歪头连杆制坯辊锻模具设计

辊锻是一种回转塑性加工技术，它具有变形力小，生产效率高，锻件质量好，模具寿命高，劳动条件好等优点。辊锻为模锻提供合适的坯料，称为制坯辊锻；用于直接成形某些锻件，称为成形辊锻。我国近二十年来在辊锻技术上有了较大发展，制坯辊锻在汽车、拖拉机制造业中广泛应用，成形辊锻对一些成形难度较大的复杂锻件，已研制成功并应用于生产，例如连杆、叉车货叉、汽车前轴等零件，都已形成专业化生产厂。

歪头连杆是指连杆和连杆盖接合面不与连杆主轴线垂直，一般倾斜45°角(如图1)，若连杆盖具有双筋外形并有内凹(如图2)，则不能将连杆和连杆盖组合在一起模锻。对于歪头连杆已有的锻造方法是胎模锻和模锻锤上模锻。制坯辊锻用于为直头连杆提供毛坯，然后在压力机上模锻成形。对于歪头连杆的制坯辊锻在国内外未见报导。作者研究了如图1所示歪头连杆的制坯辊锻工艺及模具设计方法，研究成果已应用于生产，这是歪头连杆制坯辊锻在国内外的首次应用。

图1歪头连杆

图2双筋连杆盖

二、歪头连杆辊锻道次确定及型槽系选择

制坯辊锻的作用是使坯料金属体积分配规律符合锻件成形的要求，并使其外形符合锻件分模面形状，在模具设计中采用了4道次体积分配辊锻模具，1道次弯曲成形辊锻模，经5道辊锻模具制坯后所得的坯料，可在模锻设备上成形，研制中采用了摩擦压力机作为模锻(预锻和终锻)成形设备。

1.体积分配辊锻道次的确定

体积分配辊锻主要用于坯料的延伸变形。根据锻件图做出计算毛坯截面图和直径图，可知最大截面在连杆杆部和大头过渡处。对计算毛坯图简化后设计出辊锻毛坯图，其形状如图3所示。

图3辊锻毛坯图

Ⅰ小头Ⅱ杆部Ⅲ大头辊锻道次根据各段总延伸系数和平均延伸系数依下式确定：

式中n——辊锻道次

λ——总延伸系数，即原坯料截面积Fo，与辊锻后坯料截面积Fn之比，λ＝Fo/Fn

λc——平均延伸系数，通常取λc＝1.4～1.6

根据锻件最大截面选取原坯料直径为60mm的坯料，由上式分别计算出各段辊锻道次，经计算知杆部B段，需采用4道次辊锻，因此分配金属体积的辊锻型槽应有4个，对于延伸量较小的A段和C段为满足工艺和截面形状的要求实际采用两道次辊锻(另外两道辊锻时该区段金属未变形)，计算结果和实际采用的辊锻道次如表1所示。

表1辊锻道次计算

2.型槽系选择

为保证锻件质量和成形采用椭圆—方型槽系。坯料在椭圆—方型槽系中变形时，金属的四面均受到压缩，使坯料的角部经常变换位置，如图4所示。圆形坯料在椭圆型槽中辊锻时，坯料A、A处与椭圆型槽深处先接触受到压缩变形，而在方型槽辊锻时，椭圆坯料B、B处先受到压缩变形，而得到方形截面坯料。方形截面坯料再进入第三道椭圆型槽时，方形的棱角被压平得到椭圆形坯料；此坯料进入第四道方型槽辊锻时，方形棱角又在新的位置呈现出来。这就可使坯料周边的金属得到均匀的冷却，由于四面反复受压，对变形金属的组织与性能也有良好的影响。此外，采用椭圆—方形槽系坯料辊锻的稳定性较好，有利于坯料变形。

图4椭圆—方型槽系

3.弯曲成形辊锻(第5道辊锻)

弯曲成形辊锻的目的是利用锻辊将辊锻成直长形的坯料弯曲成形，以适应在模锻设备上模锻成形歪头连杆形状的要求(如图5所示)。在辊锻机上直接辊锻弯曲成形，可减少后面模锻成形设备的打击次数、操作时间，使全线生产节拍协调，并具有较高的生产率。

图5弯曲成形后坯料形状

4.辊锻坯料送进方向与工序安排

为便于操作坯料采用逆向送进方式，即坯料送进方向与辊出方向相反，如图6所示。

图6逆向辊锻

工艺进行顺序为首先用钳子夹住坯料一端(相应于连杆大头端)，在第1、2道型槽中辊锻杆部和小头，小头(A段)经两道辊锻后即可得到所需形状尺寸。然后将坯料调头，钳子夹住小头端，再进行第3、4道辊锻，坯料杆部继续延伸变形，同时头部(C段)进行延伸。经4道辊锻后得到了直长形的辊锻毛坯。第5道辊锻为对大头的形状弯曲成形，钳子仍夹持小头端，将坯料大头端送入型槽中弯曲，即可得到所要求的坯料形状。各道次辊锻均采用了坯料中间咬入的形式，保证了辊锻的正常进行。辊锻工艺流程及各道次坯料形状如图7所示。

图7辊锻工艺流程

三、型槽设计

1.1～4道体积分配辊锻型槽设计

设计计算各道毛坯截面尺寸与型槽尺寸，应逐道地进行计算，其任务主要是计算每一道次中的压下量和展宽变形量，从而求出每一道次辊锻后的坯料截面尺寸。

坯料在辊锻型槽中的变形较复杂，为简化变形计算，常采用在平辊上轧制矩形坯料的方法计算在型槽中的变形，称为相应矩形法。在逐道进行型槽计算时，先按相应矩形法计算其相应矩形的变形，并求出各道次辊锻后的相应矩形尺寸，最后再换算为各型槽截面的尺寸。

型槽纵向尺寸设计主要依据辊锻毛坯图。由于有前滑存在，型槽各段的长度较毛坯的相应区段的长度短，采用下式计算。

式中L——计算区段型槽长度

Ls——计算区段辊锻毛坯长度

s——前滑值

前滑值在设计中可根据经验值初定，对于杆部，应考虑到模具调试时，模具修磨比补焊容易进行，因此可把前滑估计得小些，这样待调试模具时，若发现杆部较长，可采用砂轮打磨模具的方法来减短。

前滑值在坯料等截面的区段可按4%～6%的经验数值选取，也可采用有关前滑公式计算。在过渡的楔形区段前滑值与辊锻时的送进方向有关。当坯料薄端在前时，由于模具前壁对金属前滑的约束使前滑较小，一般为2%～4%；当坯料厚端在前时，无前滑约束区，则前滑较大，一般为6%～12%。

2.第5道弯曲成形型槽设计

第5道弯曲成形型槽要使毛坯符合锻件分模面形状，因此设计型槽应以连杆在分模面上的轮廓形状为依据。利用安装在锻辊上的扇形模具使经辊锻制坯的直长形坯料弯曲成形，设计中必需解决以下技术问题：

(1)弯曲成形型槽是借助两锻辊上的扇形模具反向转动使坯料产生变形，因此应注意并解决好刚体(扇形模具)和塑性体(坯料)之间啮合运动规律问题。

(2)在弯曲成形过程及坯料出模中，不可避免的会出现坯料的上下偏摆，为便于操作设计时应使坯料偏转量最小。

(3)坯料在模具中弯曲时，应有可靠定位，否则在坯料弯曲时会产生纵向运动，不能保证得到所需要的弯曲成形形状。

研制中较好的解决了这些问题，所设计的弯曲成形模具成功地辊制出了歪头连杆所需的坯料形状，这是歪头连杆在辊锻机上制坯的关键。

四、应用

图1所示的歪头连杆辊锻模具已在D43-630辊锻机上(图8)研制成功，其模具如图9所示，自左至右分别为第1、2、3、4、5道辊锻模。

根据此项研究成果，1996年建成了一条新型连杆辊锻生产线，其主要工艺流程是：下料→中频感应加热→5道次辊锻→摩擦压力机模锻成形→切边→校正→余热淬火。该线平均生产节拍为20s/件，每小时可生产180件。歪头连杆辊锻制坯模具的研制成功，为歪头连杆模锻生产开辟了一条新途径。