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     作者：李斌

    隨著機(jī)械制造業(yè)的快速發(fā)展，特別是汽車(chē)、摩托車(chē)以及小型通用機(jī)械的快速發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，對(duì)鍛件產(chǎn)品和鍛造生產(chǎn)提出了輕量化、復(fù)雜化、精密化和高效化的要求。如對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的質(zhì)量公差要求由2. 5%降到1.0%，其材料利用率由50%提高到80%~90%，以鋁代鋼的趨勢(shì)越來(lái)越大。

    1  鋁合金連桿體的結(jié)構(gòu)及成形方法

    鋁合金連桿體見(jiàn)圖1。其內(nèi)孔尺寸精度要求為IOKN6～10 KN7、表面粗糙度(Ra達(dá)0.8～1.6 μm)，連桿體內(nèi)不允許有砂眼、氣孔和皺皮等缺陷存在。

    鋁合金連桿體常規(guī)加工方法為：擠壓鑄造和開(kāi)式模鍛后再進(jìn)行切削加工。

    擠壓鑄造后再進(jìn)行切削加工的生產(chǎn)方法可以得到合格的鋁合金連桿體，可以大批量工業(yè)生產(chǎn)；但由于擠壓鑄造的鋁合金連桿體的表面粗糙度差，零件內(nèi)部始終存在著氣孔和夾雜等鑄造缺陷，使鋁合金連桿體的力學(xué)性能大大降低，難以滿(mǎn)足使用性能要求；同時(shí)由于氣孔、

夾雜等鑄造缺陷的存在，使后續(xù)切削加工的產(chǎn)品合格率低，合格率僅能達(dá)到70%～80%。

    開(kāi)式模鍛后再進(jìn)行切削加工的鋁合金連桿體，由于其無(wú)夾雜和氣孔等缺陷存在，因此力學(xué)性能較好，能滿(mǎn)足鋁合金連桿體的使用要求，同時(shí)后續(xù)切削加工的產(chǎn)品合格率很高；而且開(kāi)式模鍛成形的鋁合金連桿體鍛件可以通過(guò)固溶處理和時(shí)效強(qiáng)化進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，使其性能進(jìn)一步提高。但是，在開(kāi)式模鍛成形過(guò)程中，為了保證鋁合金連桿體的充填、避免模具的直接接觸，必須有飛邊和連皮存在；飛邊和連皮是必須去除的材料，這樣必然造成了開(kāi)式模鍛時(shí)鋁合金材料的浪費(fèi)，同時(shí)還增加了加工工序。因此，采用開(kāi)式模鍛后再進(jìn)行切削加工的方法生產(chǎn)鋁合金連桿體也存在著材料利用率低、生產(chǎn)工序多、生產(chǎn)成本高等問(wèn)題。

    為了解決擠壓鑄造和開(kāi)式模鍛成形方法存在的表面粗糙度差、內(nèi)部氣孔和夾雜等缺陷、材料利用率低、生產(chǎn)工序多、制造成本高等問(wèn)題，一種生產(chǎn)鋁合金連桿體的三向閉塞鍛造成形技術(shù)得到應(yīng)用。

    2  鍛件圖和預(yù)制坯件圖的制定

    在三向閉塞鍛造成形過(guò)程中，除了連桿體大頭的半圓凹端面、弧形環(huán)上面的小槽、兩個(gè)連接螺栓孔和小頭的內(nèi)孔和外端面需要后續(xù)的機(jī)械加工外，其他部位可以直接鍛造成形。

    圖2為三向閉塞鍛造成形鋁合金連桿體的鍛件圖。

    根據(jù)金屬塑性變形前后體積不變的原理，可由計(jì)算毛坯圖來(lái)確定其預(yù)制坯件的形狀和尺寸。圖3為預(yù)制坯件圖。

    3  有限元模型的建立

    3.1  鋁合金連桿體三向閉塞鍛造數(shù)值模擬用幾何模型

    在鋁合金連桿體的三向閉塞鍛造成形過(guò)程中，由于坯料的塑性變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其彈性變形，因此采用剛塑性有限元法來(lái)模擬鋁合金連桿體的三向閉塞鍛造成形過(guò)程是合適的。

    圖4為基于Deform-3D軟件平臺(tái)、采用剛塑性有限元理論所建立的鋁合金連桿體三向閉塞鍛造數(shù)值模擬用幾何模型，它是由上凹模、上圓凸模、上方凸模、下凹模、下圓凸模、下方凸模以及側(cè)凸模組成。其成形過(guò)程如下：將預(yù)制坯放入下凹模內(nèi)，待上、下凹模合模后，

上圓凸模、上方凸模、下圓凸模、下方凸模以及側(cè)凸模按照一定的方向和運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行鍛造成形。

    3.2  凸模的運(yùn)動(dòng)方式

    對(duì)圖4的數(shù)值模擬用幾何模型，其凸模的運(yùn)動(dòng)方式有如下3種：①上凹模和下凹模合模以后，在上圓凸模、上方凸模向下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)下圓凸模、下方凸模向上運(yùn)動(dòng)，側(cè)凸模也沿水平方向向左運(yùn)動(dòng)；②上凹模和下凹模先合模，在上圓凸模、上方凸模向下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)下圓凸

模、下方凸模向上運(yùn)動(dòng)以后，側(cè)凸模再沿著水平方向向左運(yùn)動(dòng)；③上凹模和下凹模先合模，側(cè)凸模沿水平方向向左運(yùn)動(dòng)以后，上圓凸模、上方凸模再向下運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)下圓凸模、下方凸模向上運(yùn)動(dòng)。

    3.3模擬參數(shù)的設(shè)定

    模擬選用的坯料材料為6063鋁合金，模具材質(zhì)為H13模具鋼；溫度設(shè)為20℃，坯料與模具之間的剪切摩擦因子取0.4。網(wǎng)格數(shù)為50 028，步長(zhǎng)為0.2 mm，方凸模、圓凸模的速度v1=5.5 mm/s，側(cè)凸模的速度v2 =22 mm/s。

    4  模擬結(jié)果與分析

    4.1  第1種凸模運(yùn)動(dòng)方式的模擬結(jié)果與分析

    圖5為第1種凸模運(yùn)動(dòng)方式方凸模、圓凸模行程在0～5.2 mm時(shí)的金屬流動(dòng)速度矢量場(chǎng)。由圖5可知，在變形開(kāi)始時(shí)（即方凸模、圓凸模的行程在0～2 mm過(guò)程中），金屬的流動(dòng)方向比較均勻，成形穩(wěn)定，其中桿部金屬主要流向需料較多一側(cè)；當(dāng)方凸模、圓凸模行程在2.0--4.8 mm過(guò)程中，剛開(kāi)始金屬主要流向小頭一側(cè)，當(dāng)行程至3.6 mm時(shí)金屬開(kāi)始流向大頭一側(cè)，而當(dāng)凸模行程至4.8 mm時(shí)，金屬分布已比較均勻，桿部金屬主要成形肋部，大頭端的金屬主要成形大頭的兩側(cè)；當(dāng)方凸模、圓凸模行程至5.2 mm（行程共5.5 mm）處時(shí)，連桿只有大頭端較遠(yuǎn)的一側(cè)未有成形，其余都已基本成形，至行程結(jié)束，成形較好。

    圖6為第1種凸模運(yùn)動(dòng)方式成形結(jié)束時(shí)的連桿效果圖、等效應(yīng)變圖和等效應(yīng)力圖。由圖6可以看到，連桿成形較好，沒(méi)有缺陷，金屬材料充填飽滿(mǎn)；終鍛最后一步的等效應(yīng)變最大為2. 50、等效應(yīng)力為182 MPa。

    圖7為第一種凸模運(yùn)動(dòng)方式成形過(guò)程中凸模的行程一載荷曲線(xiàn)。由圖7可知，側(cè)凸模的最大成形載荷為1 310 kN，上、下方凸模的最大成形載荷為1 910 kN，上、下圓凸模的最大成形載荷為47. 40 kN。

    4.2  第2種凸模運(yùn)動(dòng)方式的模擬結(jié)果與分析

    圖8為第2種凸模運(yùn)動(dòng)方式方凸模、圓凸模行程在0～5.2 mm時(shí)的金屬流動(dòng)速度矢量場(chǎng)。由圖8可知，由于側(cè)凸模沒(méi)有動(dòng)作，主要成形連桿的桿部及小頭端，金屬的流動(dòng)比較均勻，至行程5.2 mm時(shí)，連桿鍛件的小頭端及桿部的肋都已基本成形。

    圖9為第2種凸模運(yùn)動(dòng)方式側(cè)凸模在整個(gè)行程中的金屬流動(dòng)速度矢量場(chǎng)。由圖9可知，一開(kāi)始金屬較快的流向側(cè)凸模的動(dòng)作方向。側(cè)凸模行程至16 mm時(shí)主要成形大頭端的兩側(cè)，行程至21 mm左右時(shí)連桿鍛件的大頭端的其中一側(cè)已經(jīng)基本成形；當(dāng)行程結(jié)束時(shí)完全成形，并且充填飽滿(mǎn)，無(wú)皺皮等缺陷。從整個(gè)過(guò)程看，桿部及小頭端的金屬應(yīng)稍多于實(shí)際需要的，采用這種方式成形，可以最大程度上減少金屬的成形流動(dòng)量。

    圖10為第2種凸模運(yùn)動(dòng)方式成形結(jié)束時(shí)的鍛件效果圖、等效應(yīng)變圖和等效應(yīng)力圖。由圖10可知，連桿成形良好，充填飽滿(mǎn)，沒(méi)有皺皮等缺陷；成形結(jié)束時(shí)，鍛件的等效應(yīng)變?yōu)?. 65、等效應(yīng)力最大為180 MPa。

    圖11為第2種凸模運(yùn)動(dòng)方式成形過(guò)程中凸模的行程一載荷曲線(xiàn)。由圖11可知，上、下方凸模的最大成形載荷為1 640 kN左右，上、下圓凸模的最大成形載荷為300kN左右，側(cè)凸模的最大成形載荷為1 730 kN左右。

    4.3  第3種凸模運(yùn)動(dòng)方式的模擬結(jié)果與分析

    圖12為第3種凸模運(yùn)動(dòng)方式成形結(jié)束時(shí)的鍛件效果圖、等效應(yīng)變圖和等效應(yīng)力圖。從圖12可以看到，連桿大頭的一側(cè)由于成形方式的改變，沒(méi)有充滿(mǎn)；原因是其桿部及小頭的一側(cè)，本來(lái)坯料金屬就稍有盈余，再加上側(cè)沖頭先動(dòng)作，會(huì)導(dǎo)致桿部和小頭側(cè)坯料金屬有較多富余，至上下沖頭動(dòng)作時(shí)，桿部和小頭端較易成形，而大頭端金屬不足，難以充滿(mǎn)。成形結(jié)束時(shí)，鍛件的等效應(yīng)變較小，其最大等效應(yīng)力為181 MPa。

    圖13為第3種凸模運(yùn)動(dòng)方式成形過(guò)程中凸模的行程一載荷曲線(xiàn)。由圖13可知，側(cè)凸模的行程一載荷曲線(xiàn)中間有一個(gè)明顯的下滑，是因?yàn)閭?cè)凸模行程到位后停止、改由方凸模和圓凸模運(yùn)動(dòng)所引起的；從圖13中可知，側(cè)凸模的最大成形載荷為553 kN左右，方凸模的最大成形載荷為1 780 kN左右，圓凸模的成形載荷為410 kN左右。

    5  結(jié)  論

    (1)凸模以第1種方式運(yùn)動(dòng)時(shí)，雖然金屬變形較均勻，充填良好，無(wú)成形缺陷存在；但其方凸模的受力大，模具容易損壞。

    (2)凸模以第2種方式運(yùn)動(dòng)時(shí)，連桿體內(nèi)各部位的變形程度不大，金屬流動(dòng)較均勻，其成形件品質(zhì)較好，連桿充填飽滿(mǎn)，無(wú)成形缺陷存在；而且凸模的受力都不大，模具壽命較高。

    (3)凸模以第3種方式運(yùn)動(dòng)時(shí)，雖然凸模的受力不大，模具壽命較高，但是鍛件成形品質(zhì)較差，充填不飽滿(mǎn)。

    6摘要

    采用剛塑性有限元法·利用Deform- 3D有限元軟件對(duì)鋁合金連桿體三向閉塞鍛造成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究了在三向閉塞鍛造成形過(guò)程中凸模的3種運(yùn)動(dòng)方式對(duì)鋁合金連桿體成形過(guò)程中的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變、金屬流動(dòng)速度矢量場(chǎng)以及變形載荷的影響。模擬結(jié)果表明，其凸模的運(yùn)動(dòng)方式采取上凹模和下u模先合模，在上圓凸模、上方凸模向下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)下圓凸模、下方凸模向上運(yùn)動(dòng)以后，側(cè)凸模再沿著水平方向向左運(yùn)動(dòng)，連桿體內(nèi)各部位的變形程度不大，金屬流動(dòng)較均勻，其成形件品質(zhì)較好，鍛件充填飽滿(mǎn)，無(wú)成形缺陷存在，而且凸模的受力都不大，模具壽命較高。