某連桿桿身鍛造工藝改進

文/黃貴林，張文博·中車資陽機車有限公司資陽鍛造分公司

某連桿桿身是我公司為國內某柴油機公司開發的中速機連桿之一，平均年產量超過1000只。過去模鍛生產時，制坯操作難度大、生產效率低，原材料消耗大，產品質量差，廢品、返修率高?，F通過對某連桿桿身鍛造工藝進行改進，降低了制坯操作難度，節約了原材料消耗和產品的生產成本，滿足了產品質量要求。

改進前生產難點分析

某連桿桿身鍛件(圖1)外形由連桿大端、桿身、小端組合而成，鍛件質量135kg?？傞L度910mm，寬度326mm，厚度164mm，復雜系數S ＝0.35。產品鍛造時最大橫截面積42758mm2，最小橫截面積10381mm2，最大橫截面面積與桿身橫截面面積之比為4.12。

圖1 某連桿桿身鍛件圖

某連桿桿身主要鍛造工步為：自由鍛制坯→打磨制坯缺陷→模鍛卡壓→終鍛成形。鍛件質量135kg，下料質量為174kg，鍛件工藝余料39kg，材料利用率77.5%，工藝余料占比22.5%。由于某連桿桿身鍛造工藝制坯操作難度大、生產效率低、原材料消耗大的先天性工藝缺陷，造成模鍛時一火次鍛不靠、產品厚度尺寸超上差；同時受到制坯形狀限制，在模鍛時連桿桿身大頭、小頭與桿身的過渡部位極易產生鍛造折疊，在模鍛一火次后需要冷卻將鍛件表面的折疊隱患清除才能夠保證產品的質量，降低了模鍛生產效率，中斷了模鍛生產的連續性。

圖2 為某連桿桿身制坯圖，從圖來看，某連桿桿身制坯后形狀大致為大頭、桿身、小頭三個長方體的組合，這與公司歷來連桿制坯工藝高度吻合。坯料大頭為尺寸330mm×145mm×100mm 的長方體，桿身為590mm×110mm×110mm 的長方體，小頭為240mm×210mm×150mm 的長方體，大頭、小頭與中間桿身部位大圓弧連接。按照自由鍛的正常、傳統的生產方法，在實際生產中具有以下難點。

圖2 某連桿桿身制坯圖

方坯鍛造困難、效率低，成本高

如圖3 中，從原始坯料到工步2 的方坯。某連桿桿身下料尺寸為φ250mm×452mm，變形后的工步2 尺寸為413mm×350mm×150mm。為了保證達到制坯圖的最大寬度尺寸，考慮在切肩時的拉縮量，工步2 將寬度尺寸330mm 增加到350mm。依據鍛造成形的最小阻力定律原理，鍛長方體坯料難度大于鍛圓柱體坯料，鍛件的角不容易形成尖角，存在較大的圓角，四個側表面中間形成外凸的形狀(圖4)，同時生產效率低，成本高。實踐證明，改進前的出坯效率為班產量15 ～20 件。

圖3 某連桿桿身制坯工步簡圖

圖4 工步2 方坯

連桿大頭330mm×145mm×100mm 的長方體形狀很難實現

在鍛造完成制坯工步2 的方坯后，采取半圓形壓板進行制坯工步3 的切肩分料操作(圖5)時，金屬的變形流動如圖5 所示。上下半圓對臨近的金屬產生強大的拉縮現象，會大致沿對角線向方坯的中心點方向流動，靠近左邊端面的金屬向左端面方向平行流動。實際生產中，在切肩操作完成后得到如圖6 所示形狀的坯料。

圖5 切肩金屬流動示意圖

圖6 切肩后制坯工步4 形狀圖

連桿大小頭與桿身過渡的圓弧很難實現

由某連桿桿身制坯圖得知，連桿制坯后大小頭與桿身連接圓弧為R150mm 與R350mm 平滑連接。但是，在實際生產過程中：

①要做到R150mm與R350mm基本不大可能實現，在自由鍛生產使用的半圓壓鐵如果做到R150mm 與R350mm，那么尺寸與質量會很大，造成工人無法操作。

②大頭寬度與桿身寬度落差達到220mm，單邊落差110mm，這樣大的落差決定了只能采用較小的半圓進行切肩分料，最后實際得到的鍛件如圖7 所示，制坯后大小頭與桿身連接圓弧過渡處實際為一系列的臺階狀缺陷。

表面質量很難達到模鍛要求，打磨量大，效率低，成本高

制坯后的表面質量要達到模鍛的基本要求，只能進行人工打磨，將圖7 中的過渡臺階打磨成圓弧狀，才能使產品在模鍛過程中不至于因為臺階過渡形成鍛造折疊，打磨量大，效率低，成本高。

圖7 實際形狀圖

材料消耗大，成本高

某連桿桿身鍛件質量135kg，下料質量為174kg，鍛件工藝余料39kg，材料利用率77.5%，工藝余料占比22.5%，材料消耗大，成本高。

模鍛效率低，需要鍛二火，成本高

由于某連桿桿身鍛造制坯操作難度大、生產效率低、原材料消耗大的先天性工藝缺陷，造成模鍛時一火次鍛不靠、產品厚度尺寸超上差，同時受到制坯形狀限制，在模鍛時連桿桿身大頭、小頭與桿身的過渡部位極易產生鍛造折疊，在模鍛一火次后需要冷卻將鍛件表面的折疊隱患完全清除才能夠保證產品的質量，降低了模鍛生產效率，中斷了模鍛生產的連續性，產品生產成本高。

改進工藝方案的確定

改進目標

①減少下料質量，提高原材料利用率。

②降低制坯操作難度，提高生產效率，降低制坯生產成本。

③改善制坯質量，減少制坯缺陷，基本做到制坯后直接模鍛不打磨，提高制坯質量，降低質量損失。

④模鍛一火次成形，提高模鍛生產效率，降低模鍛生產成本，保證生產連續性。

改進措施

①優化制坯尺寸。依據某連桿桿身鍛件圖，計算大頭、桿身、小頭截面積，根據截面積推算出制坯對應的大頭、桿身和小頭的截面積。

②優化制坯形狀。某連桿桿身制坯形狀大致為三個長方體，這也是公司連桿制坯的傳統工藝方案。改進后的某連桿桿身制坯形狀為三個圓柱體組成，初步制坯圖見圖8。

圖8 改進后制坯圖

③取消卡壓工步、實現模鍛一火次生產。由于制坯形狀的改變，模鍛時的卡壓工步已經失去存在的必要，取消卡壓工步。同時因為下料質量的減少，為模鍛一火次實現厚度公差達到工藝要求提供了可能性。

改進措施的可行性分析

某連桿桿身鍛造工藝改進措施，特別是制坯形狀的改變打破了公司連桿制坯形狀的傳統工藝方案，但是通過對改進后制坯圖的工藝尺寸反復計算以及對制坯形狀的可實現性進行認真分析得出。

①實現下料減重、減少料耗。按照改進后制坯圖的尺寸計算，下料質量由174kg 減少到160kg，減少材料消耗14kg。

②制坯操作難度大幅度降低，改進后的制坯方案由原來的三個長方體優化為三個圓柱體，圓柱體在制坯過程相對容易實現對坯料的準確控制，同時對臺階過渡處能夠很好地實現圓滑過渡，提高制坯質量、降低制坯操作難度，提升制坯效率均有了最基礎的保障。

③模鍛實現一火次鍛造，改進后下料質量為160kg，減去制坯、模鍛加熱時的燒損，模鍛時實際工藝余料約20kg，材料利用率由77.5%提高到84.4%，工藝余料占比下降到15.6%，參照其余模鍛件相對應參數，模鍛一火次鍛造有可能實現。

生產驗證與效果分析

生產驗證

按照下料質量160kg 進行備料、制坯(實物如圖9)，經檢查，外觀表面質量達到直接模鍛的要求，不需要批量打磨。模鍛時取消卡壓工步，直接在終鍛型腔進行終鍛工步，產品成形容易，充滿良好，尺寸完全符合工藝要求，經過拋丸、探傷對表面缺陷進行檢查，沒有發現工藝性和制坯操作因素產生的折疊缺陷，某連桿桿身鍛造工藝改進后，工藝保證率達到100%。經過多年的生產，產品質量一直穩定可靠，同時又對制坯工藝進行二次優化，再次減重5kg，下料質量155kg，減重后產品合格，模鍛飛邊均勻(圖10),材料利用率從改進前的77.5%提高到87%，單件下料質量減少共19kg，降低了原材料成本。

圖9 制坯實物圖

圖10 產品飛邊圖

效果分析

某連桿桿身鍛造工藝改進取得成功后，已累計生產萬余件，單件減少原材料消耗19kg，同時制坯、模鍛工序每件減少19kg 的鍛造成本，取消了鍛造過程中去除產品表面折疊隱患的打磨工序，制坯生產效率提高3 ～4 倍，模鍛班產量提高一倍以上，產品除偶發性質量問題外，一直未發生工藝性質量損失，某連桿桿身鍛造工藝改進取得了良好的經濟效果與社會效果。

結論

⑴經生產驗證，某連桿桿身鍛造工藝改進方案切實可行，實現了質量、效率、效益的齊頭并進，達到了工藝改進的目標，并按照改進后的鍛造工藝投入了正式生產。

⑵某連桿桿身出坯工藝由3 個矩形組合改進為圓柱體臺階坯，邁出了公司連桿制坯新思路的第一步，大大降低了出坯操作的難度，提高了產品質量和質量穩定性，提高了生產效率，延長了模具使用壽命。

⑶某連桿桿身工藝改進取得的經驗，已在同類型的連桿生產中得到了廣泛的推廣與應用，目前公司已有10 種連桿生產采用同樣的工藝過程，均取得良好的效果。