一种基于组合模具的以非最大横截面为分模面的模锻方法与流程

本发明属于锻造技术领域，尤其涉及一种长轴类变截面锻件的模锻工艺方法。

背景技术：

长轴类变截面锻件通常具有中间形状简单如圆形、椭圆形、方形等，两端形状复杂的特点。在工作中长轴类变截面零件通常需要承受压缩、拉伸、弯曲等交变载荷，因此对锻件的质量提出了较高的要求。常用的长轴类变截面锻件如连杆、曲拐、曲轴等但不限于此。

对于长轴类变截面锻件因形状复杂目前通常采用自由锻+机加工的工艺、以最大横截面为分模面的模锻工艺进行生产。这两种方法或多或少都存在一些缺陷或使用范围的限制：(1)采用自由锻+机加工的方法降低了对设备吨位的要求，但材料利用率很低且在机加工过程中会切断金属流线从而降低了连杆的综合机械性能；(2)采用以最大横截面为分模面的模锻工艺进行生产。分模面是指分开模具取出产品的可分离的接触表面。通过长轴类变截面锻件的截面具有无数个，其中包含了一个最大的横截面。长轴类变截面锻件通常具有较为复杂的形状，在生产中一般选择锻件的最大横截面为分模面，其目的是为了从模具中取出工件。这种以最大横截面为分模面的传统工艺，因锻造横截面面积相对较大致使模锻所需载荷很高因此需要配套有较大吨位的压机，且需要开坯工序增加了生产成本。若以非最大横截面为分模面时就存在模锻结束后，锻件难以从模具中取出的问题，即以非最大横截面为分模面用传统工艺无法实现。

以图1所示的大型船用连杆的加工工艺为例说明。该船用连杆结构可分为三部分：上端是连杆小头为一具有圆柱内表面的圆球式结构1-1，用于与活塞销相连接；下端是连杆大头为一具有圆柱内表面的方形块状结构1-3，用于与曲轴相连接；中间是连杆杆身为一圆柱结构1-2，连接于连杆大头与小头之间。连杆将活塞的往复直线运动转化为曲轴的旋转运动。另外承受的活塞销传来的气体作用力及其本身摆动和活塞组往复惯性力的作用，这些力的大小和方向都是周期性变化的。因此连杆受到压缩、拉伸等交变载荷作用，这就要求连杆必须有足够的疲劳强度和结构刚度。该连杆全长3.2m，最厚处0.7m，重量在5吨以上。该连杆加工工艺如下：

(1)采用自由锻+机加工的方式生产。自由锻工艺无法加工出精确的连杆形状，因此需要增加下料量到9吨，为后续的机加工提供足够的余量，材料利用率仅55％。在自由锻过程中需要反复加热、镦粗拔长，提高了锻件的生产成本。并且由于连杆形状的不规则性，具体结构仍需要后续机加工来实现。而后续机加工会切断自由锻形成的金属流线因而降低了锻件的整体性能。另外连杆承受变载荷作用，其对锻件的疲劳强度有较高的要求，因此采用采用自由锻+机加工的方式生产的被切断了金属流线的连杆锻件甚至无法满足对使用性能的要求。

(2)采用模锻工艺进行生产，传统的方法是以最大横截面为分模面即图2(a)中的A－A横截面如图2(b)，其具体装配关系见图3)。结合图1可以看到A－A横截面相对其它横截面是最大的，因此模锻结束时，锻件本身就存在一个拔模角可以直接从上下模组成的模腔中取出来。图3是以最大横截面A－A横截面为分模面的模锻示意图，共包括3个部分上模3-1，坯料3-2，下模3-3。从图3中可以看到采用以最大横截面为分模面时，上下模形状相同其内凹部分基本与锻件形状相同。在模锻结束时，上下模的结合面与锻件的最大横截面A－A横截面相重合。

以最大横截面为分模面模锻其工艺过程具体包括以下步骤：下料－加热－自由锻制坯－模锻－切边－冲孔－后续表面加工。从图3中可以看出坯料需要先通过自由锻锻制成坯。其中模锻具体过程：将上模与动梁固定，将下模与压机工作平台固定，将加热到预定温度的自由锻坯放在下模的模腔位置，上下模合腔为加工后的工件形状；上模在压机动梁的带动下下压坯料至上下模合模，上模在压机动梁带动下向上移开，将锻件从下模模腔中取出完成脱模，再经后续机加工。

采用以最大横截面为分模面模锻时，具有模具制造简单、锻件容易脱模的优点。但该工艺也存在两大缺点：1、模锻的坯料需要经过自由锻制坯在一定程度上增加了成本。2、更重要的一点，在同样的锻造应力下，锻造所需的总载荷将随横截面面积的增大而增大。对于该连杆当选取以最大横截面为分模面进行模锻生产时其所需载荷将达到10万吨以上，目前尚无吨位在10万吨以上的压机。但同时因为锻造面积较大也使得锻造所需载荷在10万吨以上。该锻造力过大使得以最大横截面的模锻方法难以实现。因此以最大横截面为分模面的模锻工艺适用于小型锻件，而不适用于大型锻件。

技术实现要素：

本发明的目的是克服以往技术的不足，提供一种基于组合模具的以非最大横截面为分模面的模锻方法，本发明方法可生产高质量长轴类变截面锻件，且对设备吨位要求相对较低，特别适用于大型锻件的模锻生产工艺。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提出的基于组合模具的以非最大横截面为分模面的模锻方法，其特征在于，采用上下模和由多个边模组成的可拆卸组合式模具，以长轴类变截面锻件中心长度方向为轴线，选择过该轴线的除最大横截面之外的任意横截面作为模锻的分模面,并以板材作为模锻坯料；将上下模置于板材坯料的分模面上下侧，再将该组合式模具固定在板材周围，进行一火次模锻成形后，移开该组合式模具，取出工件。

根据上述的基于组合模具的以非最大横截面为分模面的模锻方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

A、将下模与压机工作平台顶出杆固定，将可拆卸组合式模具与压机工作平台垫板固定，将上模与动梁固定；

B、将加热到预定温度的板材坯料以装入模腔并使上下模处于工件非最大横截面的上下两侧；

C、上模在动梁带动下向下下压板材完成模锻行程；

D、模锻结束后上模在动梁带动下向上移开，利用压机工作平台顶出杆将下模、锻件及可拆卸组合式模具同时从模腔中顶出，并将组合式模具移开实现；

E、进行后续锻件表面机加工，达到连杆对尺寸的要求，完成模锻工艺。

本发明的特点及有益效果：

选取非最大横截面为分模面有效降低了模锻载荷；采用模锻工艺减少了后续机加工量，提高了材料利用率；采用板材作为模锻坯料，减少了制坯工序；可一火次成形，提高了生产效率此外，且对设备吨位要求相对较低，本工艺后续机加工量小，不破坏金属流线提高了锻件的综合机械性能。特别适用于大型高质量长轴类变截面锻件的模锻生产工艺。

附图说明

图1是大型船用连杆三维图；

图2是大型船用连杆主视图及剖面图，以显示传统工艺采用的最大横截面为分模面；

图3是大型船用连杆采用传统以最大横截面为分模面的模锻工艺示意图。

图4是大型船用连杆侧视图及剖面图，以显示本发明工艺采用的最小横截面为分模面；

图5是采用本发明的基于组合式模具的以非最大横截面为分模面的模锻工艺方法的实施例，用于生产大型船用连杆的模锻示意图。

具体实施方式

以下所述实施例详细说明了本发明

实施例

本实施例为采用本发明所述的基于组合模具的以非最大横截面为分模面的模锻方法生产一种大型船用连杆，连杆具体形状见图1，为大型船用发动机连杆。该船用连杆结构可分为三部分：上端是连杆小头为一具有圆柱内表面的圆球式结构1-1，用于与活塞销相连接；下端是连杆大头为一具有圆柱内表面的方形块状结构1-3，用于与曲轴相连接；中间是连杆杆身为一圆柱结构1-2，连接于连杆大头与小头之间。该连杆全长3.2m，最厚处0.7m，重量在5吨以上。本连杆的非最大横截面有无数个，本实施例选择最小的横截面即图4中B-B截面为模锻分模面。具体装配关系见图5，包括上模(5-2-1)、下模(5-2-2)、板材坯料(5-3-1)以及8个边模组成的可拆卸组合式模具(5-1-1～5-1-8)。其中上模的下表面及下模的上表面是与连杆锻件的侧表面相配合，下表面形状与锻件侧表面基本一致(即工件的最小横截面的分模面)。组合模具中的边模5-1-1～5-1-3是主要受力部件，其开状较简单基本为圆柱或长方体，并为其它的边模5-1-4～5-1-8提供定位及受力支撑。组合模具的边模5-1-4～5-1-8的形状则有圆有方较为复杂，其与连杆的大头及小头相配合，目的是在模锻中将坯料挤压成为连杆大小头对应的形状，而将其制成8个边模组成可拆卸组合式模具则是为了模锻后的取模方便。

本实施例的模锻方法具体步骤如下：

A.将下模(5-2-2)与压机工作平台顶出杆固定，将组合模具中边模块(5-1-1～5-1-3)与压机工作平台垫板固定，将上模(5-2-1)与动梁固定，依次安装其余模块(5-1-4～5-1-8)并锁紧，此时下模以及组合模具部分共同组成了放置坯料的模腔，即图5中坯料5-3-1所在的位置；

B.将加热到预定温度的热轧钢板坯料装入模腔，使上下模处于工件非最大横截面的上下两侧如图5所示；

C.上模在动梁带动下下压坯料使坯料变形并充满模腔完成模锻行程；

D.模锻结束后上模在动梁的带动下向上移开，利用压机工作平台顶出杆将下模、连杆锻件及组合式可活动模块(5-1-4～5-1-8)同时从模腔中向上顶出，之后将可活动模块(5-1-4～5-1-8)先后移开使其与锻件脱离以实现脱模；

E.进行后续连杆表面加工，达到连杆对尺寸的要求，完成模锻工艺。

采用本发明的基于组合模具的以非最大横截面为分模面的模锻工艺方法生产该大型船用连杆时，在所有非最大横截面中选取最小横截面即图3中横截面B-B为分模面。对于该连杆件，当采用最大横截面图2中A-A横截面为分模面时其锻造面积为2.5m2，当以最小横截面即图3中横截面B-B为分模面时其锻造面积仅为0.9m2。在同样的锻造应力下，因锻造横截面面积的减小可降低锻造所需载荷。另外在连杆的四个端部分别设置的飞边槽可在一定程度上改善坯料的流动模式并降低模锻载荷，使模锻所需总载荷降至5万吨左右。当采用以最小横截面为分模面模锻生产时，会产生一个新的问题：因连杆两端的圆弧形结构使得锻件难以脱模。为此本发明采用的模具为组合结构，模块(5-1-1～5-1-8)在生产时固定为一体。在模锻结束后，利用压机工作平台顶出杆将下模、锻件及模块(5-1-4～5-1-8)同时从模腔中顶出此时这些可拆卸模块则没有了对工件其它部分的约束可以自由脱离模具，这样就实现了锻件的脱模。另外采用本发明工艺生产连杆的坯料为板材其来源广泛且成本更低。可一火次成形，既提高了生产效率也降低了生产成本。另外因采用模锻工艺进行生产，后续加工量很小在将材料利用率提高到80％以上的同时不会破坏模锻形成的金属流线提高了锻件的机械性能。

以上内容是结合具体的实施例对本发明的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。