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汽车发动机连杆无飞边模锻技术

随着日益严苛的环保要求,以及市场激烈竞争导致企业降低成本的需求,且随着发动机载荷的增加,对汽车发动机(包括连杆-活塞)零件强度、精度和平衡性能提出了更高要求。


连杆是发动机的重要零件之一,图1为某发动机连杆,其材质为非调质钢C70S6,在锤或压力机上用热模锻工艺制造而成。这类零件的特点是塑性变形后绝大部分外表面不需要机械加工,因此,连杆的质量精度取决于锻件的精度。


这些因素带来了发动机连杆生产工艺的复杂性,需要根据连杆的质量进行选择,并为今后运转的平稳性做专门余量的机械加工。但是,这些措施不能保证连杆工作条件的同一性,最后,由于几何参数少许差别出现各种惯性矩,并带来发动机内部燃烧功的不平衡性。因此,最好的解决办法是提供高精度无飞边锻造连杆锻件。


日本闭塞锻造技术

早在1977年苏联就已生产出无飞边连杆锻件,采用热模锻压力机上下模同时对毛坯施加压力锻造变形,但由于采用杠杆驱动,模具结构复杂,没能投入批量生产。


日本在苏联闭式模锻基础上发展了闭塞模锻,闭塞锻造是利用侧向挤压变形作为生产径向带凸出部分的十字轴和锥齿轮等的锻造方法,该技术从1980年开始被实用化,成为一种新的锻造方法。闭塞锻造驱动复数冲头和模膛进行锻造,有向背压附加锻造、长轴类锻件和多冲头锻造等发展的趋势。


闭塞锻造的定义和实例

闭塞锻造可以这样定义:驱动复数冲头或模腔,让材料主要受侧向挤压产生变形流动,进入侧面的模具空间,从而生产出径向带凸出部的锻件的锻造方法,示意图见图2。


闭塞锻造所使用的模具分成模腔和冲头。首先将模腔合拢形成模具空间,放入毛坯1,利用冲头从上下方向挤压材料两端面进行锻造(图2b),材料被上下冲头挤压产生径向流动并充满整个型腔,从而得到枝状或法兰状的锻件(图2c)。利用侧向挤压变形,控制驱动复数冲头和模腔的时机、方向及分量从而控制材料流动。


闭塞锻件的实例包括三通、十字轴(图3)、锥齿轮(图4)及轮毂法兰(图5)等。这些闭塞锻造加工件有一个共同点,即主要部分都是径向凸出的形状(图6)。


变形特征

⑴加工压力低。

如十字轴(图7),传统的方法如图7(a),在下模2上放上坯料,用上模1压下得到带有飞边的产品(图7(b)),在锻造的最后阶段,上下模挤压飞边导致载荷急剧上升,见图7(c)。图8的闭塞模锻中,上模1和下模2受到合模力作用预先闭合,没有飞边形成的空间,坯料受到侧向挤压变形从轴向流向径向,轴部成形后没有任何其他塑性变形的因素产生,除坯料表面摩擦力的增加造成负荷增加外,没有其他使负荷急速上升的因素,见图8(c)。

(a)-十字零件的侧向挤压 (b)-竖T字形产品的侧向挤压(c)-T字形产品的侧向挤压 (d)-L形产品的侧向挤压(e)-弯曲产品的侧向挤压


侧向挤压加工压力小,这个可以证明。图9中所示p,v,D分别表示冲头压力,材料流动速度,毛坯直径,上下流入侧变量以1和2表示,左右流出侧变量以3和4表示。假定该模型为刚塑性体及平面应变问题时的速度场(图10),利用这些模型,冲头压力可用上限法算出,解析结果如下。图10(a)以及图10(d)的十字形以及L字形产品的无单位化侧向挤压加工压力都是p1/2k=1,图10(b)以及图10(c)的T字形产品的无单位化侧向挤压加工压力是p1/2k=1.25,图10(e)的弯曲产品的无单位化侧向挤压加工压力是p1/2k=tan(θ/2)。k为剪切屈服应力,θ为弯曲角度,无摩擦,v1=v2,D1=D2=D3=D4。

图10所示的无单位化侧向挤压加工压力为p1/2k=1~1.25,和没有摩擦的无单位化镦粗压力p1/2k=1同等程度,与普通的锻造压力p1/2k=2~4相比极低。实际的闭塞锻件形状如图3~5一样很复杂,受到侧向挤压变形方向转变后,进行齿和轴的挤压加工,如果假定这些动作重合发生,可以近似计算变形情况。齿和轴被挤出部分的截面积和材料的截面积没有太大差别,即断面缩减率低,负荷小。应变不是线性的,实际的锻造压力比起估算的压力应该会更小。


⑵剪切变形和接合面。

十字形零件经闭塞径向挤压成形后,在其剖面子午线上的网格变化情况示于图11。分枝的端部除外,其余的变形前为正方形的格子,变形后基本上都是菱形,可以认为是受到了剪切变形力。

冲头位移到一定程度时,从上下流入的材料会合流形成接合面,结合强度一般较低。但是,实验证明如对接合面实施加热扩散,合流面会完全结合。


⑶径向挤出的轴长度不等。

以相同直径的带有4根侧轴的闭塞锻造的例子(图12)说明,实际径向挤出的轴长度是不同的,尽管轴的断面形状和其他加工条件相同。轴的截面形状,其他加工条件相同的话,本来挤压出来的侧轴长度也应该相同,但实际上不一样,这是一种塑性流动的不稳定现象,与在双向杯状挤压(即容器与容器挤压)的正反挤压加工中,得到的两边的杯口高度不一样的现象一致。对于多个挤压口,如果从塑性力学角度来看挤压加工条件相同,所有挤压口的挤压力相等,原则上挤压出的材料的量是相同的。事实上,模具的形状、摩擦、材料的强度等,即使有很小的差异,也会有很直接的影响,导致某一轴优先被挤出的塑性流动不稳定现象,从而导致轴长产生少量的误差。为了防止这种现象的发生,要设法使用定位挡块限制材料的过量流动或者采用顺序加工的方法。

连杆在闭塞模具内无飞边模锻

无飞边锻造的连杆具有高精度参数的非加工表面,解决了连杆限定的质量课题及其惯性矩的同一性,因此不必为机械加工稳定性预留大的余量。


液压机上模锻连杆

近年来,闭塞锻造技术被延伸到无飞边锻造连杆上,并成功投入批量生产。图13是用于液压机上锻造连杆的模具,该模具由上模、大小端冲头构成。上模用于成形锻件上表面,冲头用于调节大小端材料体积波动,整个上模为双动方式;下模用于成形锻件外周轮廓,同时还具有对上模导向的作用;顶出模及下模顶料杆用于成形锻件下表面;顶出下模内锻件时,顶料杆固定不动,只有顶出模上升,很容易把锻件顶出。



确定模具滑动部分间隙:
模具外侧滑动部分间隙定为0.15~0.20mm,大端冲头侧滑动部分间隙定为0.135~0.165mm,小端为0.08~0.10mm。模具材料:高速钢系列。这种材料耐磨性好,而且抗拉、抗压强度及韧性很高。毛坯形状:图14中⑤所示扁平形较好。

在热模锻压力机上无飞边模锻连杆

在第1工步镦挤毛坯,辊锻的毛坯因温度变化,难以控制其长度尺寸,故在压力机上镦挤毛坯;在第2工步预锻,实现闭式镦粗预成形,成形连杆平面轮廓。在第3工步终锻成形连杆锻件。在25MN热模锻压力机上的模具装配示意图见图15。

在第1工步镦挤毛坯,辊锻的毛坯因温度变化,难以控制其长度尺寸,故在压力机上镦挤毛坯;在第2工步预锻,实现闭式镦粗预成形,成形连杆平面轮廓。在第3工步终锻成形连杆锻件。在25MN热模锻压力机上的模具装配示意图见图15。

运用成形程序包括热挤压棒材一端成形半成品的大头和热镦成形半成品的小头,获得非对称的哑铃形毛坯(图17①),在第一工步进行了自由镦粗,在第3工步中获得模锻件(图17③)。


锻件性能检验

试验结果:σb为850~1000MPa,σp0.2≥530 MPa,ψ为20%~40%,δ≥10%,硬度为266~302HB,(P+F)<10%,晶粒度5~8级,脱碳≤0.15mm。锻件中有清晰的无组织缺陷晶粒取向,为索氏体型珠光体,平均晶粒尺寸10~15μm。完全满足技术要求。


乌克兰科学院物理研究所对无飞边连杆锻件进行静力弯曲强度力学试验并与常规方法生产连杆进行比较。选用截面积相同但形状不同的两种连杆试样,其杆部截面如图18所示,每型选用3根。

计算证实,由于横截面几何形状不同,按照新工艺获得的连杆比相同条件生产的其他连杆有更高的弯曲强度,无飞边连杆的弯曲强度比有飞边连杆平均高出20%~30%,在此条件下,横截面几何形状贡献20%,其余由控制冷却速度等提供。弯曲试验中连杆锻件加载略图示于图19。


按照无飞边模锻工艺生产,成功地保证了锻件几何尺寸的稳定性,质量偏差不超过30g(锻件重量1750g,偏差1.7%)。同时运用新工艺制造锻件可有效减少劳动量和生产连杆的金属耗损,对整个发动机来说,由于连杆质量惯性矩稳定,发动机的质量提高,噪声大幅下降。

批量生产连杆锻件,顺利地通过工厂生产全部试验,并用于柴油发动机MMZ-3D上。弯曲强度的提升,在不增加连杆组外廓尺寸和重量的前提下,可增加发动机功率。


结束语

据日本闭塞模具内无飞边模锻连杆文献所述,轿车连杆用闭塞锻成本节省效果明显,以重0.84kg的连杆采用温闭塞锻为例,材料节省28.8日元/件,加热节省10日元/件,采用1000t自动压力机,1200pcs/h,则节省3.1日元/pcs,故总节约成本41.9日元/pcs,约合人民币7元/pcs。


采用温闭塞锻生产锻件可有效降低材料费用、节约能源、降低打击噪声、提高锻件精度及减少后续加工工序。到目前为止,日本模锻件约有26%采用闭塞锻造,大多数企业呼吁将闭塞锻造纳入企业经营策略,作为评价企业技术水平的一项内容。德国在常州开办的冷锻厂,大多数冷锻件采用闭塞模具生产,对技术高度保密,不接受外人参观,而我国在闭塞锻技术上刚刚起步。



 

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