連桿斷裂流線分析及對(duì)策

文/金永?！|風(fēng)鍛造有限公司

連桿斷裂流線分析及對(duì)策

文/金永?！|風(fēng)鍛造有限公司

金永福，鍛造工藝主任工程師，主要從事鍛造工藝的開發(fā)及工裝的設(shè)計(jì)。主持開發(fā)的連桿復(fù)合切邊工藝項(xiàng)目獲得了鍛造公司科技項(xiàng)目二等獎(jiǎng)，主持開發(fā)的曲軸鍛造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)及研究應(yīng)用項(xiàng)目獲得東風(fēng)汽車公司科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)。擁有專利7項(xiàng)。

連桿是汽車與船舶等發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要零件，它連接著活塞和曲軸，其作用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并把作用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率。連桿在工作中，除承受燃燒室燃?xì)猱a(chǎn)生的壓力外，還要承受縱向和橫向的慣性力。因此，連桿既受交變的拉壓應(yīng)力、又受彎曲應(yīng)力，在一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下工作。

連桿斷裂分析

新改型的福田康明斯的2.8L連桿，在美國(guó)做臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，從小頭孔處斷了（圖1）。美國(guó)CTC對(duì)失效連桿做了流線分析，認(rèn)為連桿流線不好是造成連桿斷裂失效的原因?！傲骶€不好”是造成連桿斷裂失效的原因，那什么是“流線不好”呢？

流線定義

鍛造流線也稱流紋，在鍛造時(shí)，金屬的脆性雜質(zhì)被打碎，順著金屬變形沿主要伸長(zhǎng)方向呈帶狀分布，這樣熱鍛后的金屬組織就具有一定的方向性。流線分布可根據(jù)鍛造工藝改進(jìn)進(jìn)行優(yōu)化，良好的流線可以使鍛件機(jī)械性能更好。相反，如果流線有重大缺陷，如亂流、穿流、金屬流線亂等現(xiàn)象出現(xiàn)，會(huì)影響鍛件的力學(xué)性能。

圖1 小頭加工孔徑后流線呈斷開狀

圖2 鍛造流線

流線標(biāo)準(zhǔn)

目前各個(gè)主機(jī)廠家，對(duì)連桿的鍛造流線的要求描述的都不十分清晰，一些廠家要求：連桿縱剖面的金屬宏觀組織，其纖維方向應(yīng)沿著連桿中心并與外形相符，不得有紊亂及間斷，不得有突然的改變或回流，不允許有折疊、裂紋、分層、夾渣等缺陷。

從康明斯提供的連桿流線標(biāo)準(zhǔn)圖示（圖3）可知，流線纖維方向和連桿中心方向（受力方向）大致同向，與其外形形狀的法線方向夾角不能小于45°，且沒(méi)有明顯的斷開狀態(tài)。

新2.8L連桿鍛造工藝

新2.8L連桿客戶來(lái)圖是鍛件圖，小頭形狀如圖4，沒(méi)有孔，機(jī)加工時(shí)鉆孔。其鍛造工藝流程是：加熱——輥鍛——預(yù)鍛——終鍛——精鍛——切邊——沖大頭孔——精壓。用窮舉法，對(duì)鍛件流線有影響的因素有原材料、輥鍛、預(yù)鍛和鍛件工藝設(shè)計(jì)。

圖3 康明斯連桿流線標(biāo)準(zhǔn)圖示

圖4 小頭豎向剖面圖

現(xiàn)有連桿流線分析

我們對(duì)未加工的鍛件沿分模面進(jìn)行了解剖流線分析，見圖5。小頭與桿部過(guò)渡區(qū)，因有飛邊被切除，顯示有斷開的流線，角度大于45°，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。但小頭中間部分為直條狀，設(shè)想，鉆孔后流線勢(shì)必為斷開。這樣，如圖1所示，小頭孔壁處的流線就不再連續(xù)。猶如從兩頭拽一把用皮筋捆綁的筷子，一端拽這部分，另一端拽另一部分，很容易拽開。

由此可見，現(xiàn)有工藝生產(chǎn)的連桿流線分布不好，不符合標(biāo)準(zhǔn)中“不得有紊亂及間斷，不得有突然的改變或回流” 的要求。那什么又是造成“流線不好”的原因呢？

圖5 小頭水平剖面圖流線

對(duì)策及實(shí)施驗(yàn)證

前文中提到，對(duì)鍛件流線有影響的因素有原材料、輥鍛、預(yù)鍛和鍛件工藝設(shè)計(jì)。

原材料對(duì)流線的影響

連桿所用的原材料都是熱軋鋼圓棒料，其軋制方向沿中心線方向，即流線方向沿中心線方向（圖6）。原材料流線方向與輥鍛軋制方向一致，且沒(méi)有材料去除。原材料、輥坯、鍛件三者的中心線在成形時(shí)都是相同方向，故排除原材料對(duì)流線的影響。

圖6 原材料流線

輥鍛對(duì)流線的影響

輥鍛的作用是，使棒料拔長(zhǎng)，橫截面面積接近對(duì)應(yīng)橫截面面積，即使連桿鍛造成形后飛邊較小且寬度一致，降低原材料投入。輥鍛的特點(diǎn)是，輥鍛方向與原材料流線方向一致（圖7），且沒(méi)有材料去除，輥鍛過(guò)程對(duì)流線不會(huì)產(chǎn)生斷流缺陷。

圖7 最終輥坯流線

但為了提升延伸率，當(dāng)展寬指數(shù)Be1（絕對(duì)展寬量△b與絕對(duì)壓下量△h的比值，一般取0.3～0.7）過(guò)小的話，容易失穩(wěn)，類似鐓粗的失穩(wěn)，導(dǎo)致輥坯流線沿中心分布不均，如圖8所示。

輥鍛設(shè)計(jì)一般都是用CAD軟件，設(shè)計(jì)者只對(duì)部分參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)加以修訂。CAD軟件中，極限縮減率見圖9。

在連桿大頭與桿部橫截面相差較大時(shí)，縮減率就會(huì)很大。道次越少，每道次CAD就會(huì)取到極限縮減率。也就是說(shuō)，縮減率越大，展寬指數(shù)就越小，輥鍛越不穩(wěn)定。

綜上所述，改善流線均勻一致，增加輥鍛道次，降低每道次的縮減率，達(dá)到輥鍛穩(wěn)定。

圖8 失穩(wěn)輥坯橫截面示意圖

圖9 極限縮減率數(shù)據(jù)圖

預(yù)鍛擺放位置對(duì)流線的影響

連桿桿部及小頭形狀沿中心線左右對(duì)稱，鍛打時(shí)要求輥坯擺放在預(yù)鍛中心（我司是人工操作擺放），但因?yàn)楫吘故强咳说募寄?，無(wú)法完全擺放在正中心線上，造成流線（尤其桿部）偏移，如圖11左邊圖，桿部流線向外鼓起彎曲。

改善措施，預(yù)鍛模具上增加定位，控制左右和前后擺放位置，使輥坯盡可能的擺放在中心線上，且保證同批次的一致性。如圖11右邊圖，桿部流線相對(duì)平滑順直。

鍛件工藝設(shè)計(jì)對(duì)流線的影響

我們知道，連桿最終產(chǎn)品大、小頭是通孔。從前文的分析可知，小頭孔是否鍛出，對(duì)流線影響很大。但鍛造工藝的設(shè)計(jì)依據(jù)是鍛件圖，鍛件圖上有孔，工藝設(shè)計(jì)時(shí)就有鍛孔步驟，否則，反之。

該產(chǎn)品主機(jī)廠導(dǎo)入的圖紙是鍛件圖，小頭沒(méi)有孔，故我司開發(fā)時(shí)遵循客戶的鍛件圖，就沒(méi)有設(shè)計(jì)鍛孔步驟，最終鍛件流線如圖5。

改善小頭孔處流線形態(tài)的有效措施，更改鍛件圖，增加鍛孔。如圖12，小頭鍛孔后，小頭流線由直線型轉(zhuǎn)換成環(huán)繞型，流線環(huán)繞孔壁，與康明斯標(biāo)準(zhǔn)要求（圖5）相一致。

圖10 增加定位的預(yù)鍛模具

圖11 改善前后流線對(duì)比

圖12 小頭處改善前后流線對(duì)比

通過(guò)綜上改善措施的實(shí)施，流線達(dá)到了客戶的要求，產(chǎn)品通過(guò)了臺(tái)架試驗(yàn)。

結(jié)束語(yǔ)

事實(shí)上，要想達(dá)到理想流線形狀很困難，如何盡量逼近理想流線，一直是我們研究和努力的方向。通過(guò)本次2.8L連桿的改進(jìn)，我們更深刻的認(rèn)識(shí)到了流線對(duì)鍛件的重要性，同時(shí)，也體現(xiàn)了我們“為相關(guān)利益方創(chuàng)造價(jià)值”的意義——康明斯提供的是鍛件圖，但它的優(yōu)勢(shì)是產(chǎn)品，我們是鍛造，以我們專業(yè)的角度，給客戶提供最佳解決方案，達(dá)到雙贏。