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摘要：制坯輥鍛主要用于為模鍛成形設(shè)備提供合理的坯料形狀和尺寸。對(duì)于連桿類鍛件，目前主要對(duì)直頭對(duì)稱形連桿，采用制坯輥鍛壓機(jī)成形。本文研究的歪頭連桿制坯輥鍛模具，采用4道次體積分配制坯輥鍛模和1道次彎曲成形模，得到歪頭連桿所需的坯料形狀和尺寸。研究中成功地解決了輥鍛道次確定和型槽系選擇、輥鍛工序安排，模具設(shè)計(jì)等問題。根據(jù)此項(xiàng)研究成果已建成了一條新型連桿輥鍛生產(chǎn)線，每小時(shí)可生產(chǎn)連桿180件，該線利用安裝在輥鍛機(jī)鍛輥上的5道輥鍛模具為壓機(jī)提供模鍛歪頭連桿所需的坯料。
關(guān)鍵詞：歪頭連桿；制坯輥鍛；模具

一、前言

輥鍛是一種回轉(zhuǎn)塑性加工技術(shù)，它具有變形力小，生產(chǎn)效率高，鍛件質(zhì)量好，模具壽命高，勞動(dòng)條件好等優(yōu)點(diǎn)。輥鍛為模鍛提供合適的坯料，稱為制坯輥鍛；用于直接成形某些鍛件，稱為成形輥鍛。我國近二十年來在輥鍛技術(shù)上有了較大發(fā)展，制坯輥鍛在汽車、拖拉機(jī)制造業(yè)中廣泛應(yīng)用，成形輥鍛對(duì)一些成形難度較大的復(fù)雜鍛件，已研制成功并應(yīng)用于生產(chǎn)，例如連桿、叉車貨叉、汽車前軸等零件，都已形成專業(yè)化生產(chǎn)廠。

歪頭連桿是指連桿和連桿蓋接合面不與連桿主軸線垂直，一般傾斜45°角(如圖1)，若連桿蓋具有雙筋外形并有內(nèi)凹(如圖2)，則不能將連桿和連桿蓋組合在一起模鍛。對(duì)于歪頭連桿已有的鍛造方法是胎模鍛和模鍛錘上模鍛。制坯輥鍛用于為直頭連桿提供毛坯，然后在壓力機(jī)上模鍛成形。對(duì)于歪頭連桿的制坯輥鍛在國內(nèi)外未見報(bào)導(dǎo)。作者研究了如圖1所示歪頭連桿的制坯輥鍛工藝及模具設(shè)計(jì)方法，研究成果已應(yīng)用于生產(chǎn)，這是歪頭連桿制坯輥鍛在國內(nèi)外的首次應(yīng)用。

圖1歪頭連桿

圖2雙筋連桿蓋

二、歪頭連桿輥鍛道次確定及型槽系選擇

制坯輥鍛的作用是使坯料金屬體積分配規(guī)律符合鍛件成形的要求，并使其外形符合鍛件分模面形狀，在模具設(shè)計(jì)中采用了4道次體積分配輥鍛模具，1道次彎曲成形輥鍛模，經(jīng)5道輥鍛模具制坯后所得的坯料，可在模鍛設(shè)備上成形，研制中采用了摩擦壓力機(jī)作為模鍛(預(yù)鍛和終鍛)成形設(shè)備。

1.體積分配輥鍛道次的確定

體積分配輥鍛主要用于坯料的延伸變形。根據(jù)鍛件圖做出計(jì)算毛坯截面圖和直徑圖，可知最大截面在連桿桿部和大頭過渡處。對(duì)計(jì)算毛坯圖簡(jiǎn)化后設(shè)計(jì)出輥鍛毛坯圖，其形狀如圖3所示。

圖3輥鍛毛坯圖
Ⅰ小頭Ⅱ桿部Ⅲ大頭

輥鍛道次根據(jù)各段總延伸系數(shù)和平均延伸系數(shù)依下式確定：

式中n——輥鍛道次
λ——總延伸系數(shù)，即原坯料截面積Fo，與輥鍛后坯料截面積Fn之比，λ＝Fo/Fn
λc——平均延伸系數(shù)，通常取λc＝1.4～1.6

根據(jù)鍛件最大截面選取原坯料直徑為60mm的坯料，由上式分別計(jì)算出各段輥鍛道次，經(jīng)計(jì)算知桿部B段，需采用4道次輥鍛，因此分配金屬體積的輥鍛型槽應(yīng)有4個(gè)，對(duì)于延伸量較小的A段和C段為滿足工藝和截面形狀的要求實(shí)際采用兩道次輥鍛(另外兩道輥鍛時(shí)該區(qū)段金屬未變形)，計(jì)算結(jié)果和實(shí)際采用的輥鍛道次如表1所示。

表1輥鍛道次計(jì)算
項(xiàng)目區(qū)段 λ λ_c 計(jì)算值n 實(shí)際采用n A 1.54 1.5 1.07 2 B 5.03 1.5 3.98 4 C 2.73 1.5 2.48 2

2.型槽系選擇

為保證鍛件質(zhì)量和成形采用橢圓—方型槽系。坯料在橢圓—方型槽系中變形時(shí)，金屬的四面均受到壓縮，使坯料的角部經(jīng)常變換位置，如圖4所示。圓形坯料在橢圓型槽中輥鍛時(shí)，坯料A、A處與橢圓型槽深處先接觸受到壓縮變形，而在方型槽輥鍛時(shí)，橢圓坯料B、B處先受到壓縮變形，而得到方形截面坯料。方形截面坯料再進(jìn)入第三道橢圓型槽時(shí)，方形的棱角被壓平得到橢圓形坯料；此坯料進(jìn)入第四道方型槽輥鍛時(shí)，方形棱角又在新的位置呈現(xiàn)出來。這就可使坯料周邊的金屬得到均勻的冷卻，由于四面反復(fù)受壓，對(duì)變形金屬的組織與性能也有良好的影響。此外，采用橢圓—方形槽系坯料輥鍛的穩(wěn)定性較好，有利于坯料變形。

圖4橢圓—方型槽系

3.彎曲成形輥鍛(第5道輥鍛)

彎曲成形輥鍛的目的是利用鍛輥將輥鍛成直長形的坯料彎曲成形，以適應(yīng)在模鍛設(shè)備上模鍛成形歪頭連桿形狀的要求(如圖5所示)。在輥鍛機(jī)上直接輥鍛彎曲成形，可減少后面模鍛成形設(shè)備的打擊次數(shù)、操作時(shí)間，使全線生產(chǎn)節(jié)拍協(xié)調(diào)，并具有較高的生產(chǎn)率。

圖5彎曲成形后坯料形狀

4.輥鍛坯料送進(jìn)方向與工序安排

為便于操作坯料采用逆向送進(jìn)方式，即坯料送進(jìn)方向與輥出方向相反，如圖6所示。

圖6逆向輥鍛

工藝進(jìn)行順序?yàn)槭紫扔勉Q子夾住坯料一端(相應(yīng)于連桿大頭端)，在第1、2道型槽中輥鍛桿部和小頭，小頭(A段)經(jīng)兩道輥鍛后即可得到所需形狀尺寸。然后將坯料調(diào)頭，鉗子夾住小頭端，再進(jìn)行第3、4道輥鍛，坯料桿部繼續(xù)延伸變形，同時(shí)頭部(C段)進(jìn)行延伸。經(jīng)4道輥鍛后得到了直長形的輥鍛毛坯。第5道輥鍛為對(duì)大頭的形狀彎曲成形，鉗子仍夾持小頭端，將坯料大頭端送入型槽中彎曲，即可得到所要求的坯料形狀。各道次輥鍛均采用了坯料中間咬入的形式，保證了輥鍛的正常進(jìn)行。輥鍛工藝流程及各道次坯料形狀如圖7所示。

圖7輥鍛工藝流程

三、型槽設(shè)計(jì)

1.1～4道體積分配輥鍛型槽設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)計(jì)算各道毛坯截面尺寸與型槽尺寸，應(yīng)逐道地進(jìn)行計(jì)算，其任務(wù)主要是計(jì)算每一道次中的壓下量和展寬變形量，從而求出每一道次輥鍛后的坯料截面尺寸。

坯料在輥鍛型槽中的變形較復(fù)雜，為簡(jiǎn)化變形計(jì)算，常采用在平輥上軋制矩形坯料的方法計(jì)算在型槽中的變形，稱為相應(yīng)矩形法。在逐道進(jìn)行型槽計(jì)算時(shí)，先按相應(yīng)矩形法計(jì)算其相應(yīng)矩形的變形，并求出各道次輥鍛后的相應(yīng)矩形尺寸，最后再換算為各型槽截面的尺寸。

型槽縱向尺寸設(shè)計(jì)主要依據(jù)輥鍛毛坯圖。由于有前滑存在，型槽各段的長度較毛坯的相應(yīng)區(qū)段的長度短，采用下式計(jì)算

式中L——計(jì)算區(qū)段型槽長度
Ls——計(jì)算區(qū)段輥鍛毛坯長度
s——前滑值

前滑值在設(shè)計(jì)中可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值初定，對(duì)于桿部，應(yīng)考慮到模具調(diào)試時(shí)，模具修磨比補(bǔ)焊容易進(jìn)行，因此可把前滑估計(jì)得小些，這樣待調(diào)試模具時(shí)，若發(fā)現(xiàn)桿部較長，可采用砂輪打磨模具的方法來減短。

前滑值在坯料等截面的區(qū)段可按4%～6%的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值選取，也可采用有關(guān)前滑公式計(jì)算。在過渡的楔形區(qū)段前滑值與輥鍛時(shí)的送進(jìn)方向有關(guān)。當(dāng)坯料薄端在前時(shí)，由于模具前壁對(duì)金屬前滑的約束使前滑較小，一般為2%～4%；當(dāng)坯料厚端在前時(shí)，無前滑約束區(qū)，則前滑較大，一般為6%～12%。

2.第5道彎曲成形型槽設(shè)計(jì)

第5道彎曲成形型槽要使毛坯符合鍛件分模面形狀，因此設(shè)計(jì)型槽應(yīng)以連桿在分模面上的輪廓形狀為依據(jù)。利用安裝在鍛輥上的扇形模具使經(jīng)輥鍛制坯的直長形坯料彎曲成形，設(shè)計(jì)中必需解決以下技術(shù)問題：

(1)彎曲成形型槽是借助兩鍛輥上的扇形模具反向轉(zhuǎn)動(dòng)使坯料產(chǎn)生變形，因此應(yīng)注意并解決好剛體(扇形模具)和塑性體(坯料)之間嚙合運(yùn)動(dòng)規(guī)律問題。
(2)在彎曲成形過程及坯料出模中，不可避免的會(huì)出現(xiàn)坯料的上下偏擺，為便于操作設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使坯料偏轉(zhuǎn)量最小。
(3)坯料在模具中彎曲時(shí)，應(yīng)有可靠定位，否則在坯料彎曲時(shí)會(huì)產(chǎn)生縱向運(yùn)動(dòng)，不能保證得到所需要的彎曲成形形狀。

研制中較好的解決了這些問題，所設(shè)計(jì)的彎曲成形模具成功地輥制出了歪頭連桿所需的坯料形狀，這是歪頭連桿在輥鍛機(jī)上制坯的關(guān)鍵。

四、應(yīng)用

圖1所示的歪頭連桿輥鍛模具已在D43-630輥鍛機(jī)上(圖8)研制成功，其模具如圖9所示，自左至右分別為第1、2、3、4、5道輥鍛模。

圖8D43—630輥鍛機(jī) 圖9輥鍛模

根據(jù)此項(xiàng)研究成果，1996年建成了一條新型連桿輥鍛生產(chǎn)線，其主要工藝流程是：下料→中頻感應(yīng)加熱→5道次輥鍛→摩擦壓力機(jī)模鍛成形→切邊→校正→余熱淬火。該線平均生產(chǎn)節(jié)拍為20s/件，每小時(shí)可生產(chǎn)180件。歪頭連桿輥鍛制坯模具的研制成功，為歪頭連桿模鍛生產(chǎn)開辟了一條新途徑。

參考文獻(xiàn)
［1］張承鑒主編.輥鍛技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.
［2］付沛福編著.輥鍛理論與工藝.長春：吉林人民出版社，1983.
［3］王仲仁主編.鍛壓手冊(cè)(第1卷)鍛造.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993. (end)