意分析假设其相应的边界条件，这样有利于通过数学角度来解决问题。一般在进行数值模拟时，会将连杆假设为理想材料，忽略连杆的弹性变形。而在实际中，连杆的弹塑性变形可通过相关理论进行求解，但其过程比较复杂。因此采用有限元法，借助相应的原理，对金属变形区域进行离散化，从而得到相应的结果。

金属的塑性成形有限元分析系统是一个综合系统，它包含了有限元分析，弹塑性变形分析和计算机模拟分析等相关技术。随着技术的不断发展和完善，目前有限元分析系统已广泛应用于塑性成形领域。目前有限元分析系统可模拟分析各类材料的弹塑性变形，模拟计算复杂的成形过程，并对影响成形的各因素进行分析。其分析的相应应力变化、温度变化等结果，可以作为相应指标来优化成形设计［8］。

3.2连杆压扁工步优化

连杆压扁工艺比较简单，但在连杆压扁过程中存在一个较难的问题是如何确定压扁高度值，这个值对于后续工艺的顺利展开影响重大。在传统的设计中，一般根据加工经验进行选取，这样选取的高度值针对性较差，而且不一定适用于所有的连杆。因此现在一般采用3D软件进行不同高度值得模拟分析。

对于压扁成形阶段的分析，应在选取相应的机械后，建立有限元模型。一般在相应范围内选取间隔大约为5mm左右的几个高度值进行模拟。在选取了高度值以后，利用软件模拟出连杆制造的第一阶段，将第一阶段的计算结果作为已知条件导入到第二阶段的计算中。以此类推，从而完成整个过程的数值模拟。在数值模拟完成后，需要分析每一高度下工件的损伤程度，因为锻件的损伤是评价锻件质量的重要因素，锻件损伤情况可以查看相应的云图。在分析完损伤后，需要观察工件的锻件成形的冲填情况，一般若工件的端面与模具型腔完全接触，则填充情况完好。填充情况完好是锻件需要满足的首要条件，最终通过一系列的分析，选取最优的压扁高度值。

4　连杆锻造成形工艺参数多目标优化

在金属的塑性成形过程中，其形成机理是非常复杂的，工艺参数对其的影响是许多参数共同作用引起的，因此在进行工艺参数选取时，应该综合考虑各个参数的影响，经过分析后选取合适的参数，目前的理论研究一般都通过单个元素的分析来确定其对锻件的影响，但在实际的生产过程中，工艺参数是相互作用的，且在选取时，一般选取综合效果较好的参数，因为对于连杆锻件而言，不仅要努力提高其加工质量，还要考虑相应模具的制造和磨损。

在实际的模拟中，一般采用锻件的应力值，损伤程度和模具磨损度作为锻件成形工艺的主要指标，然后采用正交试验法进行试验，综合考虑各试验参数对锻件的影响。最后采用正交试验得到的数据，建立起锻件成形与工艺参数之间的数学关系，得到有限元算法的最优解。正交试验法在现在的设计中应用非常广泛，因为若选取全面试验的方法，则试验强度将大大增加。

在对多目标进行求解时，由于求解的各目标极值不同。因此得到的求解结果是互相矛盾的，所得到的最优解是不能使用的。因此需要对各目标进行处理，使得相互之间协调，从而得到最优解。一般求解多目标问题的方法分为两种，即直接法和间接法。通过这两种方法，可以较好的完成优化。其中，直接法是通过从所有解中选取较优的解。间接法是对求解问题进行分类处理，通过对问题的改造，完成将多目标问题转化成单目标问题，从而简化求解过程。间接法也可将多目标问题转化成几个小问题进行求解，这种方法得到的优化设计效果较好［9］。

5　结语

本文通过对锻造连杆的生产步骤的介绍，初步揭示相关软件的在连杆设计中怎样使用，同时分析它对连杆生产产生的影响，从而对成形工艺进行模拟优化，为连杆设计的进一步提高提供一些高效的制作工艺，为连杆生产的蓬勃发展提供一定的参考。

［1］锻工手册编写组.锻工手册［M］.北京：机械工业出版社，1976.

［2］王祖德.中国汽车零部件工业现状及展望［J］.现代零部件，2005（5）：52-56.

［3］颜怀祥.浅谈连杆加工工艺中的一些新的技术［J］.柴油机设计与制造，2003（2）：45-48.

［4］罗晴岚.连杆锻造工艺技术的进步阴［J］.锻压机械，2000，35（4）：11-13.

［5］王乐安.锻造模具与润滑［M］.北京：国防工业出版社，2010.

［6］李德群，肖祥芷.模具CAD/CAE/CAM的发展概况及趋势［J］.模具工业，2005（7）：9-12.

［7］柳玉起.计算机模拟在金属成形行业的应用和发展现状［J］.锻造与冲压，2005（6）：16

［8］李绍忠.发动机连杆生产工艺的进展［J］.汽车科技，2000（1）：7-11.

［9］马晓春，姚建华，陈刑，等.连杆锻件的生产现状及发展对策［J］.浙江工业大学学报，2001，29（2）：156-160.

Numerical Simulation and ProcessParameter Optimization Analysisof Connecting Rod Forging

Cai DanYun
（Zhejiang Institute of Water Conservancy and Hydropower，Hangzhou Zhejiang 310013）

From the rod mold selection，numerical simulation and optimization of related process parameters and other aspects，this paper studied the connecting rod，and summarized the development and characteristics of connecting rod forging processing technology，so as to provide a reference for further development and research.

connecting rod；forging；numerical simulation；optimization

TG316

A

1003-5168（2015）12-0033-3

2015-11-20

浙江省科技厅公益技术研究工业项目（2014c31112）。

蔡丹云（1975.2-），女，研究生，讲师，研究方向：模具设计与制造。