连杆的现代锻造方法
2011年03月刊浏览次数:10
连杆的现代锻造方法
Charles Crout,吴金北,AJAX CECO
过去五十年,汽车零部件的制造工艺在不断的改进和提高。
今天,对低成本,高强度,高性能和紧公差锻件的需求主导着市场和他的供应商。
在锻件的生产过程中,这些对锻件的严格要求就如同对成品的要求一样重要。
全世界的锻造公司不断地在寻找更好的生产方法和技术,能够达到汽车零部件购买商的目标和要求。
锻造连杆被看作内燃机质量的标准来使用了数十年,多年以来,不断的更换生产方法。
其中包括锻钢的锻锤锻造,锻钢的压力机锻造,粉末锻造金属零件和铸造零件。
在汽车工业发展历史早期的数十年,锻锤锻造被认为是最好的锻造方法。
然而,在二十世纪中期,由于对质量和公差的要求越来高,对锻造方法必须进行改变,于是生产商开始使用机械压力机来取代锻锤。
减少制造成本最有效的方法就是提高材料利用率。
对重量和尺寸公差的越来越严格的要求促使粉末锻造连杆法的使用。
除了紧公差之外的一个优势就是能够与连杆一起锻造连杆盖,并且能把连杆盖从连杆上打开,然后还可以与一个很好的配合面重新结合在一起,这样能减少制造成本。
在二十世纪后期,锻造方法发展成“分开式”锻钢连杆,这也是粉末锻造金属连杆的一个优势。
锻钢杆比粉末冶金杆强度高。
随着发动机压缩比继续增加,具有较高强度的锻钢连杆就变得比较
令人满意,与粉末锻造连杆相比,这种锻造方法能够达到重量和尺寸公差的严格要求。
这篇论文将描述一种锻造方法,使用一个现代的,程序控制的感应加热系统,一个可编程的程控锻锤,一个辊楔横轧机和一个高效的模具设计方法来满足现代生产的要求。
应用这种方法的厂家获得的收益是非常有竞争力。
为了保护这些美国公司业主的权益,我们只选择了一个普通的例子来介绍,不能过多地公开他们的身份和他们特有的专利工艺,但能够演示现代锻锤锻造工艺生产高质量锻造连杆的能力。
这篇论文主要描述这种现代的生产工艺和模具设计方法,这种方法是一种非常成功的锻造工艺。
按照这种工艺锻造出的连杆锻件。
统计结果显示重量公差少于4克,厚度公差小于+/-.05 mm
背景
此锻造零件是一个单重540克,连杆中心线到中心线的距离为129.6mm(如下图所示)。
图纸上零件重量名义公差要求为+/- 10 g。
总厚度差异允许为+.4/-.2 mm。
材料为40Cr.
此工艺包括一个控制比较好的感应加热炉,并在加料端配有红外线温度传感器,一个辊楔横轧机为圆形棒料准备,一个14#模锻锤,一个现代的,可编程的PLC 控制的空气驱动锻锤,一套可以一次锻造两个零件的模具,首尾相连,一台切边压力机用于去除多余的飞边和剪曲柄销孔内边。
辊楔横轧机和切边压力机是锻造车间普通的技
术和传统的辅助设备。
模锻锤是一台高度重复操作的锻锤,能够执行一个预先设置的锻打程序,从而控制在每个模膛里的锻打次数,锻造打击能量和锻打速率。
伴随着当前发展的模具设计,锻锤可以生产公差要求非常严格的锻件。
工艺
工艺的设计开始于使用我们的CADIF(电子制表软件)程序对锻件工艺的分析,CADIF程序是利用简化的几何学和在高温下的材料属性来估算需要设备的大小规格,模膛数量和生产效率。
在这里,我们使用AISI4140作为产品材料,并且执行对#14模锻锤(14,000 英尺-磅, 19 kJ)的分析。
CADIF的输入部分显示如下供参考
在评估出输入之后,CADIF推荐一台#14号的模锻锤是比较适合的,锻打程序将是3次矫平,5次预锻,1次成形锻打。
模具寿命估算为20,000件。
分析也能估算出其他工艺参数,像切边吨位,生产效率和加热负载。
在此,最佳尺寸的感应加热炉额定功率为400-500 kW。
生成的输出如下所示
现在可以继续推进模具的设计了,这种设计从成形锻造大浅盘的材料分配设计开始。
成形锻造大浅盘如下图所示,就如同我们从图中看到的一样,锻件大浅盘被设计为一模两膛,首尾相连,与曲柄端一起嵌入来加强大浅盘。
在某种程度上,生成的设计取决于所执行的锻造方法。
在这种情况下,可使用辊楔横轧机来生产一个圆形的横截面。
完成的设计就如同下面的模型
这种操作在锻锤中被矫平,为了更好地分配材料,从而更好地覆盖预锻模膛。
模具设计使用一个多级的矫直机具,如下面模具插图。
矫直机将放置在操作者左侧。
读者应该注意到这些颜色编码,配合边缘(绿色),打击面(黄色)和飞边凸面(蓝色)。
在飞边凸面和打击面之间较宽的区域是出料槽,用于堆积剩余材料,并能确保打击面之间不被紧压或挤出。
如果发生那种情况,模具不能紧密闭合,那样就不能很好地控制锻件厚度的精度。
在成形锻造模膛里(中间位置),请注意在连杆曲柄端的内部飞边凸面有一个出料槽,用于堆积多余的内部飞边。
在任何情况下这些出料槽都不能被填满。
预锻模膛的设计根据稍微比锻件成品窄些和略微厚些。
半径通常都大些,有利于金属流动。
按照这种方法,预锻模膛体积上比成形锻造要求等比例大1-2%,这样使成形锻造模膛外的金属流动最小化,且根据打击力和打击能量的要求,模具磨损也大大地减少。
匹配边界的功能是为制造模具提供一个基准面。
这个基准面有助于定位顶部和底部模具的模膛的位置,并且能够保证模柄平行和定位模膛的正确位置,这样提高模具装配精确度,并且不需要过多调整基准就能获得与模具非常匹配的锻件。
黄色打击面用于控制锻件最终的厚度。
它必须非常适用于锻锤,以便在久而久之,这个打击面也不会变形。
它也必须均匀分布在模具面的四个象限上,以便模具之间保持平行。
使用一个去氧化皮的鼓风机不仅能提高锻件的表面质量,而且也能保持模具打击面时刻处于一个更好的条件下工作。
Ajax-CECO#14模锻锤适合锻造这些锻件,它的打击能量可以最大达到18..9kJ.打击能量在锻锤锻造里是非常重要的,因为它能够在锻锤打击变形时保持金属流动。
最大的打击力取决于实际发生的变形量。
对于一些小的变形,非常大的打击力会破坏模具和设备。
随着变形的增加,产生的打击力缩减。
可编程锻锤的应用可以对设备的磨损最小化,且提高能源利用率。
模锻锤是可编程的,以便于可以预先设置一种特殊的打击程序来生产连杆。
在上面的可编程锻锤输出部分,估测是3次矫直锻打的打击能量需要16.7KJ。
这些打击能量可以锻造相当高的变形以至于合力很低。
矫直机被设计以便模具可以在最后一次打击下关闭。
它也保证了预锻模膛可以在同一种形状下开始工作。
5次预锻打击的打击能量为15.3KJ,目的就是模具能够在最后一次打击过程中关闭紧密,然后再经过一次单独的打击,打击能量为7.4KJ,确保模具紧紧闭合,从而保证一个紧密公差的锻件。
因此模锻锤编程程序是在16.7KJ打击能量下打击3次,在15.3KJ打击能量下打击5次,在7.4KJ打击能量下打击1次。
在前两道工序中,打击速率是可以控制的,允许吹去氧化皮操作。
在不同次序之间(或者模膛之间),这种延时是可以程序化的,允许操作者设定时间在模膛之间操作锻件。
如果顺序中断,例如一个锻件卡在模具里,操作者就有几秒时间来处理这种情况,然后重新开始锻造顺序。
如果他没处理好,就会发出警
报器声音并且程序复位到开始顺序。
模锻锤及控制部分如下图:
模锻程序显示包括了很多有用数据和资料,还有编程信息。
下图显示了用于设置锻打程序的屏幕
可编程锻锤最大的好处就是它能够使生产过程标准化。
标准化就可以进行重复性操作,重复性就能够生产始终如一的锻件,保证锻件质量的稳定性。
像锻锤这种冲锻设备还有一个好处就是能够不断提高打击力从而保证模具闭合量,并且这样做也能保证模具夹持器间的紧密闭合。
其他的锻造方法必须使用更多弹性机器能够保证拉紧和变形能力,这样就会导致锻件尺寸过大,在批量生产时导致锻件厚度公差超差,并且导致锻造的产品有锥度产生的现象。
结果
锻造后,使用一台标准的切边压力机和模具对连杆进行切边。
切边后的锻件如下图所示。
注意切边面的颜色比较轻些,一个最终的,类似修剪过的产品产生了,这就大大减少了最终的成本。
对500件经切边后的每一个锻件的厚度和重量进行测量,来检查厚度和重量公差。
统计资料显示,样品重量和厚度公差与标准公差对比,99.7%的样品都是非常标准的。
结果显示了重量和厚度公差范围如下表所示:
对于这些样品,所有的锻件重量都在3g范围内波动,锻件厚度都在0.06mm公差范围内。
更具统计显示,保守估计,任何一个样品都能够达到重量在3.68g范围内波动,厚度都在0.08mm公差范围内
结论
结合现代的,可编程控制的锻锤和模具设计的连杆锻锤锻造法可以生产重量和厚度精度要求非常精密的高质量的锻件。
这些高精密锻件可以保证在加工后产品的精度更精密,获得更高质量的产品,大大降低了制造成本。
表1
表2
表3 表4
图1
图2
图3 图4 图5 图6。