高端機(jī)脹斷連桿模具壽命提升研究與應(yīng)用

肖宜仰，劉宗江，王超，孫秀江，陳榮標(biāo)

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

0 概述

連桿是柴油發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件，需要具有良好的組織和優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。柴油機(jī)連桿毛坯屬于熱模鍛件，鍛造生產(chǎn)線采用機(jī)器人自動化生產(chǎn)，在高溫高壓作用下連續(xù)工作，模具由于承受金屬變形的抗力以及復(fù)雜的熱應(yīng)力應(yīng)變，常常產(chǎn)生嚴(yán)重磨損、疲勞裂紋和變形，模具壽命相對較低，導(dǎo)致?lián)Q模頻繁，增加生產(chǎn)停滯時間，成本較高。因此，需研究提高連桿模具壽命的方式，降低生產(chǎn)成本。

1 模具失效形式及機(jī)理分析

熱鍛模具的主要失效形式有變形、裂紋、開裂、熱磨損四種[1]。

變形是指在高溫下毛坯與模具長期接觸使用后，模具發(fā)生塑性變形，主要表現(xiàn)形式為模具局部塌陷，一般出現(xiàn)在工作載荷大、工作溫度高的擠壓模具和鍛造模具凸起部分等。

裂紋是模具表面出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋。工作時溫差大和遭受急冷急熱溫度變化的熱鍛模具容易出現(xiàn)熱疲勞裂紋。

開裂是指模具本身承載能力不足以抵抗工作載荷而出現(xiàn)的材料斷裂，包括脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂和腐蝕斷裂等多種形式。熱鍛模具的開裂（尤其是早期開裂），與工作載荷過大、材料處理不當(dāng)以及應(yīng)力集中等相關(guān)。

熱磨損是模具工作部分與被加工材料之間劇烈的相對運(yùn)動引起的模具尺寸超差和表面損傷，相對運(yùn)動劇烈和模具的凸起部位容易產(chǎn)生磨損失效。

鍛造連桿的工藝流程為：加熱—輥鍛—預(yù)鍛—終鍛—切邊沖孔校正—控溫冷卻。實際生產(chǎn)過程中模具壽命較低的為終鍛模，對現(xiàn)場報廢W13 連桿終鍛模的失效類型進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖1 所示。在各種主要失效形式中，熱磨損約占88%，開裂約占7%，塑性變形（塌陷）約占3%，裂紋約占2%。因此，本次模具壽命提升的重點是降低終鍛模的模具的熱磨損。

熱磨損的產(chǎn)生機(jī)理是：在鍛造成形過程中，連桿與終鍛模之間因坯料成形流動而與模具之間產(chǎn)生摩擦。因此，為了減少終鍛模的熱磨損，從提高模具硬度以及減少摩擦系數(shù)兩個方面進(jìn)行實驗驗證。

2 措施及驗證

通過以上分析，并結(jié)合實際情況，主要采取三項工藝措施進(jìn)行驗證：模具材料及堆焊工藝、表面強(qiáng)化、模具潤滑。

2.1 模具材料及堆焊工藝對模具壽命的實驗驗證

實際生產(chǎn)中，鍛造連桿模具的制造采用型腔加工銑削，然后焊材堆焊的工藝，因此需研究焊材的材質(zhì)對模具壽命的影響。本次驗證選用了焊材A、焊材B（目前在用）兩種型號的焊材進(jìn)行對比實驗，如表1所示，考慮到焊材與基材（5CrNiMo）之間結(jié)合強(qiáng)度的影響，按照表2 的堆焊工藝進(jìn)行工裝制作。

表1 焊材成分及硬度

表2 堆焊工藝方案

焊材的成分及硬度如表1 所示，焊材B 相對于焊材A 降低了Cr、Ni 元素含量，但增加了V、W、Ti等碳化物形成元素的含量，焊材硬度增加。對堆焊后的模具型腔硬度進(jìn)行檢測，檢測位置為終鍛模下模大頭平面，如圖2 所示，結(jié)果如表2 所示，方案2 及方案3 相對于方案1 模具硬度提高了16%左右。

圖2 堆焊后終鍛模形態(tài)及硬度檢測位置

2.2 表面強(qiáng)化對模具壽命的實驗驗證

模具表面強(qiáng)化的主要目的是提高模具表面的耐磨性、耐蝕性、熱疲勞抗力、抗咬合性及抗高溫軟化性和潤滑性能，從而提高模具使用壽命[3]。表面滲氮是一種兼顧經(jīng)濟(jì)性與靈活性，而且是最常用的鍛模表面強(qiáng)化方法。表面處理方法的選擇對于熱鍛模的壽命以及單件產(chǎn)品的成本都有很大的影響，故選擇合理經(jīng)濟(jì)的熱鍛模表面處理方式是十分重要的[2]。對W13 連桿終鍛模采用氣體滲氮的方式進(jìn)行表面強(qiáng)化，滲氮工藝如圖3 所示，滲氮后模具表面狀態(tài)如圖4 所示。對滲氮前后的模具型腔硬度進(jìn)行檢測，檢測位置為終鍛模下模大頭平面，滲氮前終鍛模型腔硬度為48HRC，滲氮后模具型腔硬度為68HRC，結(jié)果顯示表面滲氮工藝顯著提高了型腔表面的硬度，硬度提高了42%左右。

圖3 氣體滲氮工藝

圖4 滲氮后模具表面狀態(tài)

2.3 模具潤滑對模具壽命的實驗驗證

W13 連桿在4000t 熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)線實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，現(xiàn)有脫模劑使用過程中，存在粘上模、下頂料桿不歸位等現(xiàn)象，造成生產(chǎn)線停機(jī)和模具壽命降低。本方案選用脫模劑A 和脫模劑B 進(jìn)行驗證，其中脫模劑A 是目前現(xiàn)場正常使用的，作為對比試驗。兩種脫模劑的主要技術(shù)指標(biāo)如表3 所示。

表3 脫模劑主要技術(shù)指標(biāo)

3 驗證結(jié)論及建議

在4000t 熱模鍛生產(chǎn)線上進(jìn)行W13 連桿生產(chǎn)驗證，分別統(tǒng)計三項工藝措施下的終鍛模壽命，驗證結(jié)果如表4 所示。

表4 工藝措施驗證結(jié)果表

驗證結(jié)論及建議：

（1）采用更高硬度的模具焊材，可以提高模具壽命，但是成本增加較多，壽命提升有限；焊材A、焊材B 與基材5CrNiMo 的結(jié)合強(qiáng)度基本沒有差別，焊材A 與焊材B 之間的結(jié)合強(qiáng)度也較好。

（2）氣體氮化工藝可以大幅提高模具型腔硬度，模具壽命提高34%左右，成本提高也在可控范圍內(nèi)，缺點是氮化工藝時間較長，后期可針對氮化方式進(jìn)行研究。

（3）通過改善模具潤滑可大幅提高模具壽命，而且成本可略微降低，是生產(chǎn)推廣的較好選擇。