连杆零件粉末锻造及模具设计

PAGE6PAGE7目录摘要 1前言 21粉末锻造原理 22粉末锻车行业的应用 23压制坯预成型坯制备 34闭式模锻工艺及模具设计 54.1热锻工艺 54.2磨具设计 5结束语 6参考文献 7连杆粉末锻造模具设计狄万学摘要：锻造是一种低成本高密度粉末冶金零件近净成形技术。近年来由于机械合金化的出现，可以不通过熔炼得到各种性能的粉末，人们可以自配材料经热等静压再经等温锻造获得产品。由于其技术的优越性，在国外轿车连杆制造业，粉末锻造技术有着非常广泛的应用前景。【关键字】：锻造；连杆；模具前言市场经济的发展使得制造业的竞争日益激烈，提高质量、改善性能和降低成本成为企业的追求目标。因此、许多产品的传统生产方法和制造技术不断得到改进和更新，发动机连杆承担着把活塞的直线运动通过曲柄转换成回转运动，不仅要求抗拉、抗弯、而且要求耐磨、抗疲劳和耐冲击，其综合机械性能要求十分苛刻。基于粉末冶金技术具有节材、节能、高效和优化组织结构等优点和粉末锻造方法能够使烧结制品的材质均匀、各向异性以及致密后其性能达到甚至超过合金钢，提出了采用粉末锻造方法生产发动机连杆。1粉末锻造原理粉末锻造是指以金属粉末为原料，经过冷压成形，烧结、热锻成形或由粉末经热等静压、等温模锻，或直接由粉末热等静压及后续处理等工序制成所需形状的精密锻件，将传统的粉末冶金和精密模锻结合起来的一种新工艺，兼有两者的优点,可以制取密度接近材料理论密度的粉末锻件，克服了普通粉末冶金零件密度低的缺点，使粉末锻件的物理力学性能达到甚至超过普通锻件的水平。同时，又保持普通粉末冶金少、无切屑工艺的优点，通过合理设计预成形坯和实行少、无飞边锻造，具有成形精确、材料利用率高、锻造能量消耗少等特点。典型的粉末锻造工艺流程如图1所示。图1典型的粉末锻造工艺流程2粉末锻车行业的应用粉末锻造多用于各种钢粉制件。目前所用的钢种有几十种，从普通碳钢到多种低合金钢，以至不锈钢、耐热钢、超高强度钢等高合金钢和高速工具钢。有色金属粉末锻造不如钢粉末锻造那样应用广泛和成熟。特别是在轿车制造业，粉末锻造技术有着充分的展现：举例：汽车连杆：汽车连杆在整量汽车的运行中起着传动的作用，运用粉末锻造技术锻造后经热处理，材料获得较好的综合力学性能，数据表明抗拉强度达1090MPa，硬度HRC为40.7，冲击韧性为38J/cm2，用于取代一些合金以节约较为稀缺的镍。同时，经过粉末锻造技术的连杆可以获得更高的密度，可以避免高负荷运动下的断裂，又由于密度的提高可以在制造中更加精准的掌握连杆的尺寸精度，是器械的契合度更加完美。正因为粉末锻造的连杆优势多多，他们经常用于发动机内部的连杆机构，来承受高强度的冲击和负荷。在国外的一些知名汽车厂就运用这粉末锻造技术实行汽车零部件的生产。德国宝马汽车公司于1992年在V8发动机上采用粉末锻造连杆，使连杆的长度有125mm缩短到115mm，而质量降低20%，明显改进了平衡性，并降低了生产成本。又类如（1）美国通用汽车公司（GM）在1995年，在北极星V8型4.6L发动机大量运用了粉末连杆及铝合金凸转轮，其技术及经济效果显著。(2)美国福特汽车公司1986年,福特汽车公司大量生产和装车使用粉末锻造连杆,用于排量119L四缸发动机和416LV8发动机上。至1991年该公司至少已使用粉末锻造连杆达1000万根,耗用钢粉7000t以上。在1995年车型的318LV6发动机和1996年新产车型Zeta-Ó型四缸发动机上,亦大量使用了这种粉末锻造连杆。1996年,福特公司在全北美(美国和加拿大)制造的发动机上大量装机使用,并在欧洲福特汽车公司也装车使用了粉末锻造连杆。(3)美国克莱斯勒3压制坯预成型坯制备粉末压制坯一般由压型模制出，压型模的设计主要依据零件图纸和工艺变形的经验数据，一般应考虑压制坯在烧结过程中有0.08%左右的微量收缩，经过精整可以满足烧制品的公差要求。但连杆压制坯的设计不能直接依据图纸，而因受到热锻模具和锻造工艺的制约，即预制坯的形状应尽可能接近连杆的形状且各部密度均匀。要做到压制坯密度均匀就必须设法控制压型过程中粉末横向流动，为此，压型模的凸模各部位必须能够实现多工位运动，即采用不同步压制法。粉末压制密度均匀为顺利控制锻造过程，获得均匀热锻毛坯创造条件。为了充分发挥粉末锻造节材，节能和高效等优点，使得热锻后的连杆毛坯尽可能接近零件形状，要求连杆的热锻应在闭式方式下进行。闭式模锻要求材料体积严格精确而粉末锻造过程中材料体积是变化的，同时连杆烧结坯在热锻致密与成型过程中头部与杆部之间可能发生一定程度的材料转移，因此连杆压制坯形状尺寸的设计必须严格满足闭式热锻的要求，否则会引起热锻后连杆的致密度不够或密度分布严重不均匀，甚至引起模具的严重损坏。为此，在闭式模锻生产前因首先进行开式模锻实验，以确定合理的压制坯形状和尺寸。连杆粉末烧结坯的开式模锻模具如图2所示。为提高连杆的致密效果，采用了楔形飞边槽。为便于出模，芯子设计有一定的斜度。为使该实验模具简单，采用导销导向，不设计顶出结构，锻件的出模依据活动下模由设备顶杆来实现。图2连杆热锻开式模具1上模板2上模3导销4下模5芯子6固定板7下模板通过开式锻模实验发现，连杆烧结坯在热锻过程中，其头部材料在变形初期向杆部发生一定程度的转移，致使杆部出现较大飞边，而头部密度达不到要求。因此，在保证均匀松装密度前提下，对头部与杆部的预制坯尺寸进行相应的调整，即增加连杆预制坯头部的高度尺寸并适当减小其径向尺寸，以降低头部材料像杆部转移的趋势。经反复实验和调整压制坯的形状和尺寸，当连杆头部与杆部飞边的大小比较一致且致密程度比较均匀是，便得到合理的连杆粉末压制坯，其形状尺寸如图3所示。图3连杆压制坯此外，通过上述开式模锻实验还可发现：预制形坯余料达到重量的30﹪以上时才能在切边后得到比重7.6/cm3以上的毛坯，余料越少密度越低，可见，开式模锻摩托车连杆难以发挥粉末热锻工艺材料利用率高的优点。此外，开式锻造过程中材料的横向流动比较剧烈，而坯料在变形初期存在大量孔隙，强度较低，在头部与杆部过渡处极易出现裂纹，所以从保证变形质量和尺寸精度以及表面质量等方面看，也要求摩托车连杆的热锻应在闭式方式下进行。烧结预制形坯是由粉末压制坯在气氛保护下烧结而成，预成形坯制备的基本工序为：混料→压型→烧结→预成形坯。混料采用5kg实验球磨桶，压制在630kN油压机上进行，为减小压制坯的密度梯度、采用双向压制，压制力为500-700MPa。烧结是在50kW真空烧结炉中进行，真空度10Pa。4闭式模锻工艺及模具设计4.1热锻工艺连杆形状比较复杂，界面之间差别较大，除两头部端面及内孔需要加工外，其余工字形断面的部件等都是黑皮，不在加工。锻件余量与公差按照磨削加工精度，根据常规方法确定。为方便脱模，头部内孔斜度取3°，锻件冷缩率取1.5%，热锻件图形状及尺寸如图4所示。图4连杆闭式模锻热锻件图经计算，预制坯水平投影面积F=1187mm2，由文献【4】得摩差压力机吨位为G=593.5KN，故选用630KN摩差压力机烧结预制坯采用箱式电阻炉加热，最高温度控制为1200℃左右，加热过程中采用工业纯氮气气氛保护以减少氧化，同时在预成形坯表面涂覆水石墨，加热至1000粉末锻造后的连杆毛坯还要进行镗孔、热处理和精磨。渗碳淬火前，除双孔及端面外，其余部位须涂覆渗涂料，淬火之后喷砂处理。4.2磨具设计闭式模型腔设计依据热锻件图，闭式模具结构如图5所示，芯棒设计成带一定斜度，便于预成形坯进入锻件模锻。因闭式模锻方法和产品精度要求，在模具上采用了导柱导套导向。上模板和下模板上开设排气孔，以避免高压气团影响金属流动和损坏模具。采用下顶杆结构，在滑块上行时带动顶杆上移，将下凸模和连杆一起顶出。图5连杆闭式模锻模具结构1上模板2上模座3下模座4压板5下模板6上凸模7芯子8下凸模9顶板结束语粉末热锻制造发动机连杆能够充分发挥粉末冶金和精密锻造的各自优势，不但具有节材、节能、高效和优化组织结构等特点，而且热锻后制品的材质均匀，与传统的合金钢热锻制品相比，综合机械性能得到明显改善和提高。通过简易的开式模锻实验来调整和改进粉末压制坯的经验性设计，能够为实际的闭式模锻提供密度均匀、形状尺寸合理的烧结预成形坯。本文给出的发动机连杆粉末热锻工艺和闭式模锻结构，已成功地制造出成品样件。参考文献:[1]李绍忠.粉末冶金铁基零件和减摩复合材料的应用[J].汽车工艺与材料,1997.6.[2]陈厚发.粉末冶金材料在NJ1020GHA汽车上的应用[R].南京汽车研究所,1998.3.[3]屠颖斐等.汽车发动机气门座圈材料的现状与发展趋势[J].汽车工艺与材料,2000.6.[