小型汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿模具設(shè)計(jì)及模擬軟件的應(yīng)用

文/高建華，高金梁·白城中一精鍛股份有限公司

小型汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿模具設(shè)計(jì)及模擬軟件的應(yīng)用

文/高建華，高金梁·白城中一精鍛股份有限公司

隨著小型汽車(chē)市場(chǎng)的興起，消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)節(jié)能、環(huán)保、輕量化的要求越來(lái)越高，發(fā)動(dòng)機(jī)連桿也相應(yīng)地越做越小，越做越精，因此對(duì)模具的設(shè)計(jì)要求也越來(lái)越高。

小型汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿有兩種生產(chǎn)方式，一種是鍛造，一種是粉末冶金。目前，用的比較多的是鍛造成形。鍛造連桿的生產(chǎn)過(guò)程，首先是加熱料段，然后由輥鍛機(jī)初成形，再由鍛錘鍛打，成形后放到壓力機(jī)上切邊，切邊的同時(shí)精整，再用壓力機(jī)壓上下表面，使連桿表面平整，便于加工。

連桿生產(chǎn)的很多步驟是靠模具來(lái)完成的，所以模具設(shè)計(jì)在連桿鍛造生產(chǎn)過(guò)程中起著決定性的作用。鍛造連桿的模具有輥鍛模、鍛模、切邊模（帶精整）、精壓模幾種，重點(diǎn)是輥鍛模和鍛模，下面就這兩種模具的設(shè)計(jì)做一下簡(jiǎn)單說(shuō)明。

輥鍛模

由于金屬變形受縮減率的限制，一次變形不能太大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)我們采用五道輥鍛（也有用四道的），如圖1所示。

輥鍛模的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是確定最終輥坯的形狀，要求輥坯最適合鍛模的成形，既要充滿(mǎn)型腔，又要使各部分金屬不至于太多。如果型腔內(nèi)金屬過(guò)多會(huì)造成鍛模的局部磨損太快，影響模具壽命。理想的輥坯形狀如圖2所示。

圖2從右上到左下，分別為原材料、第一道、第二道、第三道、第四道、第五道成形（即最終輥坯）。原材料直徑要根據(jù)連桿終鍛件最大截面積來(lái)選擇，即原材料的截面面積要大于終鍛件最大截面積，才能保證鍛打時(shí)金屬能夠充滿(mǎn)型腔。輥坯分為8個(gè)截面，各截面之間過(guò)渡要圓滑，截面的形狀選擇原則上變形不能太快，那樣容易造成輥坯有折疊等缺陷，會(huì)帶到鍛件上，造成批量廢品的產(chǎn)生。

各道次之間變形應(yīng)符合縮減率要求，設(shè)計(jì)時(shí)盡量使其均勻分布。目前我們采用的設(shè)計(jì)軟件是德國(guó)的Veracad，它能夠很好地實(shí)現(xiàn)上述步驟，并將實(shí)際生產(chǎn)中的滑移問(wèn)題考慮進(jìn)去，可以做適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用減少了設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度，提高了設(shè)計(jì)精度和準(zhǔn)確性。

鍛模

圖1 五道輥鍛模

圖2 理想的輥坯形狀

連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)中受力比較大的部件，要求強(qiáng)度較高，連桿本身的流線(xiàn)等對(duì)它的強(qiáng)度會(huì)有較大影響，汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《發(fā)動(dòng)機(jī)連桿技術(shù)條件》中要求“連桿縱向剖面上的金屬宏觀(guān)組織的纖維方向應(yīng)沿著連桿中心線(xiàn)并與連桿外形相符，無(wú)紊亂及間斷現(xiàn)象”?？紤]輥坯到連桿成形過(guò)程中變形較大，金屬流動(dòng)太快，會(huì)造成流線(xiàn)紊亂或者間斷，因此將鍛模設(shè)計(jì)為預(yù)鍛、終鍛兩個(gè)型腔，如圖3所示。

預(yù)鍛作為坯料變形的中間步驟，是輥坯的預(yù)變形，較終鍛型腔要瘦、要深，通過(guò)對(duì)三維數(shù)模采用不同的收縮率和加工刀具的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)。理論上預(yù)鍛要較終鍛金屬體積大，這樣才能在終鍛時(shí)充滿(mǎn)型腔，在終鍛型腔的大頭孔位置預(yù)留一個(gè)凹坑，用來(lái)容納多余金屬。

型腔的周?chē)龀鲆蝗ν古_(tái)（即橋部），以阻礙金屬流動(dòng)，使金屬盡量向型腔里邊流動(dòng)。凸臺(tái)外邊是倉(cāng)部，容納多余金屬（即飛邊）。模具上表面的外圍還要有承壓面，鍛打時(shí)模具承壓面接觸，實(shí)現(xiàn)連桿尺寸的精確控制。

另外，模具設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)根據(jù)加工手段的不同適當(dāng)調(diào)整，用電火花加工模具時(shí)，電極會(huì)有不同程度的損耗。比如，連桿筋部實(shí)際值比理論值會(huì)小，就是因?yàn)殡姌O細(xì)小部位容易損耗，在設(shè)計(jì)模具時(shí)應(yīng)該考慮在這些部位適當(dāng)?shù)刈鲆幌卵a(bǔ)償，以滿(mǎn)足尺寸要求。還有模具鍛打時(shí)磨損較快的部位，應(yīng)該在滿(mǎn)足鍛件尺寸公差的情況下適當(dāng)調(diào)整，以延長(zhǎng)模具的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。

模擬軟件的應(yīng)用

隨著CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，模具的設(shè)計(jì)手段也有了很大的進(jìn)步。目前，鍛造廠(chǎng)技術(shù)人員所應(yīng)用的設(shè)計(jì)軟件主要有Pro/E、UG、Catia、Solidworks等等。CAD軟件的應(yīng)用顯著縮短了模具設(shè)計(jì)和制造周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，制造出的模具精度高，一致性、互換性好，有效地降低了生產(chǎn)成本。

由于汽車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展，連桿品種增加很快，而連桿生產(chǎn)廠(chǎng)家的增多，使得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也不斷激烈，新產(chǎn)品的供貨周期越來(lái)越短。而隨著連桿價(jià)格的下調(diào)，降低模具制造成本也成為降本增效的必要途徑。要做到這些，從模具設(shè)計(jì)方面來(lái)說(shuō)，要提高模具設(shè)計(jì)精度，提高模具設(shè)計(jì)成功率，避免不必要的浪費(fèi)。所以模擬軟件成為保證模具精度及成功率的關(guān)鍵。

我們所應(yīng)用的模擬軟件是俄羅斯的Qform軟件，在軟件中可以設(shè)置實(shí)際加工環(huán)境，實(shí)現(xiàn)輥鍛模、鍛模的模擬，模擬過(guò)程可以反映鍛件的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等等，如圖4為輥鍛模模擬，圖5為鍛模模擬。

根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)模具進(jìn)行調(diào)整，使模具更加理想。模擬軟件的應(yīng)用，提高了模具的精度，縮短了模具的制造周期，從而降低了模具的制造成本。

圖3 預(yù)鍛、終鍛兩個(gè)型腔

圖4 輥鍛模模擬

圖5 鍛模模擬

結(jié)束語(yǔ)

模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)水平的高低，已成為衡量一個(gè)企業(yè)產(chǎn)品制造水平高低的重要標(biāo)志。作為發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠(chǎng)家，我們要把縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提高模具精度，增加模具壽命，降低模具成本作為企業(yè)發(fā)展的方向，從而穩(wěn)固企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的地位。

高建華，高級(jí)工程師，技術(shù)部副部長(zhǎng)，主要從事模具設(shè)計(jì)方面的工作。