一種大型連桿精準制坯技術的開發與應用

文／王永健·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

大型連桿是工程機械上的一種關鍵零件，在工作過程中需要承受壓縮、拉伸等交變載荷作用，對疲勞強度和結構剛度有較高要求。目前的生產工藝主要是由鍛造成形，再經過機械加工完成的。

我們在和某國外工程機械企業的合作中，遇到一些大型連桿（圖1），整體長度長，橫截面差別大，中間桿部較細，兩端頭面積大，屬于典型的長桿類鍛件。

圖1 大型連桿數模

樣件開發階段

這類鍛件需要采用制坯+終鍛成形的鍛造工藝，其生產效率和產品質量主要由制坯工藝決定，企業根據設備特點，結合實際情況采用不同的工藝。在開發初期，我們采用了常規的自由鍛方式制坯，這種制坯工藝生產效率低，工人勞動強度大，產品質量不穩定，材料消耗大，總體生產成本高。

生產效率低，勞動強度大

圖2所示為自由鍛制坯使用摔模，靠操作工手工翻轉、控制毛坯尺寸和形狀。共需要兩個工步，先制出毛坯兩端形狀，再更換模具拔出長桿部形狀，這種生產方式，每班能生產40～50件。圖3中3.77kg的坯料在自由鍛制坯完全需要人工翻來翻去，勞動強度大。

圖2 自由鍛制坯圖

圖3 人工操作

鍛件質量不穩定

自由鍛制坯后，模鍛成形只能采用燃氣爐加熱。一是，毛坯氧化皮厚，鍛件表面質量差，氧化坑最深在1.5mm左右（圖4）；二是，坯料加熱時間不一樣，整爐料的首末件溫差大，造成鍛件個體之間中心距尺寸不穩定（圖5），后續加工后壁厚差大。

生產成本高

圖4 表面缺陷（氧化坑）

圖5 中心距尺寸不穩定

由于自由鍛制坯精度較差，致使中間毛坯在直徑和長度上均有意加大了用料，原材料消耗增加（圖6）。另外，自由鍛制坯一致性不高，無法滿足后續模鍛工序中頻感應電爐加熱的要求，只能在燃氣爐加熱，動能消耗大，綜合成本太高。

圖6 自由鍛制坯桿部直徑大

批量生產階段

為了在批量供貨時解決上述問題，我廠成立了工藝開發小組，研究開發模鍛制坯工藝。我們查閱了大量技術資料，多方了解國內外大型連桿的制坯方式。目前的現狀基本上都是自由鍛制坯工藝，無現成的模鍛制坯資料可借鑒。

工藝分析，確定方案

大型連桿鍛件的制坯，通常采用以下幾種工藝方案，分析其優缺點：

⑴自由鍛制坯。

優點：生產所需設備要求不高，通用性好。

缺點：靠人工操作來控制鍛件形狀和尺寸，精度較低，工人勞動強度大，生產率低，主要用于單件、小批量生產。

⑵模鍛制坯，其中包括輥鍛制坯、楔橫軋制坯。

優點：生產效率高，工人勞動條件好。

缺點：需要專用設備，投入專用模具，適用于大批量生產，前期投入大。

⑶不增加專門的制坯工序，在模鍛錘上增加制坯工步。

優點：一火次成形，降低動能消耗。

缺點：在大設備上增加制坯工步，只能做壓扁等簡單操作，對鍛件截面改變少，材料消耗大。另外模塊尺寸加大，增加模具成本。

在分析各種工藝方案后，我廠技術人員大膽創新，摒棄傳統的粗料拔長制坯方式，另辟蹊徑，提出了細料鐓粗聚集制坯的方式。經過反復計算論證后，結合我廠生產設備的實際狀況，決定采用平鍛機模鍛制坯+模鍛錘終鍛的制造工藝。

修訂中間鍛件圖

依據大型連桿最終鍛件圖，結合初始自由鍛中間坯方案，優化設計了平鍛機制坯中間鍛件圖，將桿部直徑由原來的φ85mm（圖6）改為φ80mm（圖7）。注意，此處的成品尺寸就是φ80mm，這也是經過反復計算論證后才確定下來的。

圖7 精準制坯桿部直徑小

改變制坯加熱方式

將原來的燃氣爐加熱（圖8）改為中頻感應電爐加熱。燃氣爐加熱本身的火耗在3%左右，中頻感應電爐加熱火耗只有0.5%左右，另外原來燃氣爐加熱是整體加熱，而新工藝只需要局部加熱即可，不變形部分不需要加熱，大幅提高加熱效率，減少損耗。

中間毛坯工藝制定

在依據鍛件圖確定工步圖的過程中（圖9），反復論證、計算，坯料的鐓粗比達9.1，比常規鐓粗比4.5大2倍還多。為確保鐓粗聚集不失穩，借助Deform軟件模擬鍛造過程。根據模擬的結果，采用了錐形模膛聚集，同時還要遵循聚集工步設計的限制線，在第一工步的錐形大端設計更大的錐體，在錐形小端增加圓柱段。通過合理分配壓縮系數，最終采用4個工步成形。

圖8 燃氣爐加熱

圖9 理論計算出來的工步圖

平鍛模設計

根據確定的工步圖，參考1250t平鍛機設備規格，設計相應模具（圖10）。由于4個工步長度壓縮量太大，無法按照常規排布，上下對齊，于是將第1、第2工步的成形鑲塊和夾緊鑲塊合并，將第3、第4工步的成形鑲塊加長，讓第3、第4工步前移，在第3、第4工步的定位擋板位置增加定位塊。通過反復排布，終于實現了型槽的合理布局。

圖10 平鍛機制坯模具裝配圖

根據上述技術方案要求，設計、制作了平鍛模，組織了生產調試，并在模鍛錘上驗證了此批中間毛坯，生產過程基本順利，在實施過程中有效解決了以下問題：

⑴確定合適的加熱工藝。經過調試，確定了最佳的加熱電壓、時間以及加熱長度。創新前，煤氣加熱爐加熱坯料，每爐僅能加熱30件左右，加熱至鍛打溫度需要1.5h以上；創新后，平均1min就可以加熱一件，坯料加熱后的表面質量也大有改觀，氧化皮厚度不到0.5mm，不僅對鍛件成形有利，而且減少了對模具的磨損，同時也減少了原材料的火耗，一舉多得。

⑵生產工人克服困難，掌握操作技巧。大型連桿鍛件單重77kg，在操作過程中，需要用配重塊通過滑輪、鋼絲繩、掛鉤來減輕工人的勞動負荷。經過反復調試，工人掌握了鍛件和配重塊之間的平衡，以及掛鉤前后部分重量的平衡。

⑶通過適當調整各工步沖頭墊片，使中間毛坯能夠充滿型腔，同時分模面毛刺符合工藝要求。

最后，將這批檢驗合格的中間毛坯轉移到模鍛錘上進一步驗證，確認工藝改進效果。經驗證，改進后的中間坯料用于模鍛后，生產的鍛件外形規整、表面質量大有提高，氧化坑深度不超過0.5mm（圖11），飛邊均勻連續（圖12），完全能滿足批量生產的需要。另外，坯料外形規整，能滿足中頻感應電爐加熱要求，使加熱效率較以前大大提高，能耗減少在50%以上。

圖11 效果很好的最終鍛件

圖12 最終鍛件的飛邊

結論

大型桿類零件的平鍛機模鍛制坯工藝，是對傳統制坯工藝的創新，將使我廠的長桿類鍛件的尺寸精度和外觀質量上一個明顯臺階，為我廠進一步開拓市場起到有力的技術支撐。

在第一個品種大型連桿的平鍛機上模鍛制坯技術成功實施后，我廠很快就把此項技術推廣，成功應用于類似的大型連桿上，現在均已形成批量生產能力。

此項技術的成功應用，既提高生產效率，又提升產品質量，還降低生產成本，創造了良好的經濟效益，非常具有推廣價值，同時也為類似零件的開發提供了借鑒。