基于自由锻的大型连杆体胎模锻工艺设计

文/李伟阳,康海鹏,朱保亮,李大乔·宝鸡石油机械有限责任公司热工分公司

基于自由锻的大型连杆体胎模锻工艺设计

文/李伟阳,康海鹏,朱保亮,李大乔·宝鸡石油机械有限责任公司热工分公司

本文针对特殊的大型连杆体，在不适合模锻的情况下，设计出一种自由锻结合胎模锻的锻造工艺，利用胎模锻出连杆体的杆部和球形头部，再自由锻锻出连杆体头部，使整个连杆体外形接近零件，避免锻件流线机加工时被切断，设备和模具投入小、锻件重量轻、机加工余量少，锻件力学性能更优越。

背景介绍

连杆体在传递力的过程中，承受着很高的周期性冲击力、惯性力和弯曲力，这就要求连杆体具有高的强度、韧性和疲劳性能。由于模锻成形接近最终产品几何形状和尺寸精度，同时可以改善其组织，获得更高的力学性能，所以在连杆体生产中占据主导地位。模锻连杆体具有大批量、小规格的特点，对于某些大尺寸连杆体需要投入大型的模锻设备和模具才能完成。

本文针对小批量、结构简单、尺寸大的连杆体，设计出一种在自由锻基础上结合胎模锻的锻造工艺，可以锻造出接近零件外形的连杆体毛坯，减少锻件重量和机加工余量，满足设备模具的较小投入，具有显著的经济效益。

零件结构和工艺性分析

图1为连杆体零件示意图，总长1298mm，厚度150mm，重量270kg，材料42CrMo。分析其结构：可以分为大方形头部，圆形杆部和拍扁的球形小头部。与传统连杆体相比，杆部没有工字凹槽，有利于胎模成形，大头部重量大，结构简单，适用于自由锻成形，小头外圆部为球形，可以通过球形模摔球后拍扁成形。

锻造工艺设计

锻造过程如下：

下料→加热→粗拔长杆部台阶→加热→分料模分料→杆部摔模拔长杆部→拍扁锻方大头部→加热→模锻球形小头→拍扁球形小头→精整→正火。

根据锻件重量和尺寸，确定在3t电液锤上锻造，整个锻造过程分3火次完成，分料时由于杆部直径相对较小（φ145mm），重量小，为了能更准确地分料，用分料模来限制金属流动，然后杆部在杆部摔模内成形，保证了杆部的尺寸和表面质量。

大头部重量大，约占整个锻件的2/3左右，外形简单，宽度大于厚度的2倍以上，根据圆形截面变扁方截面公式：φ=(2B+H）/3（其中φ为拍扁前圆钢的直径，B为拍扁后方坯的宽度，H为拍扁后方坯的厚度），采用自由锻拍扁锻方，头部留自然圆弧成形。

图1 连杆体零件示意图

小头部由球形拍扁而成，根据球体拍扁经验公式：Sφ=b+2(D-b）/3（其中Sφ为拍扁前球体直径，b为球体拍扁后的厚度，D为球体拍扁后的最大直径），求得球体拍扁前的球径，再根据体积不变原理得到摔球前圆柱形坯料的直径和长度。

大小头部的孔壁相对来说较薄，冲孔时容易冲偏或使锻件变形走样，故孔不冲出。

胎模设计

图2、图3、图4分别为分料模，杆部摔模和球形摔模。

图2 分料模

图3 杆部摔模

图4 球形摔模

整个锻造过程要使用以上三件模具各一对，用分料模分料后在锤上胎模锻完成杆部和小头部，自由锻大头部。

分料模由两个互成120°的斜面构成，上下分料模合模后的内孔高度即为粗拔长杆部台阶的直径，根据体积不变原理确定分料模宽度。

杆部摔模内腔为椭圆形，在摔杆的过程中，要不断的转动锻件，以便杆部变形均匀，椭圆形内腔易于锻件转动，利于金属变形流动，不夹料，不会产生折叠，摔模两端有R50mm的大圆弧倒角，以便杆部和两头自然过渡。

球形摔模在球头顶部开有溢流孔，其作用在于摔球过程中便于金属向摔模后部流动，减小变形阻力，防止坯料咬死，使金属更好的充满球形模型腔。

发现的问题和工艺改进方向

根据现场生产反馈，在圆形坯料拍扁锻方时，坯料的变形方向主要集中在圆形坯料的中间部分，变形的不均匀会使拍扁后的坯料中间宽度大于两头，有时甚至使两头达不到工艺尺寸要求，所以按圆截面变扁方截面公式时，应在计算得出的直径数据上加放20～30mm左右为宜，也要注意在拍扁锻方过程中尽量使中间和两头变形均匀。

现场生产中发现，头部在摔球模内摔球时，球体后部金属流动阻力非常大，有时金属难以从溢流孔中挤出，甚至形成严重的折叠、夹层。所以在摔球模内摔球前，用氧气乙炔将柱形坯料的一头环切去一部分，使坯料头部形成锥形，这样有利于金属在模具内流动，并从溢流孔流出，更好的充满型腔。

结论

本文详细介绍了自由锻的大型连杆体胎模锻工艺设计，得出以下几个结论：

⑴这种基于自由锻基础上的胎模锻大型连杆体工艺，可以锻造出符合设计图纸要求的连杆体锻件，如图5、图6所示。

图5 实体锻件

图6 实体零件

⑵连杆体锻件内部流线符合锻件外形，力学性能优越，机加工余量较自由锻小，锻件重量轻。

⑶该工艺设备和模具投入小，模具简单，易操作和维护，经济效益好。