文／王永健·第一拖拉机股份有限公司锻造厂

大型连杆是工程机械上的一种关键零件，在工作过程中需要承受压缩、拉伸等交变载荷作用，对疲劳强度和结构刚度有较高要求。目前的生产工艺主要是由锻造成形，再经过机械加工完成的。

我们在和某国外工程机械企业的合作中，遇到一些大型连杆（图1），整体长度长，横截面差别大，中间杆部较细，两端头面积大，属于典型的长杆类锻件。

图1 大型连杆数模

样件开发阶段

这类锻件需要采用制坯+终锻成形的锻造工艺，其生产效率和产品质量主要由制坯工艺决定，企业根据设备特点，结合实际情况采用不同的工艺。在开发初期，我们采用了常规的自由锻方式制坯，这种制坯工艺生产效率低，工人劳动强度大，产品质量不稳定，材料消耗大，总体生产成本高。

生产效率低，劳动强度大

图2所示为自由锻制坯使用摔模，靠操作工手工翻转、控制毛坯尺寸和形状。共需要两个工步，先制出毛坯两端形状，再更换模具拔出长杆部形状，这种生产方式，每班能生产40～50件。图3中3.77kg的坯料在自由锻制坯完全需要人工翻来翻去，劳动强度大。

图2 自由锻制坯图

图3 人工操作

锻件质量不稳定

自由锻制坯后，模锻成形只能采用燃气炉加热。一是，毛坯氧化皮厚，锻件表面质量差，氧化坑最深在1.5mm左右（图4）；二是，坯料加热时间不一样，整炉料的首末件温差大，造成锻件个体之间中心距尺寸不稳定（图5），后续加工后壁厚差大。

生产成本高

图4 表面缺陷（氧化坑）

图5 中心距尺寸不稳定

由于自由锻制坯精度较差，致使中间毛坯在直径和长度上均有意加大了用料，原材料消耗增加（图6）。另外，自由锻制坯一致性不高，无法满足后续模锻工序中频感应电炉加热的要求，只能在燃气炉加热，动能消耗大，综合成本太高。

图6 自由锻制坯杆部直径大

批量生产阶段

为了在批量供货时解决上述问题，我厂成立了工艺开发小组，研究开发模锻制坯工艺。我们查阅了大量技术资料，多方了解国内外大型连杆的制坯方式。目前的现状基本上都是自由锻制坯工艺，无现成的模锻制坯资料可借鉴。

工艺分析，确定方案

大型连杆锻件的制坯，通常采用以下几种工艺方案，分析其优缺点：

⑴自由锻制坯。

优点：生产所需设备要求不高，通用性好。

缺点：靠人工操作来控制锻件形状和尺寸，精度较低，工人劳动强度大，生产率低，主要用于单件、小批量生产。

⑵模锻制坯，其中包括辊锻制坯、楔横轧制坯。

优点：生产效率高，工人劳动条件好。

缺点：需要专用设备，投入专用模具，适用于大批量生产，前期投入大。

⑶不增加专门的制坯工序，在模锻锤上增加制坯工步。

优点：一火次成形，降低动能消耗。

缺点：在大设备上增加制坯工步，只能做压扁等简单操作，对锻件截面改变少，材料消耗大。另外模块尺寸加大，增加模具成本。

在分析各种工艺方案后，我厂技术人员大胆创新，摒弃传统的粗料拔长制坯方式，另辟蹊径，提出了细料镦粗聚集制坯的方式。经过反复计算论证后，结合我厂生产设备的实际状况，决定采用平锻机模锻制坯+模锻锤终锻的制造工艺。

修订中间锻件图

依据大型连杆最终锻件图，结合初始自由锻中间坯方案，优化设计了平锻机制坯中间锻件图，将杆部直径由原来的φ85mm（图6）改为φ80mm（图7）。注意，此处的成品尺寸就是φ80mm，这也是经过反复计算论证后才确定下来的。

图7 精准制坯杆部直径小

改变制坯加热方式

将原来的燃气炉加热（图8）改为中频感应电炉加热。燃气炉加热本身的火耗在3%左右，中频感应电炉加热火耗只有0.5%左右，另外原来燃气炉加热是整体加热，而新工艺只需要局部加热即可，不变形部分不需要加热，大幅提高加热效率，减少损耗。

中间毛坯工艺制定

在依据锻件图确定工步图的过程中（图9），反复论证、计算，坯料的镦粗比达9.1，比常规镦粗比4.5大2倍还多。为确保镦粗聚集不失稳，借助Deform软件模拟锻造过程。根据模拟的结果，采用了锥形模膛聚集，同时还要遵循聚集工步设计的限制线，在第一工步的锥形大端设计更大的锥体，在锥形小端增加圆柱段。通过合理分配压缩系数，最终采用4个工步成形。

图8 燃气炉加热

图9 理论计算出来的工步图

平锻模设计

根据确定的工步图，参考1250t平锻机设备规格，设计相应模具（图10）。由于4个工步长度压缩量太大，无法按照常规排布，上下对齐，于是将第1、第2工步的成形镶块和夹紧镶块合并，将第3、第4工步的成形镶块加长，让第3、第4工步前移，在第3、第4工步的定位挡板位置增加定位块。通过反复排布，终于实现了型槽的合理布局。

图10 平锻机制坯模具装配图

根据上述技术方案要求，设计、制作了平锻模，组织了生产调试，并在模锻锤上验证了此批中间毛坯，生产过程基本顺利，在实施过程中有效解决了以下问题：

⑴确定合适的加热工艺。经过调试，确定了最佳的加热电压、时间以及加热长度。创新前，煤气加热炉加热坯料，每炉仅能加热30件左右，加热至锻打温度需要1.5h以上；创新后，平均1min就可以加热一件，坯料加热后的表面质量也大有改观，氧化皮厚度不到0.5mm，不仅对锻件成形有利，而且减少了对模具的磨损，同时也减少了原材料的火耗，一举多得。

⑵生产工人克服困难，掌握操作技巧。大型连杆锻件单重77kg，在操作过程中，需要用配重块通过滑轮、钢丝绳、挂钩来减轻工人的劳动负荷。经过反复调试，工人掌握了锻件和配重块之间的平衡，以及挂钩前后部分重量的平衡。

⑶通过适当调整各工步冲头垫片，使中间毛坯能够充满型腔，同时分模面毛刺符合工艺要求。

最后，将这批检验合格的中间毛坯转移到模锻锤上进一步验证，确认工艺改进效果。经验证，改进后的中间坯料用于模锻后，生产的锻件外形规整、表面质量大有提高，氧化坑深度不超过0.5mm（图11），飞边均匀连续（图12），完全能满足批量生产的需要。另外，坯料外形规整，能满足中频感应电炉加热要求，使加热效率较以前大大提高，能耗减少在50%以上。

图11 效果很好的最终锻件

图12 最终锻件的飞边

结论

大型杆类零件的平锻机模锻制坯工艺，是对传统制坯工艺的创新，将使我厂的长杆类锻件的尺寸精度和外观质量上一个明显台阶，为我厂进一步开拓市场起到有力的技术支撑。

在第一个品种大型连杆的平锻机上模锻制坯技术成功实施后，我厂很快就把此项技术推广，成功应用于类似的大型连杆上，现在均已形成批量生产能力。

此项技术的成功应用，既提高生产效率，又提升产品质量，还降低生产成本，创造了良好的经济效益，非常具有推广价值，同时也为类似零件的开发提供了借鉴。