汽车连杆工艺与锻模设计分析与优化

连杆是长轴类锻件中有代表性的锻件之一。现以汽车连杆为例，介绍它的锤模锻工艺流程制订以及锻模设计的内容和步骤。汽车连杆是汽车发动机的主要零件之一，工作时在高速下运转，工作条件比较繁重。连杆的形状比较复杂，既有和曲轴的拐颈相连接的半圆叉形大头部，又有工字形断面的杆部，还有通过活塞销与活塞相连接的小头部。除了叉部和小头部需要机械加工外，其他工字形断面杆部等都不加工，所以对连杆锻件的尺寸要求比较严。

1.根据零件图制订锻件图

（1）分模位置 从连杆零件的外形很容易确定锻件的分模位置（见图8-4），应选择在高度尺寸38mm的中间处，沿零件高度方向对称分模。

图8-3 常啮合齿轮锤锻模图

（2）公差和加工余量 估算锻件重量约1.4kg，连杆材料为40钢，即材质系数为M₁。形状复杂系数：

为3级复杂系数S₃。

由GB/T 12362—2003《钢质模锻件公差及机械加工余量》或表2-4查得：高度公差为mm，长度公差为mm，宽度公差为mm。

零件需磨削加工，即加工精度为F₂，由表2-5查得高度及水平尺寸的单边余量均为1.7～2.2mm，一般取2mm。

在大量生产的条件下，连杆锻件在机械加工时用大小头端面定位，要求大小头端面在同一平面上的精度较高，100mm内为0.6mm，而模锻后的高度公差较大，达不到上述要求，故锻件在热处理后增加一道压印（平面冷精压）工序。锻件经压印后，机械加工余量可大大减小，取0.75mm，压印后的锻件高度公差取0.2mm。

连杆锻件压印后，大小头高度尺寸为（38+2×0.75）mm=39.5mm，单边压印余量取0.4mm，同时模锻后大小头部的高度尺寸为（39.5+2×0.4）mm=40.3mm。

图8-4 连杆零件图

由于压印需要余量，如锻件高度公差为负值时（-0.6mm），则实际单边压印余量仅0.1mm，为保证适当的压印余量，锻件高度公差调整为mm。

由于压印后，锻件水平方向的尺寸稍有增大，故水平方向的余量可适当减小。

（3）模锻斜度 零件图上的技术条件中，已给出模锻斜度为7°。

（4）圆角半径 锻件高度余量为（0.75+0.4）mm=1.15mm，则需倒角的叉内圆角半径为（1.15+2）mm=3.15mm，取3mm，其余部位的圆角半径取1.5mm。

（5）技术条件

1）图上未标注的模锻斜度7°。

2）图上未标注的圆角半径1.5mm。

3）允许的错差量0.6mm。

4）允许的残留飞边量0.7mm。

5）允许的表面缺陷深度0.5mm。

6）锻件热处理：调质。

7）锻件表面清理：为了便于检查淬火裂纹，一般用酸洗。

在零件图上加上余量，即可绘制锻件图，见图8-5。

图8-5 连杆锻件图

2.计算锻件的主要参数

1）锻件在平面图上的投影面积为8000mm²。

2）锻件周边长度为680mm。

3）锻件体积为184000mm³。

4）锻件重量为1.44kg。

3.决定设备吨位

总变形面积为锻件在平面图上的投影面积与飞边面积之和，数据按选用表2-17的1～2t锤飞边槽尺寸考虑，假定飞边平均宽度为23mm。总变形面积A=（8000+680×23）mm²=23600mm²。因生产中要求高生产率，按确定吨位的经验公式：

m=6.3KA=6.3×1×23600kg≈1500kg

选用1.5t锤。

4.决定飞边槽的形式和尺寸

参考表2-17的表中的形式。参考1～2t锤的数据，其尺寸按表2-17确定：h=1.6mm，h₁=4mm，b=8mm，b₁=25mm，r=2mm；A_K=126mm。

因杆部断面面积太小，拔长难以达到最小断面面积的要求，需增大飞边槽仓部宽度b₁；大头部分叉口较宽分料困难，流入飞边槽的金属较少，将该处b₁减小到12mm。这样修改以后，会使型槽安排紧凑，并且增加承击面积。

锻件飞边平均断面面积：A_飞=0.7A_K=88mm²

飞边体积：V_飞=680×88mm²≈60000mm³

5.确定终锻型槽

连杆热锻件图考虑1.5%的冷缩率。根据生产中的经验总结，考虑到锻模使用后承击面下陷，型槽深度减小及精压时变形不均、横向尺寸增大等因素，修改了几处尺寸：辐板处增厚0.5mm；连杆小头高度40.3mm处，理论上应为40.9mm，实际取为41.6mm；大头上下平面做成斜面，将高度尺寸41.6mm上下各增加0.7mm；小头ϕ40mm应为ϕ40.6mm，而实际仍为ϕ40mm等。绘制的热锻件图见图8-6。

图8-6 连杆热锻件图

6.设计预锻型槽

由于锻件形状复杂，需设置预锻型槽。预锻型槽需在叉部采用劈料台（见图2_-44），型槽参数为

B₁=0.25B=（0.25×31.5×2）mm≈15mm

h=（0.4～0.7）H=（0.5×42）mm≈20mm

R取25mm。

劈料台的形状、尺寸详见图8-7中的B—B、C—C、A—A剖面。

在工字形断面杆部，辐板较薄而宽，为防止终锻时锻件产生折纹，应使预锻型槽面积稍小于或等于终锻型槽相应处的断面面积（不计预锻打不靠的断面面积），如图8-6之B—B剖面所示。辐板和肋转角处外圆角半径由8mm增大到10mm，型槽高度减小为16mm，均由作图确定，使A_预≤A_终。

预锻型槽沿分型面处的圆角半径增大为5mm。此外，预锻型槽与终锻型槽不同的地方均在热锻件图上注明（见图8-6）。

7.作计算毛坯图

根据连杆形状的特点，共选取13个断面，分别计算A_锻、A_计和a_计，列于表8-2，并在坐标纸上绘出连杆的断面图和计算毛坯图，见图8-8。为了设计滚挤型槽方便，断面图和计算毛坯图按锻件热尺寸计算。

由断面图所围面积，即为锻件体积，得V=20×12512mm³=250240mm³。

平均断面面积。

平均断面边长。

按体积相等修正断面图和计算毛坯图（见图8-8中双点划线部分）。修正后最大断面面积为2440mm²，则最大断面边长为a_max=49.4mm。

8.制坯工步选择

计算毛坯为二头一杆，应简化成两个简单计算毛坯来选择制坯工步。

按图2-52，此锻件采用拔长—滚压工步。为易于充满，应选用方坯料，先拔长，后开式滚压，整个工步为：拔长—开式滚压—预锻—终锻。

9.确定坯料尺寸

由断面图可知，a_min=21.5mm，V_杆=80305mm³，L_杆=109mm，故可决定拐点处尺寸：

图8-7 连杆锤锻模图

表8-2计算毛坯的计算数据

图8-8 连杆剖面图和计算毛坯图(www.xing528.com)

故杆部锥度为

由锤上制坯坯料断面计算，按断面图有关尺寸：

A_滚=（1.05～1.2）A_均=（1.1×1009）mm²=1110mm²

因而，A_坯′=A_拔-K（A_拔-A_滚）=[2130-0.189（2130-1110）]mm²=1940mm2

取a_坯′=45mm。

坯料体积为

式中 δ———烧损率。

坯料长度

根据坯料的重量和长度，适于采用调头模锻，一料两件，料长为123×2=246mm。经试锻调整后，下料长度定为274mm。

10.制坯型槽设计

（1）滚压型槽设计 采用开式滚压，按表2-26则有：

1）型槽高度h=kd，可按各断面的高度值绘出滚压纵剖面外形（见图8-9），然后用圆弧或直线光滑连接并进行简化。

2）型槽宽度为

杆部：

头部：

经试生产，调整型槽宽度为B=80mm。

3）型槽的长度等于毛坯图的计算长度。

4）试用调整后，修改个别尺寸：最大高度h由59.3mm改为81mm，以容纳氧化皮；小头部分作出一定斜度，简化后的滚压型槽如图8-9所示。

（2）拔长型槽设计

1）拔长坎高度

2）拔长坎长度

l=k₃d_坯=k₃×1.13a_坯=1.13×45k₂=51k₂

L_坯′=35mm，k₃=1.1

l=56mm

图8-9 开式滚压型槽外形设计

3）圆角圆弧半径

R=0.25l=（0.25×56）mm=14mm

R₁=10R=140mm

4）型槽宽度

B=k₄d_坯+（10～20）mm=（1.35×51+10）mm=78.85mm

取B=75mm。

5）型槽深度

e=1.2d_头=（1.2×43）mm=53mm

6）拔长型槽长度

L_拔=195mm

按上述设计可锻出合格锻件，但为提高生产率，将拔长型槽的h缩小，R、R₁增大，l增大，拔长过程只需打击三次。将计算数值与实际数值比较，如表8-3所示。

表8-3连杆锻模拔长型槽尺寸 （单位：mm）

采用图8-10实线所示的拔长型槽，拔长后的毛坯形状见图8-11。拔长部分某些断面小于计算毛坯最小断面，但拔长部分长度比计算毛坯相应部分长度小，结果在滚压时靠近大小头的部分金属除流向头部外，还向杆部流动，滚压时整个毛坯长度还有一定的增长。由此可知，拔长后需要滚压。为减少拉长打击次数，可减小拉长坎高度、增大圆角和圆弧半径。拔长后毛坯表面是否粗糙不影响锻件质量，毛坯的长度可比相应的计算毛坯长度短一些，以减小滚压端部毛刺。

图8-10 连杆锻模拔长型槽设计

11.锻模结构设计（见图8-7）

模锻此连杆的1.5t模锻锤机组，加热炉在锤的右方，故拔长型槽布置在右边，滚压型槽在左边，预锻及终锻工步从左至右。

锻模采用纵向锁扣。为保证左右两边滚压和拔长型槽处上模锁扣强度，将两型槽中心线分别下移5mm和4.5mm。

锻件宽度为（81.2+2×11.2）mm=103.6mm，模壁厚度为21.5mm。预锻型槽与终锻型槽的中心距=（103.6+21.5）mm=125.1mm，取为125mm。

考虑锻模应有足够的承击面，锁扣之间宽度取305mm，可使承击面达52000mm²。

图8-11 拔长、滚压后的坯料形状

a）拔长的坯料 b）滚挤后的坯料

燕尾中心线至检验边的距离为，取为255mm。

用实测方法找出终锻型槽中心离连杆大头前端115mm，结合模块长度及钳口长度定出键槽中心线的位置为165mm。

按表2-18，可选择钳口尺寸B=90mm，h=40mm，R₀=15mm。因为调头模锻，钳口尺寸应考虑第一件终锻后的飞边不影响第二件模锻，故定为B=80mm，h=30mm。钳口颈尺寸按表2-19选取：a=1.5，b=8，l=20。预锻钳口颈尺寸需考虑两件连接处发生断裂等因素，将其宽度加大到几乎与整个钳口相等，此时金属消耗增加。

模块尺度可选为：475mm×350mm×275mm（宽×长×高）。

12.连杆模锻工艺流程

1）切料：5000kN剪型机冷切。

2）加热：半连续式炉，1220～1240°C。

3）模锻：1.5t模锻锤，拔长、开辊、预锻、终锻，每班约生产1100件。

4）热切边：1600kN切边压机。

5）磨毛刺：砂轮机。

6）热处理：连续热处理炉，调质，硬度为3.9～4.2dB。

7）酸洗：酸洗槽。

8）冷校正：1t夹板锤。

10）检验。