連桿精鍛成形技術(shù)研究
精鍛”是“精密鍛造”“精密鍛造成形”“精密級鍛造”或“精密級鍛造成形”的簡稱，“精鍛”是實(shí)現(xiàn)鍛件精度高，不需或只需少量切削加工( 即鍛件小少無加工余量、精度接近或達(dá)到零件精度) 且小少無質(zhì)量缺陷或隱患要求，以及從輸入到輸出鍛造過程( 包括所有工藝技術(shù)要素) 精準(zhǔn)控制的近、凈、精鍛造成形技術(shù)。
連桿是無人機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件之一，連桿如果失效或損壞則會直接導(dǎo)致無人機(jī)系統(tǒng)功能失效或嚴(yán)重等級事故。因此，連桿零件應(yīng)具有高優(yōu)質(zhì)性、高時效性、高可靠性和高安全性，同時也只有通過鍛造“成形與改性”過程，才能確保連桿零件使用的形狀、尺寸、質(zhì)量和性能的技術(shù)要求。
由GB/T 12362-2016《鋼質(zhì)模鍛件公差及機(jī)械加工余量》國家標(biāo)準(zhǔn)可知：根據(jù)鍛件重量、材質(zhì)系數(shù)、形狀、尺寸、復(fù)雜系數(shù)、錯移量、殘余飛邊和形位公差等技術(shù)要求，連桿模鍛件精密級的尺寸公差為-0.5 ～ 0.9mm，但連桿模鍛件尺寸公差絕大部分為±0.3mm，尺寸精度明顯高于GB/T 12362-2016中的精密級( 實(shí)際為超精密級模鍛件)。連桿模鍛成形的主要設(shè)備有：模鍛錘、熱模鍛壓力機(jī)或電動螺旋壓力機(jī)等。顯而易見，針對如何實(shí)現(xiàn)連桿精鍛成形的共性與關(guān)鍵技術(shù)問題，連桿在熱模鍛壓力機(jī)和螺旋壓力機(jī)上實(shí)現(xiàn)精鍛成形的效果較好些，連桿在模鍛錘上精鍛成形的效果則最差。因此，在模鍛錘上實(shí)現(xiàn)連桿精鍛成形則更具有高難度和挑戰(zhàn)性。
1、連桿傳統(tǒng)鍛造方法
連桿模鍛件( 圖1) 傳統(tǒng)鍛造方法主要有以下5 種。
⑴熱滾擠制坯→熱模鍛( 終鍛) →熱校正( 或同時熱切邊和熱校正)，具體步驟如下。
步驟1：將加熱到始鍛溫度的連桿坯料在自由鍛錘、輥鍛機(jī)或其他類型模鍛設(shè)備上進(jìn)行滾擠制坯成形，以獲得所需連桿滾擠制坯熱毛坯件。
步驟2：在模鍛錘、熱模鍛壓力機(jī)或電動螺旋壓力機(jī)等設(shè)備上依靠連桿熱鍛模將連桿滾擠制坯熱毛坯件在連桿鍛模( 終鍛) 模膛中進(jìn)行熱模鍛( 終鍛)成形。
步驟3：在機(jī)械壓力機(jī)或液壓機(jī)等設(shè)備上將帶有飛邊的半成品模鍛件進(jìn)行切邊，再依靠連桿鍛?；?qū)Ｓ脽嵝ＵＴ谶B桿鍛模模膛或?qū)Ｓ脽嵝ＵＤＬ胖羞M(jìn)行獨(dú)立熱校正( 或?qū)в酗w邊的半成品模鍛件在切邊壓力機(jī)上依靠切邊與校正模同時進(jìn)行熱切邊與熱校正)。
⑵熱滾擠制坯→熱模鍛( 預(yù)鍛和終鍛) →熱校正( 或同時熱切邊和熱校正)，具體步驟如下。
步驟1：將加熱到始鍛溫度的連桿坯料在自由鍛錘、輥鍛機(jī)或其他類型模鍛設(shè)備上進(jìn)行滾擠制坯成形，以獲得所需連桿滾擠制坯熱毛坯件。
步驟2：在模鍛錘、熱模鍛壓力機(jī)或電動螺旋壓力機(jī)等設(shè)備上依靠連桿熱鍛模將連桿滾擠制坯熱毛坯件在連桿鍛模( 預(yù)鍛和終鍛) 模膛中分別進(jìn)行熱模鍛( 預(yù)鍛和終鍛) 成形。
步驟3：在機(jī)械壓力機(jī)或液壓機(jī)等設(shè)備上將帶有飛邊的半成品模鍛件進(jìn)行切邊，再依靠連桿鍛?；?qū)嵝ＵＴ谶B桿鍛模模膛或?qū)Ｓ脽嵝ＵＤＬ胖羞M(jìn)行獨(dú)立熱校正( 或?qū)в酗w邊的半成品模鍛件在切邊壓力機(jī)上依靠切邊與校正模同時進(jìn)行熱切邊與熱校正)。
⑶熱模鍛( 拔長、滾擠和終鍛) →熱校正( 或同時熱切邊和熱校正)，具體步驟如下。
步驟1：將加熱到始鍛溫度的連桿坯料在模鍛錘、熱模鍛壓力機(jī)或電動螺旋壓力機(jī)等設(shè)備上依靠連桿熱鍛模在連桿鍛模( 拔長、滾擠和終鍛) 模膛中分別進(jìn)行熱模鍛( 拔長、滾擠和終鍛) 成形。
步驟2：在機(jī)械壓力機(jī)或液壓機(jī)等設(shè)備上將帶有飛邊的半成品模鍛件進(jìn)行切邊，再依靠連桿鍛模或?qū)Ｓ脽嵝ＵＴ谶B桿鍛模模膛或?qū)Ｓ脽嵝ＵＤＬ胖羞M(jìn)行獨(dú)立熱校正( 或?qū)в酗w邊的半成品模鍛件在切邊壓力機(jī)上依靠切邊與校正模同時進(jìn)行熱切邊與熱校正)。
⑷熱模鍛( 拔長、預(yù)鍛和終鍛) →熱校正( 或同時熱切邊和熱校正)，具體步驟如下。
步驟1：將加熱到始鍛溫度的連桿坯料在模鍛錘、熱模鍛壓力機(jī)或電動螺旋壓力機(jī)等設(shè)備上依靠連桿熱鍛模在連桿鍛模( 拔長、預(yù)鍛和終鍛) 模膛中分別進(jìn)行熱模鍛( 拔長、預(yù)鍛和終鍛) 成形。
步驟2：在機(jī)械壓力機(jī)或液壓機(jī)等設(shè)備上將帶有飛邊的半成品模鍛件進(jìn)行切邊，再依靠連桿鍛模或?qū)Ｓ脽嵝ＵＴ谶B桿鍛模模膛或?qū)Ｓ脽嵝ＵＤＬ胖羞M(jìn)行獨(dú)立熱校正( 或?qū)в酗w邊的半成品模鍛件在切邊壓力機(jī)上依靠切邊與校正模同時進(jìn)行熱切邊與熱校正)。
⑸熱模鍛( 拔長、滾擠、預(yù)鍛和終鍛) →熱校正( 或熱切邊和熱校正復(fù)合)，具體步驟如下。
步驟1：將加熱到始鍛溫度的連桿坯料在模鍛錘、熱模鍛壓力機(jī)或電動螺旋壓力機(jī)等設(shè)備上依靠連桿熱鍛模在連桿鍛模( 拔長、滾擠、預(yù)鍛和終鍛) 模膛中分別進(jìn)行熱模鍛( 拔長、滾擠、預(yù)鍛和終鍛) 成形。
步驟2：在機(jī)械壓力機(jī)或液壓機(jī)等設(shè)備上將帶有飛邊的半成品模鍛件進(jìn)行切邊，再依靠連桿鍛?；?qū)Ｓ脽嵝ＵＴ谶B桿鍛模模膛或?qū)Ｓ脽嵝ＵＤＬ胖羞M(jìn)行獨(dú)立熱校正( 或?qū)в酗w邊的半成品模鍛件在切邊壓力機(jī)上依靠切邊與校正模同時進(jìn)行熱切邊與熱校正)。
從連桿鍛造成形中的材料牌號、形狀與復(fù)雜程度、加熱條件與方法、工藝過程與方法、設(shè)備類型與特點(diǎn)、鍛模設(shè)計(jì)與制造、鍛造操作與冷卻方式等關(guān)鍵工藝要素綜合考慮，不論采用上述5 種里哪種傳統(tǒng)鍛造方法皆不能有效解決連桿模鍛件質(zhì)量差、精度低、合格品率低和鍛模使用壽命低等特有技術(shù)難題，尤其是在模鍛錘上實(shí)現(xiàn)連桿精鍛成形則更加具有高難度和挑戰(zhàn)性。
2、連桿精鍛方法
2.1 連桿精鍛工藝
連桿精鍛工藝是指連桿“熱模鍛＋熱精壓”有機(jī)聯(lián)合、復(fù)合、集成或協(xié)同的精鍛成形工藝，主要包括“熱模鍛( 拔長、終鍛與精鍛) →熱精壓( 校正與精壓)”工藝過程( 其核心技術(shù)內(nèi)容詳見中國發(fā)明專利：ZL 2010 1 0608708.7“發(fā)動機(jī)連桿精鍛工藝”)。 過程1：將加熱到始鍛溫度的連桿坯料在模鍛錘以及連桿精鍛模上的拔長、終鍛和精鍛模膛中進(jìn)行熱模鍛( 拔長、終鍛和精鍛) 成形，再繼續(xù)將帶有飛邊的半成品精鍛模鍛件在切邊壓力機(jī)上利用切邊模進(jìn)行熱切邊，可獲得未全部達(dá)到最終所需形狀、尺寸、精度、質(zhì)量與性能技術(shù)要求的連桿半成品精鍛模鍛件。
過程2：將切邊以后具有終鍛溫度的半成品精鍛模鍛件在連桿精鍛模的熱精壓模膛中進(jìn)行熱精壓( 校正與精壓)，可獲得最終所需形狀、尺寸、精度、質(zhì)量與性能技術(shù)要求的連桿精鍛模鍛件。
2.2 連桿精鍛模
連桿精鍛模(圖2) 主要包括：第Ⅰ終鍛模膛1、第Ⅱ精鍛模膛2、第Ⅲ熱精壓( 校正與精壓) 模膛3、拔長模膛4、對角導(dǎo)向鎖扣5、第Ⅰ終鍛模膛飛邊槽6 和第Ⅱ精鍛模膛飛邊槽7。
連桿精鍛模各個組成部分的連接位置關(guān)系如下：
連桿精鍛模整體結(jié)構(gòu)的七個部分既分別為具有獨(dú)立性的結(jié)構(gòu)，又是一個具有關(guān)聯(lián)性的有機(jī)系統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)。
第Ⅰ終鍛模膛1( 該模膛的形狀與尺寸如圖2 中B-B 所示)，第Ⅱ精鍛模膛2( 該模膛的形狀與尺寸如圖2 中C-C 所示)，第Ⅲ熱精壓( 校正與精壓) 模膛3( 該模膛的形狀與尺寸如圖2 中D-D 所示)，此3個模膛縱向排列；拔長模膛4( 該模膛的形狀與尺寸如圖2 中A-A 所示) 縱向置于鍛模右側(cè)的凸凹相配的導(dǎo)向鎖扣5之上；鍛模導(dǎo)向鎖扣5 為對角導(dǎo)向鎖扣，縱向排列；第Ⅰ終鍛模膛飛邊槽6( 該飛邊槽的橫截剖面形狀與尺寸如圖2 中5 所示) 分布在第Ⅰ終鍛模膛1 的四周；第Ⅱ精鍛模膛飛邊槽7 分布在第Ⅱ精鍛模膛2 的四周；第Ⅲ熱精壓( 校正與精壓) 模膛3 無飛邊槽。第Ⅰ終鍛模膛1、第Ⅱ精鍛模膛2、第Ⅲ熱精壓( 校正與精壓) 模膛3、第Ⅰ終鍛模膛飛邊槽6 和第Ⅱ精鍛模膛飛邊槽7 是發(fā)動機(jī)連桿精鍛模組成的關(guān)鍵部分。
連桿精鍛模的第Ⅰ終鍛模膛、第Ⅱ精鍛模膛和第Ⅲ熱精壓( 校正與精壓) 模膛形狀與尺寸和鍛件毛坯圖之間的主要相同點(diǎn)與不同點(diǎn)如下。
⑴根據(jù)連桿鍛件的形狀與尺寸特點(diǎn)，第Ⅰ終鍛模膛的形狀與鍛件毛坯圖的形狀相同，第Ⅰ終鍛模膛兩端直徑部分的模膛深度與該部分對應(yīng)的鍛件毛坯圖高度具有相同性( 但第Ⅰ終鍛模膛中間工字形深度部分按過壓補(bǔ)償法設(shè)計(jì))；水平方向的長度尺寸如中心距長度尺寸、工字形的寬度尺寸按反變形法、順序成形法設(shè)計(jì)為不同；以防止鍛造不足和減少鍛造打擊次數(shù)，同時增加了第Ⅰ終鍛成形的可靠性。
⑵第Ⅱ精鍛模膛的形狀與第Ⅰ終鍛模膛的形狀相同，第Ⅱ精鍛模膛的尺寸與第Ⅰ終鍛模膛的尺寸除了鍛件大頭直徑部分的沖孔連皮深度不一致外，其余尺寸全部相同；第Ⅱ精鍛模膛與第Ⅰ終鍛模膛的沖孔連皮深度按反變形法、順序成形法設(shè)計(jì)為不同，可減少第Ⅱ精鍛的打擊力和打擊次數(shù)，同時增加了第Ⅱ精鍛的校正與精鍛的可靠性。
⑶第Ⅲ熱精壓( 校正與精壓)模膛的形狀與第Ⅱ精鍛模膛的形狀相同，第Ⅲ熱精壓( 校正與精壓)模膛尺寸與第Ⅱ精鍛模膛尺寸的不同之處是：模膛兩端部直徑部分的模膛深度、工字形筋部的深度按反變形法、順序成形法設(shè)計(jì)為不同，以減少熱精壓( 校正與精壓) 的打擊力和打擊次數(shù)以及增加熱精壓( 校正與精壓) 成形的可靠性。
連桿精鍛模各個組成部分的工作步驟關(guān)系如下。
步驟1：將選材和加熱合理的坯料在拔長模膛4 中拔長，完成鍛件坯料的拔長過程。
步驟2：將拔長后的坯料置于第Ⅰ終鍛模膛1 中，第Ⅰ終鍛模膛1( 或第Ⅰ終鍛過程) 已經(jīng)將鍛件終鍛成形( 鍛件四周含有第Ⅰ終鍛后流入第Ⅰ終鍛模膛飛邊槽6 內(nèi)的鍛件飛邊)，完成第Ⅰ終鍛過程。
步驟3：在第Ⅰ終鍛過程以后，將在第Ⅰ終鍛模膛( 或第Ⅰ終鍛過程) 終鍛成形以后的鍛件上下翻轉(zhuǎn)后置于第Ⅱ精鍛模膛2 中對鍛件進(jìn)行校正與精鍛( 鍛件四周含有第Ⅰ終鍛和第Ⅱ精鍛后流入第Ⅱ精鍛模膛飛邊槽7 內(nèi)的鍛件飛邊)，完成第Ⅱ精鍛過程。
步驟4：將在第Ⅱ精鍛并且切除飛邊以后的鍛件置于第Ⅲ熱精壓( 校正與精壓) 模膛3 中進(jìn)行熱精壓( 校正與精壓)，完成第Ⅲ熱精壓( 校正與精壓) 過程。
2.3 連桿精鍛達(dá)到的效果
該連桿“熱模鍛( 拔長、終鍛與精鍛) →熱切邊→熱精壓( 校正與精壓)”精鍛工藝具有“優(yōu)質(zhì)、高效、低耗”的顯著特點(diǎn)，連桿精鍛模具有“高緊湊、輕量化、短流程、多功能、長壽命、高效率與低成本”的顯著特點(diǎn)；采用連桿精鍛工藝以及依靠連桿精鍛模可在模鍛錘上實(shí)現(xiàn)連桿精密鍛造成形，有效解決了連桿鍛造“質(zhì)量差、精度低、合格品率低和鍛模使用壽命低”的特有技術(shù)難題。
3、結(jié)束語
⑴連桿精鍛技術(shù)是實(shí)現(xiàn)連桿鍛件精度高，不需或只需少量切削加工( 即連桿鍛件小少無加工余量、精度接近或達(dá)到零件精度) 且小少無質(zhì)量缺陷或隱患要求，以及從輸入到輸出鍛造過程( 包括所有工藝技術(shù)要素) 精準(zhǔn)控制的近、凈、精鍛造成形技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是“熱模鍛＋熱精壓”有機(jī)復(fù)合、聯(lián)合、集成或協(xié)同的連桿精鍛成形技術(shù)。
⑵連桿精鍛工藝具有“優(yōu)質(zhì)、高效、低耗”的顯著特點(diǎn)，連桿精鍛模具有“高緊湊、輕量化、短流程、多功能、長壽命、高效率與低成本”顯著特點(diǎn)，大幅度拓展了傳統(tǒng)鍛造工藝、鍛模與模鍛錘的使用功能和使用范圍，在模鍛錘上實(shí)現(xiàn)連桿精鍛成形，連桿精鍛技術(shù)可替代連桿傳統(tǒng)鍛造成形技術(shù)。
⑶連桿精鍛技術(shù)有效解決了連桿鍛造質(zhì)量差、精度低、合格品率低和鍛模使用壽命低等特有技術(shù)難題，滿足了連桿精鍛件形狀、尺寸、精度、質(zhì)量和性能一致性好的技術(shù)要求，連桿鍛造精度達(dá)到GB/T 12362-2016 精密級，精鍛合格品率達(dá)到98％以上，精鍛模使用壽命達(dá)到8000 件以上。
