CN108188336A - 一种发动机活塞连杆精密热加工方法 - Google Patents

一种发动机活塞连杆精密热加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发动机活塞连杆精密热加工方法，属于金属材料塑性加工技术领域。它包括：步骤S101、圆坯加热；步骤S102、精密预成型组合工艺：第一步采用局部镦粗工艺；第二步采用箱式变截面孔型横轧成型工艺；第三步采用压扁方式对轧后的坯料进行压扁成型，获得精密闭塞挤压的毛坯；步骤S103、复动闭塞精密挤压成型。采用精密预成型组合工艺，该工艺包括局部镦粗工艺、箱式变截面孔型横轧成型工艺、压扁和闭塞精密挤压成形工艺，实现了发动机活塞连杆的精密热加工成型，发动机活塞连杆的强度和刚度均满足使用要求，其中发动机活塞连杆的小头、杆身和大头尺寸均接近成品尺寸，材料的利用达到98％以上，相比现有的开式模锻，显著提高了材料利用率。

Description

一种发动机活塞连杆精密热加工方法
技术领域
本发明属于金属材料塑性加工技术领域，更具体地说，涉及一种发动机活塞连杆精密热加工方法。
背景技术
发动机活塞连杆是汽车发动机的核心部件，属于轴类承载零件。发动机活塞连杆的功用是连接活塞和曲轴，把活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并将活塞承受的力传给曲轴。发动机活塞连杆一般由小头、杆身和大头三部分组成，如图1所示，连杆小头与活塞销相连，工作时与销之间有相对运动，小头孔中有衬套，在连杆的小头和衬套上钻有小孔(油道)，用来润滑小头和活塞销；连杆杆身通常做成工字型断面，以求增加其强度和刚度。在其中间有油润滑油道；连杆大头与曲轴的曲柄销相连，大头一般作剖分式的，被分开的部分称为连杆盖，接特制的连杆螺栓紧固在连杆的大头上，连杆盖与连杆大头是组合搪孔，为了防止装配错误，在同一侧有配对记号，大头孔表面有很高的光洁度，以便与连杆轴瓦紧密贴合。
目前发动机活塞连杆的热加工生产方法目前主要有压铸法、热模锻造和粉末冶金方法。其中：(1)压铸成型法，例如名称为：连杆压铸方法、申请号为201611084684.3的中国专利，该方法包括以下步骤：S1：制作坯料；S2：定量取料；S3：压铸；S4：脱料。而上述压铸成型法的发动机活塞连杆材料以铝合金为主，发动机活塞连杆内部组织存在疏松、缩孔、裂纹等缺陷，加之连杆由于工作环境比较恶劣，处于长时间受冲击状态，连杆极容易出现疲劳折断；同时压铸法生产过程产生大量废物，对环境的污染也较严重。(2)热模锻造法，例如名称为：发动机连杆精锻工艺、申请号为201010608708.7的中国专利，该工艺过程为：下料-加热-模锻(拔长、第Ⅰ终锻和第Ⅱ精锻)-切边-第Ⅲ校正与精压-热处理-清理-检验；再如名称为：一种涨断式连杆精密锻造工艺、申请号为200810051258.9的中国专利，其工艺是：a.精密剪切下料；b.中频感应加热；c.多工步辊锻制坯；d.精密模锻；e.压力机切边、校正；f.空冷处理；g.抛丸处理；h.CS检验；j.荧光探伤；k.螺旋压力精压；l.自动称重仪称重；m.终检。而以上热模锻造法的发动机活塞连杆材料以碳钢为主，预成型采用辊锻、楔横轧或滚拔，终锻使用开式模锻，该方法制造工件的性能质量可靠，但是材料利用率在80％左右，在制造过程中需要大量的热能，能量损耗大；由于开放式工作状态，工作现场环境质量差。(3)粉末冶金采用压制、烧结成型方法，例如名称为：一种发动机连杆粉末锻造的方法，申请号为201310481757.2的中国专利，该方法包括：步骤1：制作相似形粉末预制坯；步骤2：锻造预制坯，连杆材料采用各种合金粉末配置。该方法可以制造特种性能和材料的连杆，但是粉末冶金法的发动机活塞连杆的强韧性比锻造的差，强度使用受限，因此应用范围小。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有技术热模锻造法中，预成型采用辊锻、楔横轧或滚拔，终锻使用开式模锻，造成材料利用率低的问题，本发明提供一种发动机活塞连杆精密热加工方法，该方法在预成型和终锻成型工艺上采用了新型成型方法和手段，提高材料利用率，实现连杆的精密塑性成型加工，提高连杆产品的质量。
本发明还提供了一种由上述方法得到的发动机活塞连杆，减少连杆的内部组织缩孔、裂纹等缺陷，增强连杆的抗冲击能力，延长使用寿命。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明的发动机活塞连杆精密热加工方法，包括以下具体步骤进行：
步骤S101、圆坯加热：发动机活塞连杆圆坯精确下料后，通过加热使以碳钢为主圆坯的锻造温度控制在热锻温度范围内，热锻温度为1100-1200℃；
步骤S102、精密预成型组合工艺：
第一步采用局部镦粗工艺，采用压力机，将加热的等径圆坯制成一阶梯形圆坯；
第二步采用箱式变截面孔型横轧成型工艺，圆坯初始尺寸与轧辊箱型孔型初始尺寸相一致，圆坯在置入轧辊初始孔型后，两轧辊在动力***驱动下同方向旋转，在轧辊转动过程中，连续渐进孔型使圆坯径向压缩变形，轴向拉伸，且在摩擦力矩的作用下逆向转动，当轧辊旋转半周时，完成坯料体积的精密分配；
第三步采用压扁方式对轧后的坯料进行压扁成型，获得精密闭塞挤压所需的毛坯外形；
步骤S103、复动闭塞精密挤压成型：将预成型后的毛坯放入复动挤压凹模中，完成连杆的近净成型，获得发动机活塞连杆的精密锻件。
于本发明的一种可能的实施方式中，在步骤S101中，所述加热采用中频感应加热方法，
于本发明的一种可能的实施方式中，在步骤S102中，所述轧辊的数量为一对，轧辊上设有与圆坯外形轮廓一致的初始孔型，以及终轧孔型。初始孔型与终轧孔型相位差180度。
于本发明的一种可能的实施方式中，在步骤S103中，所述挤压凹模包括上凹模、下凹模、上凸模和下凸模，其中上凹模、下凹模对接形成型腔，型腔的体积略大于或等于连杆毛坯的体积及上凸模和下凸模伸入型腔的体积，上凸模由上方与上凹模配合，下凸模由下方与下凸模配合。
于本发明的一种可能的实施方式中，在步骤S103中，将预成型后的毛坯放入复动挤压凹模的型腔中，在上凹模与下凹模合成一个整体后，由上凸模、下凸模对毛坯进行相向挤压成型，当上凸模、下凸模挤压到限位点时，挤压过程结束后，上凹模、下凹模分开，上凸模、下凸模与毛坯分离，随后从下凹模型腔中取出挤压成型连杆。
于本发明的一种可能的实施方式中，还包括步骤S104、整形：将步骤S103得到的挤压成型件再次进行精压整形，将连杆局部的过渡圆角、型面以及凹槽挤压到所需的产品尺寸精度，并提高平整度，获得终端产品锻件尺寸。
于本发明的一种可能的实施方式中，还包括步骤S105、冲切：对整形后的连杆锻件，再进行冲孔和切边。
于本发明的一种可能的实施方式中，还包括步骤S106、热处理：根据产品材质和组织性能要求，制定相应的热处理工艺，进行热处理加工。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的发动机活塞连杆精密热加工方法，采用精密预成型组合工艺和闭塞精密挤压成型。该工艺包括局部镦粗工艺、箱式变截面孔型横轧成型工艺、压扁和挤压，实现了发动机活塞连杆的精密热加工成型，发动机活塞连杆的强度和刚度均满足使用要求，其中发动机活塞连杆的小头、杆身和大头尺寸均接近成品尺寸，材料的利用达到98％以上，相比现有的开式模锻，显著提高了材料利用率；
(2)本发明的发动机活塞连杆精密热加工方法，采用感应加热方式，可使圆坯温度迅速加热，且能保证了加热的均匀性，避免产生过热、过烧，圆坯的塑性流动性好，有利于坯料体积的精密分配；
(3)本发明的发动机活塞连杆精密热加工方法，其采用的挤压凹模包括上凹模、下凹模、上凸模和下凸模，其中上凹模、下凹模对接形成型腔，型腔的体积略大于或等于连杆毛坯的体积及上凸模和下凸模伸入型腔的体积，有效避免挤压凹模被毛坯挤破；
(4)本发明的发动机活塞连杆精密热加工方法，复动闭塞精密挤压成型得到的坯件，其局部过渡尺寸较大，通过整形使挤压后的坯料形状达到精锻尺寸，同时改善锻件的表面质量；
(5)本发明的发动机活塞连杆精密热加工方法，易于实现。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
图1为本发明发动机活塞连杆的结构示意图；
图2为本发明发动机活塞连杆精密热加工方法流程图；
图3为本发明箱式变截面孔型横轧工作原理示意图；
图4为图3的侧视图；
图5为本发明精密复动闭塞挤压成型示意图。
图中标记说明：
1、轧辊；110、初始孔型；120、终轧孔型；2、挤压凹模；210、上凹模；220、下凹模；230、上凸模；240、下凸模；250、型腔；3、毛坯。
具体实施方式
下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。
下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。
实施例1
如图1所示的本发明发动机活塞连杆的结构示意图，发动机活塞连杆由小头、杆身和大头三部分组成，连杆杆身通常做成工字型断面。
如图2所示的本实施例发动机活塞连杆精密热加工方法流程图，包括以下具体步骤进行：
步骤S101、圆坯加热：发动机活塞连杆圆坯精确下料后，通过中频感应加热，，使以碳钢为主圆坯的锻造温度控制在热锻温度范围内，热锻温度为1100-1200℃；
步骤S102、精密预成型组合工艺：
第一步采用局部镦粗工艺，采用压力机，将加热的等径圆坯制成一阶梯形圆坯；
第二步采用箱式变截面孔型横轧成型工艺，如图3、图4所示，轧辊的数量为一对，两轧辊结构形状一致且相向设置，轧辊上设有与圆坯外形轮廓一致的初始孔型，以及终轧孔型；本发明的核心创新点为箱式变截面孔型横轧成型工艺，摒弃了现有的开式模锻制坯方法，由于感应加热的圆坯流动性较好，在横轧工艺条件下，本发明的发明人设计圆坯初始尺寸与轧辊箱型孔型初始尺寸相一致，圆坯在置入轧辊初始孔型后，两轧辊在动力***驱动下同方向旋转，在轧辊转动过程中，连续渐进孔型使圆坯径向压缩变形，轴向拉伸，且在摩擦力矩的作用下逆向转动，当轧辊旋转半周时，完成坯料体积的精密分配；
第三步采用压扁方式对轧后的坯料进行压扁成型，获得精密闭塞挤压所需的毛坯外形；
步骤S103、复动闭塞精密挤压成型：将预成型后的毛坯放入复动挤压凹模中，这里需要说明的是，众所周知闭式模锻的锻件几何形状、尺寸精度和表面质量最大限度地接近产品，省去了飞边，与开式模锻相比，闭式模锻可以大大提高金属材料的利用率，然而在本发明的加工过程中，由于在挤压过程中坯料会向四周流动，若采用闭式模锻方法则会造成模具炸裂，因此发明人改变了现有的闭式模锻方法，采用闭塞挤压模锻方法，如图5所示。
其中挤压凹模包括上凹模、下凹模、上凸模和下凸模，其中上凹模、下凹模对接形成型腔，型腔的体积略大于或等于连杆毛坯的体积及上凸模和下凸模伸入型腔的体积，上凸模由上方与上凹模配合，下凸模由下方与下凹模配合；完成连杆的近净成型，获得发动机活塞连杆的精密锻件。
将预成型后的毛坯放入复动挤压凹模的型腔中，在上凹模与下凹模合成一个整体后，由上凸模、下凸模对毛坯进行相向挤压成型，当上凸模、下凸模挤压到限位点时，挤压过程结束后，上凹模、下凹模分开，上凸模、下凸模与毛坯分离，随后从下凹模型腔中取出挤压成型连杆；
步骤S104、整形：将步骤S103得到的挤压成型件再次进行精压整形，将连杆局部的过渡圆角、型面以及凹槽挤压到所需的产品尺寸精度，并提高平整度，获得终端产品锻件尺寸；
步骤S105、冲切：对整形后的连杆锻件，再进行冲孔和切边；
步骤S106、热处理：根据产品材质和组织性能要求，制定相应的热处理工艺，进行热处理加工。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种发动机活塞连杆精密热加工方法，其特征在于，按照以下具体步骤进行：
步骤S101、圆坯加热：发动机活塞连杆圆坯精确下料后，通过加热使以碳钢为主圆坯的锻造温度控制在热锻温度范围内，热锻温度为1100-1200℃；
步骤S102、精密预成型组合工艺：
第一步采用局部镦粗工艺，采用压力机，将加热的等径圆坯制成一阶梯形圆坯；
第二步采用箱式变截面孔型横轧成型工艺，圆坯尺寸与轧辊(1)箱型孔型初始尺寸相一致，圆坯在置入轧辊(1)初始孔型(110)后，两轧辊(1)在动力***驱动下同方向旋转，在轧辊(1)转动过程中，孔型连续渐进变化(120)使圆坯径向压缩变形，轴向拉伸变形，且在摩擦力矩的作用下逆向转动，轧辊(1)旋转一周完成坯料体积的精密分配；
第三步采用压扁方式对轧后的坯料进行压扁成型，获得精密闭塞挤压所需的毛坯外形；
步骤S103、复动闭塞精密挤压成型：将预成型后的毛坯放入复动挤压凹模(2)中，完成连杆的近净成型，获得发动机活塞连杆的精密锻件。
2.根据权利要求1所述的发动机活塞连杆精密热加工方法，其特征在于，在步骤S101中，所述加热采用中频感应加热。
3.根据权利要求2所述的发动机活塞连杆精密热加工方法，其特征在于，在步骤S102中，所述轧辊(1)的数量为一对，两轧辊(1)结构形状一致且对称设置，轧辊(1)上设有与圆坯外形轮廓一致的初始孔型(110)，以及终轧孔型(120)；初始孔型(110)与终轧孔型(120)相位差180度。
4.根据权利要求3所述的发动机活塞连杆精密热加工方法，其特征在于，在步骤S103中，所述挤压凹模(2)包括上凹模(210)、下凹模(220)、上凸模(230)和下凸模(240)。其中上凹模(210)、下凹模(220)对接形成型腔(250)，型腔(250)的体积略大于或等于连杆毛坯的体积及上凸模(230)和下凸模(240)伸入型腔(250)的体积，上凸模(230)由上方与上凹模(210)配合，下凸模(240)由下方与下凸模(240)配合。
5.根据权利要求1至4任一项所述的发动机活塞连杆精密热加工方法，其特征在于，在步骤S103中，将预成型后的毛坯放入复动挤压凹模(2)的型腔(250)中，在上凹模(210)与下凹模(220)合成一个整体后，由上凸模(230)、下凸模(240)对毛坯进行相向挤压成型，当上凸模(230)、下凸模(240)挤压到限位点时，挤压过程结束后，上凹模(210)、下凹模(220)分开，上凸模(230)、下凸模(240)与毛坯分离，随后从下凹模(220)型腔(250)中取出挤压成型连杆。
6.根据权利要求1所述的发动机活塞连杆精密热加工方法，其特征在于，步骤S104、整形：将步骤S103得到的挤压成型件再次进行精压整形，将连杆局部的过渡圆角、型面以及凹槽挤压到所需的连杆产品尺寸精度。
7.根据权利要求6所述的发动机活塞连杆精密热加工方法，其特征在于，还包括步骤S105、冲切：对整形后的连杆锻件，再进行冲孔和切边。
8.根据权利要求7所述的发动机活塞连杆精密热加工方法，其特征在于，还包括步骤S106、热处理：根据连杆产品材质和组织性能要求，制定相应的热处理工艺，进行热处理加工。
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