浅析胀断连杆模具的设计工艺

文/黄丽娟，马永权，史延辰，刘文荣·南宫市精强连杆有限公司

浅析胀断连杆模具的设计工艺

文/黄丽娟，马永权，史延辰，刘文荣·南宫市精强连杆有限公司

传统连杆采用分体加工法，用铣、锯、拉、磨等方法加工连杆体和连杆盖的结合面（简称分开面），以螺栓孔或定位销定位保证连杆体和连杆盖的结合面稳定。近年来，随着汽车工业飞速发展，发展起来一种新的连杆加工技术。新型胀断连杆是将连杆大头孔加工产生应力集中的裂解槽，然后由楔铁向下推动胀套对连杆产生压力，使连杆大头孔从裂解槽处裂解，裂解后利用胀断面的相互啮合进行定位，装配连杆。此方法的改进减少了加工工序，降低了螺栓连接孔的精度要求，从而降低了成本，提高了经济效益。

本文以南宫精强连杆有限公司C70S6材料胀断连杆产品为例，浅析胀断连杆模具的设计工艺。

锻造模具设计

C70S6材料主要化学元素含量为C-0.72%，Mn-0.5%，S-0.06%，P-0.009%，V-0.04%，其金相组织为珠光体加铁素体。抗拉强度为900～1050MPa，屈服强度≥520MPa，延伸率δ≥10%，断面收缩率ψ≥20%。疲劳强度是连杆材料的一个重要性能指标，疲劳试验在谐振式疲劳试验机上进行，施加对称循环载荷107次时，有限循环应力为±343MPa，很好满足了连杆的工作性能和寿命要求。

锻模是实现胀断连杆生产的关键因素之一。C70S6材料胀断连杆采用有飞边、热模锻工艺方式进行生产，图1所示为连杆锻模设计流程。

图1 锻模设计流程

锻件图设计

根据锻造设备、机加工性能、机加工工艺，留机加工余量后设计锻件图纸。图2所示为与客户反复沟通后，最终确认的锻件简化图纸。

图 2 锻件简化图纸

终锻模具设计

图2 所示锻件采用1000t热模锻压力机锻造，锻件一次冲程锻造成形，模腔采用电火花加工。锻件尺寸会受到锻模受热膨胀、锻件中心距长度、锻件复杂系数等因素的影响，C70S6材料连杆模具锻造收缩系数设计为1.5%，中心距方向锻造收缩系数设计为1.56%，据此设计终锻模具型腔如图3所示。

⑴终锻飞边槽设计。

由于锻件复杂系数高，锻件充不满模腔即报废，需增加金属流出模腔的阻力，迫使充满模腔。因此，要求飞边能有效的缓冲锻造过程中上下模具打击力量，预防模具压塌或开裂，要求飞边能容纳多余的金属。共提出了5套飞边槽设计方案，如图4所示。

图3 终锻模具型腔

图4 飞边槽设计方案

方案1：桥部在上模，桥部接触锻件时间短，温度低，桥部不易过热与磨损，终锻模具制造简单。但桥部阻力小，容易产生充不满现象，若加大桥部高度容易导致模具压塌与开裂，影响模具寿命。

方案2：桥部在下模，终锻、切边模具制造简单。但同样桥部阻力小，容易产生充不满现象，若加大桥部高度容易导致模具压塌与开裂，影响模具寿命。

方案3：上下模设计桥部并加宽桥部，并在桥部位置设置阻止金属流动的挡流槽。此方法能有效的加大桥部阻力，锻件充满容易。但设备吨位不够时容易产生上下模打不靠现象，影响锻件厚度，产生不合格品。

方案4：桥部在上模，下模设置挡流槽，挡流槽和桥部配合。此方法能有效的加大桥部的阻力，锻件容易充满，桥部与锻件接触时间短，温度低不易过热与磨损，有效延长了模具的寿命。

方案5：上下模均设计桥部，有效加大桥部宽度，增加桥部阻力，同时料仓较其他方案大，多次打击能很好保证模腔充满，但材料利用率偏低，桥部寿命偏低。

根据以上方案优缺点比较，最终选择方案4。

图5 模具实物图

⑵终锻顶料杆设计。

当锻件形状简单、容易出模时，在模具上设置钳口，用铁钳直接夹出即可。此锻件形状较为复杂，且为一次冲程锻造成形，出模困难。若用铁钳直接夹出，人为因素大，容易产生连杆弯曲，影响直线度。因此，在连杆大小孔中心设计长度合适的顶料杆，锻压完成后顶料杆顶出连杆，保证连杆直线度。图5所示为模具实物图。

⑶终锻模具运用QFORM软件进行锻造模拟，根据模拟检测设计合理性。

切边模具设计

切边模具包括上凸模、下凸模、上凸模固定板、下凸模固定板、切边凹模、卸料板、冲头等。其中上凸模固定在上凸模固定板上，下凸模固定在下凸模固定板上，连杆锻件放置在下凸模和卸料板上面；切边时，上凸模、冲头和切边凹模下行，上下凸模抱紧找正连杆；冲头和切边凹模继续下行，切边凹模切下连杆飞边，卸料板压紧弹簧下行，冲头切下大头孔连皮，完成切边过程。

热校正模具设计

热校正模具包括上、下两热校正模具，安装在100t压力机上，因锻件锻造过程中受各种因素影响，尺寸有散差，直线度、平面度受到影响，热校正模具的作用是将连杆的厚度标准化，直线度、平面度达到要求，为机加工提供一个标准的尺寸，保证机加工精度。

预锻模具设计

通过预锻可改善金属在终锻模腔中的流动条件，使金属易于充满终锻模腔，避免锻件产生充不满或折叠等缺陷，并提高整套锻模的寿命。但预锻也有导致终锻时产生偏心打击、使上下模发生错移，增大模块尺寸、降低生产效率的缺点。

根据以上分析，为提高产品质量，C70S6材料连杆制造工艺中增加了预锻工序。为确保杆部不产生折叠，防止变形不均匀等原因造成的金属回流，采用以下方法保证预锻模腔与终锻模腔相匹配：①预锻与终锻截面积比值为1∶0.9475，保证终锻能充满模腔；②高度递增，宽度递减，保证预锻件能放进终锻型腔内；③外圆角递减，内圆角递增，预防产生折叠。④运用QFORM软件进行预锻过程模拟，模拟检测合理后，预锻工件进入终锻模拟。

图6 锻件与毛坯截面积简化对比图

辊锻毛坯计算、原材料尺寸计算、辊锻模具设计

根据锻件任意一个截面积+相应截面飞边截面积=毛坯截面积的原则，计算辊锻毛坯。由毛坯计算结果，按体积不变的原则计算原材料尺寸，其中不参与辊锻处的直径即为毛坯直径。然后综合分析毛坯金属流向、毛坯复杂系数、折叠产生风险等级等因素，确定辊锻次数为5次，进而合理分布辊压量，并通过德国VERACAD软件设计各辊锻模辊压量分布。设计完后运用俄罗斯QFORM软件进行辊锻模拟，模拟检测合理后模拟辊锻毛坯工件进入预锻模拟。辊锻过程模拟如图7所示。

图7 辊锻过程模拟

结束语

随着制造业的发展，锻造行业向着节能降耗、精密锻造的方向迅猛发展。生产制造前，进行潜在的失效模式和后果分析，运用QFORM进行锻造有限元模拟，通过CAD、VERACAD等软件进行精准化设计，可以最大程度提高材料利用率及产品合格率。同时，也有利于简化工艺流程，节约生产成本，为行业的发展添砖加瓦。