专利名称：锻造连杆的制造工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及锻制连杆的制造，本发明尤其涉及内燃机所用锻制连杆的制造。
对于锻制连杆，特别是内燃机所用的锻制连杆来说，其制造工艺包括连杆粗锻件的热锻，热处理以及机加工工艺，在采用钢制锻件时尤为如此。
锻造工艺一般包含以下几道工序棒料的制造，此前应对预先被处理至适当温度的钢坯进行成形滚压；棒料的冲模锻造或合模锻造；锻造飞边的切除或者其修剪及冲剪工序。
热处理可在后期工艺或在粗锻件仍处于高温状态时进行，其方式是根据所用钢材牌号及所需机械性能专门安排的。
在后期工艺中进行的热处理可以是以获得珠光体或铁素体-珠光体组织为目的的正火处理。这种处理特别针对可分离连杆的制造，亦即所制造的连杆具有可以经脆性断裂而分为两部分的大端。后期工艺中的热处理还可以是续有退火工序的硬化工序，硬化的目的是获得主要为马氏体的金属组织，这种组织具有很高的机械性能。
假定锻造工艺结束时的温度足够高，那么在锻件仍处于高温状态时所进行的热处理一般都包含受控冷却工艺，该冷却过程可以为获得珠光体或铁素体-珠光体组织而足够地慢，也可以为主要获得贝氏体组织而足够地快。如果所需金属组织主要是贝氏体，那么受控冷却过程中可以包含为实现大致的恒温相变而采取的温度保持阶段。热处理工艺中还可包含约600℃以下温度的二次加热，其目的是产生退火效应。退火工序也可安排在后期工艺中。
机加工工艺主要含有以下内容侧面精修以及连杆大端及小端中心孔的机加工；使大端分成两部分的分割加工以及大端两部分之间连接螺栓之配合孔的钻削。大端可以经机加工而分成两部分，也可以在其为可分离零件时通过冲击条件下的脆性断裂而分成两部分。
为使机加工工艺能在合适的精度条件下进行，必须在粗锻件的表面通过预加工形成基准面，由此使锻件能合理地在加工机床上定位，该工艺需要有一定的技巧。
除机加工的难度之外，在批量生产中，这种技术所具有的缺陷还使连杆产生过大的尺寸及重量误差，从而无法保证装入内燃机时的可互换性。当同一内燃机中连杆重量的变化过大时，内燃机的平衡性将受到削弱。因此在装入内燃机之前应对连杆分类，使其严格地按重量级别分组。该分组工艺需要精确的称重，从而导致制造过程的复杂化。
为提高连杆粗锻件的几何精度，德国实用新型专利DE4329371号提出了在设有型腔的两个镶块之间固定锻件的方法，该方法取代了在闭合式锻模中对棒料进行锻造的棒料合模锻造方法。所获粗锻件包含杆柄，大端及小端；大端和小端均包含由腹板分隔开的两个中心孔初样。在锻造结束时，一旦两个镶块及锻模所围成空间的体积等于棒料金属的体积，这两个镶块间的相对运动将会停止。于是，粗锻件的几何及重量精度将直接由棒料的重量精度决定。为获得精密的粗锻件，必须采用只能由机加工方法制成的精密棒料，而这种工艺对于棒料的制造来说又过于昂贵。此外，该棒料的锻造过程伴随有较大的金属变形，其形变率具有百分之几十的量级，这将导致批量生产所不期望的镶块急剧磨损现象。
本发明的目标是用一种关于锻制连杆的制造工艺弥补上述缺陷，该工艺将以很高的批量制造出精密的连杆粗锻件，亦即在批量生产中获得足够高的尺寸精度及重量精度，由此免去基准面的预加工以及装入内燃机之前的重量级别分类。
为此，本发明将以某种锻制连杆的制造工艺为内容，这种锻制连杆包括大端，杆柄及小端，其中-用锻造方法制造的连杆粗锻件没有横向飞边，且锻件的大端和小端包含至少一个中心孔初样，-此外，连杆粗锻件得到容量式精整(精压)，其方式是在锻模内将上述连杆粗锻件固定于两个镶块之间并由此获得精整连杆粗锻件。
为专门在重量方面实现高精度的精整，不妨用止动装置限定两个镶块在精整结束时的相对位置，从而使镶块位置关系不受连杆粗锻件金属体积的影响。
为使锻造工装设备能使用重量有所变化的连杆粗锻件，由锻模及两个镶块构成的组件应含有至少一个这样的装置，该装置可在不影响精整连杆粗锻件形状精度的前提下容纳连杆粗锻件的多余金属。这些用来容纳连杆粗锻件多余金属的装置可以由至少一个空腔构成，该空腔可设在锻模的内壁中，也可设在至少一个镶块的型腔中，其具体位置应该是不对精整连杆粗锻件的几何精度产生影响的区域。这些用来容纳连杆粗锻件多余金属的装置还可以由位于锻模壁中并向外张开的至少一个模孔构成。
精整工艺可限于粗锻件的外部形状进行，或者也涉及大端中心孔，同时还可以考虑涉及小端中心孔。在这种情况下，所用的连杆粗锻件事先至少应除去大端的腹板及小端处可能存在的腹板。
为对大端或小端中心孔加以精整，可将芯棒置于连杆粗锻件的中心孔中，随后再实施精整工艺，该芯棒可嵌入在镶块中沿中心孔中轴线所做出的工艺孔中。
最后，对精整连杆粗锻件进行机加工之前的热处理，该热处理可直接在精整所致的高温状态下进行，也可在后期工艺中进行。
以下结合附图对加以详述本发明，其中
图1表示从上侧投视的连杆，图2是连杆的纵向剖视图，图3表示由成形滚压所获得的棒料，图4是连杆粗锻件在切边及冲剪之前的透视图，图5是含连杆粗锻件的容量式精整装置剖视图，图6是容量式精整装置在精整结束时的剖视图，其中所含的精整连杆粗锻件尚未除去腹板，图7是容量式精整装置在精整结束时的剖视图，其中所含精整连杆粗锻件的中心孔已被精整，图8是从上侧投视的精整锻模局部视图，图9是精整锻制连杆制造过程中主要工艺的流程简图。
在介绍如本发明所述的制造工艺之前，先界定高精度精整连杆之粗锻件的含义。
图1和2所示连杆由小端1、杆柄3及大端4构成，小端1具有中心孔2，大端4具有中心孔5及两个凸耳6a，6b。大端4由主体零件7和冠部8构成，其中，主体零件7与杆柄3及小端1组成了单个零件，冠部8沿平面P与零件7相分离，并由螺栓固接在零件7上(图中未加表示)，螺栓被置于沿凸耳6a、6b上的轴线XX′及YY′钻成的孔中。
连杆的精度一方面由重量误差表示，另一方面又由几何参数表示，精密连杆的重量误差应小于0.7％，而几何参数则主要如下-平面度，它表示大端侧面9a，9b与侧面小端10a，10b处于同一平面的程度，-外缘表面11相对于小端侧面10a，10b的垂直度，-大端与小端间的中心距A，-大端及小端的厚度，-大端的宽度C，-大端中心孔的直径B；-大端中心孔相对于大端宽度的对程度，-小端外缘表面11的圆柱度，-杆柄3与小端1之间连接部分12的形状参数，连杆的制造始自对形状已非常接近图1及2所示连杆形状的精整连杆粗锻件的机加工，精整连杆粗锻件与成品连杆的不同之处如下-连杆由两个零件构成，而精整连杆的粗锻件则先由单个零件制成，经过加工之后才被分成两个零件，-精整连杆粗锻件的工作表面不经过机加工，而且大端及小端的中心孔有时不做成通孔，-精整连杆的粗锻件上没有用来将冠部固接在连杆支座上的孔，然而，提出这些区别并不足以了解本说明书的其它内容，下面结合图1及2对机加工方法加以介绍。
以下详细介绍连杆的制造工艺，该工艺包含图9所示的几个主要工序，用锯床或切料机等冷、热切割装置将钢坯30从板坯或圆棒之类的半成品上切割下来。
在进行诸如高频感应之类的二次加热之后进行钢坯30的滚压预成形，其中，高频感应加热最好在受控环境条件下进行以便限制变形量，推荐的环境温度应高于AC3甚至可进一步优选为1050℃至1350℃之间，滚压预成形的目的是获得棒料31(图3)，该棒料31的某一端为预计成为连杆大端的块状部分13，其中段的拉制部分14将成为连杆杆柄，其小于块状部分13另一端块状部分20也将被制成连杆小端。可以用配有预制轧辊的轧机通过纵向滚压实现滚压预成形，也可采取横向滚压的形式。为提高生产效率，本制造过程可以对端部相连的两个棒料同时进行，只要其后将它们用锯床分开即可。
此后，用合模或冲模锻造方法对进行锻制，此时一般采用两个或三个连续的型腔。为获得具有外缘飞边16且由大端17、杆柄18及小端19构成的粗锻件32(图4)。大端17的每个侧面20a，20b都有中心孔初样(initiators)21(从图中仅能看到一侧)。两个中心孔初样21彼此相向并且由腹板22隔开。杆柄18一般设有纵向加劲肋23及腹板(图中无法看到)。小端19也有彼此相向并且由腹板25隔开的两个中心孔初样24。该粗锻件的关键几何特征在于其拔模斜度至少为3°(例如图4所示α角)。
粗锻件32的外缘飞边16可通过修剪而被除去，而对隔离中心孔初样21的腹板22则可考虑用冲剪方式除去。隔离小端19中心孔初样24的腹板22也可以用冲剪方式除去。如此便获得了连杆的粗锻件33。在这些工艺过程中可以考虑加入矫直措施，从而有可能部分或完全地免去多余的拔模斜角。
此后可对连杆的粗锻件33进行以容量为指标的精整，从而获得精整连杆的粗锻件34，该锻件在经过热处理及后续的机加工之后便可成为精密连杆，该精密连杆的外形几何误差小于0.3mm，其重量误差小于0.7％。容量式精整工艺将在以后详述。
精整之后及机加工之前可对精整连杆粗锻件34进行热处理，热处理工艺可考虑采用喷丸硬化。喷丸硬化的作用一方面是除去铁鳞，另一方面是形成表面压应力。
连杆一般由碳钢或低合金钢制成，这意味着所用钢材中合金元素的重量含量低于10％。可以根据使用条件设法使所用钢材料具有某种金属组织，该金属组织是珠光体主份，或铁素体-珠光体，或贝氏体主份，此外，热处理工艺的选择既取决于所需的金属组织，也取决于钢材的固有特性，本领域专业人士是知道如何做出上述选择的。
珠光体主份组织是由含碳量约为0.6％到0.75％的钢材获得的。这种组织的优点在于可制造可分离连杆。其热处理工艺包括受控冷却，其冷却过程从钢材具有奥氏体组织的温度开始，以低于10℃/s的速率进行。
铁素体-珠光体组织在上述的同样条件下获得，不同之处在于所用钢材的含碳量低于0.4％。如果钢材中加入重量占0.04％至0.2％的磷，那么所得金属组织将更适于制造可分离连杆。
贝氏体组织由受控冷却获得，其冷却过程从钢材具有奥氏体组织的温度开始，以高于或等于0.5℃/s的速率进行，由此可以获得至少60％的贝氏体。该冷却过程可包含中间温度区域内的温度保持阶段，以此通过大致的恒温相变获得低贝氏体。受控冷却过程可添加冷却终了时的600℃以下温度二次加热或回复室温后的退火。所用钢材一般是XC70型，45M5型或38MSVS型，这些钢材中也可加入重量占0.04％至0.2％的磷以获得可分离连杆。
若钢坯的二次加热温度在AC3以上，或者是1050℃的推荐值，钢材在锻造过程中将一直呈奥氏体。如果容量式精整结束时的温度足够高，或者说高于钢材的Ar3点，那么粗锻件直接在精整所致高温状态下便可以直接进行受控冷却。如果不是这样，热处理便可以在后续阶段进行，亦即在精整连杆粗锻件冷却至室温后进行。在这种情况下，热处理包含先于受控冷却的奥氏体化过程，而且可以是诸如正火处理之类的过程。
除热处理外，还可以考虑通过喷丸硬化除去铁鳞并形成表面压应力，此后便可以进行精整连杆粗锻件的机加工。
机加工尤其应包含如下项目小端1侧面10a、10b及大端4侧面9a、9b的精修；小端1和大端4之中心孔2、5的机加工以及用来装入冠部固接螺栓的钻削孔及攻丝孔。
与现有技术相比，本工艺的机加工量比较小，这一方面是由于粗锻件的尺寸接近成品的尺寸，另一方面是由于无需对粗锻件外缘进行预加工，而现有技术却必须采取预加工措施，否则将使粗锻件无法在机床上准确定位。
在机加工之后，可使冠部8沿平面P以脆性断裂方式从支座处分离开来。
容量式精整工艺的要点在于通过将连杆粗锻件33固定在两个镶块37及38之间而使其置于锻模35的凹座34内，其中，锻模35位于压锻机的垫块36上，在此之前，最好在连杆粗锻件33上涂敷保护性润滑剂，两个镶块37及38均包含可给出粗锻件最终形状的型腔39，40。锻模35内凹座34的形状严格对应于精整连杆粗锻件外形的设计形状。中空形态的型腔39及40即为连杆侧壁的设计形状。上侧镶块38可滑入凹座34，其上部设有压板41，该压板41在精整工序结束时将会与锻模35的上侧部分42贴合，此时，两个镶块间的距离将精确地对应于精整连杆粗锻件的设计厚度。由于连杆粗锻件33所用金属的量(重量或相应的体积)一般略高于使精整连杆粗锻件成形所需的确切的量，因此，由锻模35及两个镶块37及38构成的组件应包含容纳多余金属的装置，而且该装置不应影响精整连杆粗锻件的形状精度。例如，有这样一些可能的不同实施例，在其中一个实施例中隔离大端和小端中心孔初样的腹板22、25在精整之前被除去，而在另一个实施例中，至少腹板22被除去，而且至少大端中心孔5也被精整，(如果除去小端腹板25，小端中心孔2也可以被精整)。
在第一实施例中，如图6所示，粗锻件34的腹板22及25(图中，由于镶块37和38被夹紧，所以以剖视图表示的粗锻件34即为精整连杆粗锻件)并未被除去，镶块37、38中的型腔39及40含有凸部43，44，45及46，z其作用是为大端和小端的中心孔初样47a，47b，48a及48b赋予形状。凸部43，44，45及46的厚度应确保小于中心孔初样47a，47b，48a及48b的深度(该深度在精整工艺之前已存在)，由此可以使间隙50，51，52及53畅通，从而得以容纳多余金属。这种设置可以使相对于连杆理论设计重量来说多余的金属落在待除去的腹板22、25上，因而精整连杆粗锻件的几何外形将不受影响。这样得到的连杆将会具有很高的几何几重量精度。以上设置高度差—即中心孔初样高度与镶块中型腔之凸部的厚度之间—的方法可以由另一种方法代替，亦即在凸部43，44，45及46上沿其轴向设置可容纳多余金属的凹部(图中未加表示)。
在图7所示第二实施例中，连杆粗锻件在精整之前被除去腹板，而且粗锻件和大端及小端中心孔的几何外形同时被精整(例如，可以仅仅除去大端的腹板并且只对相应的中心孔加以精整)。在进行中心孔的精整时，可以对锻模55及两个镶块57，58附加芯棒59及60，这些芯棒与镶块57及58的工艺孔61，62，63及64-可以考虑将压锻机垫块67中钻成的孔65及66也算在内-之间成滑配合。第一芯棒59的中轴线和直径分别对应于大端中心孔的中轴线和直径。第二芯棒60的中轴线和直径分别对应于小端中心孔的中轴线和直径。在精整过程中，金属不仅会被挤在锻模55内壁及镶块57、58内的型腔上，而且会被挤在芯棒59及60上。这样，在精整连杆粗锻件中，尽管其外部及中心孔得到了精整，但若不采取专门的措施，可能出现的任何多余金属将无法被除去，从而无法使厚度乃至重量获得足够的精度。为此，本发明提出了能够在不影响精整连杆粗锻件几何精度的前提下除去多余金属的装置。举例来讲，该装置可以是小端或大端一侧开在锻模55壁上的模孔68。该模孔68呈外扩的截锥状。在精整过程中，模孔68内会出现少量的飞边69，该飞边在精整之后拔出精整连杆粗锻件时将被切掉。该装置也可以是在锻模55(图7)上对应于连杆大端的部分72中留出的小空隙，举例来讲，这些空隙可以沿凸耳中钻削孔—穿入该钻削孔的螺栓可将冠部固接在连杆支座上—的轴线方向设置。多余金属将会被传递到这些区域，而且最终会在的钻削过程中被除去。
上述精整工艺使连杆粗锻件得到整体的精整。不过精整工艺可以仅限制在大端，或限制在大端及小端上进行。重要的是上文所述对精密连杆设计指标—尤其是重量—的考虑。
精整是在高温下进行的，因此本领域专业人士将可以预见到为确认切削刀具的精确几何参数，必须考虑刀具的热膨胀效应，而且，刀具温度在制造过程中最好尽可能地保持恒定。
该精整工艺相对于常规锻造工艺的优越之处尤其在于金属发生流动时仅产生小于10％的少量变形，而常规锻造工艺的变形量至少也是百分之几十。其另一个优越之处在于其工艺过程中不产生飞边。最后，与粗锻件至少为3°的拔模斜度相比，该精整工艺可获得小于0.5°的拔模斜度。
镶块固定工艺的优点不仅在于使连杆获得精确的外形几何参数，而且使大端和小端的厚度得以调整，并使连杆的精修得到保证。这些优点的价值尤其表现在减少—事实上或者还会取消—某些机加工工艺。
最后，精整工艺可使连杆杆柄3与小端1间的连接区域12获得很高的加工质量。由此将显著地提高连杆的断裂强度。
本发明适宜于对连杆进行整体精整(亦即整个外表面均被精整)，同时也适宜于仅对连杆上作为基准面而需精整的某些精密表面加以精整。具体来讲，连杆的杆柄并不总是完全地受到精整。而锻模和镶块也需要为此专门设计。
连杆可以不做成可分离零件，而且冠部与连杆杆柄的分离可以通过机加工实现。为此，连杆粗锻件大端的中心孔不再是圆形，而是椭圆形(由两条直线段连接的两个半圆)，从而将机加工时的切削厚度考虑进来。而锻模、镶块—以及随机选定的有关芯棒—也应具有合适的相应形状。
最后可进行半高温锻造(在以低于AC3的温度进行二次加热之后)。这种工艺必须进行后期热处理。
本发明适用于任何形式的连杆，也适用于任何形式的类似锻件。
权利要求
1.一种锻制连杆的制造工艺，连杆包括大端(4)，杆柄(3)及小端(1)其特征在于用锻造方法制造的连杆粗锻件(33)没有横向飞边，且锻件的大端和小端包含至少一个中心孔初样，此外，连杆粗锻件(33)经过容量式精整，其方式是在锻模(35，55)内将上述连杆粗锻件固定于两个镶块(37，38，57，58)之间并由此获得精整连杆粗锻件(34)。
2.如权利要求1所述的工艺，其特征在于锻模(35，55)与某第一镶块(37，57)之间的相对位置保持不变；第二镶块(38，58)可做相对于锻模(35，55)的运动；而且第二镶块(38，58)在精整结束时所被限定的位置与连杆粗锻件(33)金属的体积无关。
3.如权利要求2所述的工艺，其特征在于锻模(35，55)和第一镶块(37，57)压在压锻机的垫块(36，67)上；而且第二镶块(38，58)可嵌入锻模(35，55)并包含止动装置(41)，该止动装置在精整结束时压在锻模(35)上，从而准确地固定了两个镶块(37，38，57，58)的相对位置。
4.如权利要求3所述的工艺，其特征在于锻模(35，55)与两个镶块(37，38，57，58)构成的组件包含至少一个可容纳连杆粗锻件(33)多余金属并且不影响精整连杆粗锻件(34)形状精度的装置(50，51，52，53，68，70，71)。
5.如权利要求4所述的工艺，其特征在于用来容纳连杆粗锻件多余金属的装置由至少一个空腔(70，71)构成，该空腔可设在锻模(35，55)壁中，也可设在至少一个镶块(37，38，57，58)的型腔中，其具体位置应该是不对精整连杆粗锻件的几何精度产生影响的区域。
6.如权利要求4所述的工艺，其特征在于用来容纳连杆粗锻件(33)多余金属的装置由位于锻模(55)壁中并向外扩张的至少一个模孔(68)构成。
7.如以上任何一项权利要求所述的工艺，其特征还在于至少大端(4)的中心孔(5)被加以精整，同时可选择地对小端(1)中心孔(2)加以精整，在此之前，在所用连杆粗锻件(33)上至少已将大端(17)的腹板(22)除去，同时任选地小端(19)的腹板(25)也已被除去。
8.如权利要求7所述的工艺，其特征在于为对大端(4)或小端(1)中心孔(5，2)加以精整，将某芯棒(59，60)—该芯棒可嵌入在镶块(57，58)中沿中心孔中轴线做出的工艺孔(61，62，63，64)中—置于连杆粗锻件(33)的中心孔中，随后再进行精整工艺。
9.如权利要求1至8所述的工艺，其特征在于该工艺还包含精整连杆粗锻件的热处理工艺。
10.如权利要求9所述的工艺，其特征在于以重量计算，制造连杆所用钢材的化学成份包括低于10％的合金元素；粗锻件的热锻温度高于1050℃；而且，在进行精整工艺时，粗锻件仍处于锻造所致的高温状态下。
11.如权利要求10所述的工艺，其特征在于精整结束时的温度高于钢材的Ar3温度，而且热处理在精整粗锻件仍然在精整所致的高温状态下进行。
12.如权利要求11所述的工艺，其特征在于热处理工艺包含至少一次冷却速率低于10℃/s的受控致冷，由此可获得珠光体或铁素体-珠光体组织。
13.如权利要求11所述的工艺，其特征在于热处理工艺包含至少一次冷却速率高于0.5℃/s的受控致冷，由此可获得贝氏体含量高于60％的金属组织。
14.如权利要求10所述的工艺，其特征在于热处理工艺是以获得珠光体或铁素体-珠光体组织为目的的正火处理。
15.如10至14中任何一项权利要求所述的工艺，其特征在于所用钢材是能够获得可分离连杆的钢材。
16.如1至15中任何一项权利要求所述的工艺，其特征在于连杆粗锻件通过对棒料进行冲模锻造或合模锻造而获得。
17.如权利要求16所述的工艺，其特征在于棒料通过对钢坯进行预成形滚压而获得。
18.精整连杆粗锻件，其制造工艺如以上任何一项权利要求所述。
全文摘要
锻制连杆的制造工艺，该连杆包括大端(4)，杆柄(3)及小端(1)，其中用锻造方法制造的连杆粗锻件(33)没有横向飞边，且锻件的大端和小端包含至少一个中心孔初样，此外，连杆粗锻件(33)得到容量式精整，其方式是在锻模(35，55)内将上述连杆粗锻件固定于两个镶块(37，38，57，58)之间并由此获得精整连杆粗锻件(34)。
文档编号B21K1/06GK1168825SQ9710992
公开日1997年12月31日 申请日期1997年3月28日 优先权日1996年3月29日
发明者保罗·摩根, 让·C·佩古, 迈克·罗伯莱特 申请人:阿斯科Safe公司, 阿斯科金属有限公司