一種非調質鋼連桿毛坯的鑄鍛成形復合工藝方法與流程

本發明屬于發動機連桿領域，具體涉及一種適用于汽車發動機非調質鋼連桿鍛件毛坯的鑄鍛復合成形工藝。

背景技術：

連桿是發動機上的關鍵零件，在高頻載荷下工作，對強度有較高的要求。其加工技術水平直接影響著發動機整機的制造水平與產品質量。發動機連桿的成形工藝主要有擠壓鑄造、楔橫軋、輥鍛、模鍛、粉末冶金鍛造等。目前，連桿成形主要采用楔橫軋或輥鍛制坯+模鍛精成形的生產工藝。楔橫軋和輥鍛等對模具的使用壽命和設備噸位要求較高，采用鑄造生產的連桿有縮松縮孔等鑄造缺陷。

近些年非調質鋼廣泛應用于連桿的生產，這種鋼是在低合金鋼或中碳素結構鋼的基礎上中加入微量元素釩、鈦、鈮等，通過控制加熱溫度、加熱速度、冷卻速度等方式，使材料在鍛后或扎后就獲得較好的綜合力學性能和均勻的微觀組織，不必再進行調質熱處理。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術存在的一些缺點，提出了一種非調質鋼連桿毛坯成形的鑄鍛復合工藝，即首先鑄造成形出連桿的鑄件坯，然后進一步對其進行鍛造成形，消除鑄造疏松、氣孔等缺陷并細化晶粒，獲得滿足表面精度和尺寸要求、性能良好的連桿毛坯。發動機連桿成形的鑄、鍛復合成形，，不只是簡單意義上的二者疊加，而是將相互之間的優勢劣勢互補，從而改善產品的性能，提高了連桿的使用壽命，降低生產成本。

為解決上述技術存在的缺點，本發明采用如下具體方案實現的，結合附圖說明如下：

一種非調質鋼汽車連桿毛坯的鑄鍛成形復合工藝方法，包括如下步驟：

a)熔煉非調質鋼；

b)澆注成形連桿鑄件坯：將熔煉好的非調質鋼金屬液通過澆注系統注入鑄造模具中，充型凝固，鑄出鑄件坯；

c)將鑄件坯冷卻落砂：空冷至常溫后落砂；

d)表面清理：清理澆冒口、毛刺和鑄件坯表面的砂；

e)將鑄件坯加熱；

f)模鍛成形：將加熱后的鑄件坯放入鍛造模具中最終成形；

g)將鍛件坯切邊；

h)將鍛件坯調控冷卻。

技術方案步驟b)中所述鑄造模具，由上模、下模、澆注系統和冒口組成，一模四件，分型面設置在連桿鑄件坯水平橫置一半的平面上，為保證金屬液在充型時流動平穩，鑄件坯水平放置，采用中心頂澆鑄，鑄件坯型腔均勻分布在澆注系統的四周，金屬液從澆口杯直接進入直澆道，在直澆道末端設置直澆道窩，充分緩沖金屬液的流動速度，內澆道水平切入鑄件坯的大頭，冒口分布在內澆道切入處用于補縮。

技術方案步驟b)中所述鑄件坯的尺寸，是根據非調質鋼鑄件坯鍛造時的鍛造比，材料的鑄造收縮率、起模斜度、工藝補正量和后續鍛造工藝等因素得到鑄件坯的尺寸；所述鍛造比，主要是指能夠有效消除鑄坯中的縮松、縮孔和氣孔缺陷，細化晶粒，并且成形出合格連桿鍛件坯所需的最小鍛造比。

技術方案步驟b)中所述鑄件坯是采用普通砂型鑄造方法鑄造，鑄坯時采用一模多件；鑄件坯鑄造過程中直接鑄造成形出連桿大小端孔。

技術方案步驟e)中所述加熱是指：使用中頻爐緩慢加熱鑄件坯到1150～1250℃。

技術方案步驟f)中所述鍛造模具采用閉式熱模鍛，由終鍛模膛一次成形；分模面選在具有最大水平投影尺寸的位置上，為了便于發現上下模在模鍛過程中的錯移，分模位置選在鍛件坯側面的中部；終鍛后由沖連皮工序清除兩端孔內生產的連皮。

技術方案步驟f)中所述模鍛成形，模鍛的加熱溫度控制在900-1100℃之間。

技術方案步驟f)中所述的鑄件坯放入鍛造模具中進行鍛造，鍛造工藝采用閉式熱模鍛，包括終鍛和沖連皮兩步工序；

技術方案步驟h)中所述冷卻是指：所述的非調質鋼連桿鍛件坯控制冷卻在通過式的輥鏈爐中進行，通過式的輥鏈爐分三區控溫，一、二具有加熱與冷卻功能，三區只有冷卻，連桿鍛件坯通過后可通過控制各區的溫度，實現冷卻速度的控制；鍛件坯入爐溫度、出爐溫度和連桿在爐中的運行時間由非調質鋼材料的冷卻工藝合理選擇，出爐后空冷。

所述非調質鋼汽車連桿毛坯的鑄鍛成形復合工藝方法還包括如下步驟：

1)噴丸處理；

2)檢測。

與現有技術相比本發明的有益效果是:

1)本發明所研究的汽車發動機連桿不僅幾何形狀復雜而且對使用性能也有嚴格的要求。鑄鍛復合成形工藝集合了鑄造工藝和鍛造工藝的優點，非常適合加工對性能和精度要求都很高且結構復雜的零件。

2)本發明采用的鑄鍛成形復合工藝，能一次性獲得近終產品的連桿，可有效降低能耗，提高生產效率。

3)本發明先鑄后鍛得到連桿部位，由于是模鍛成形，因此金屬流線更合理，大大提高零件使用壽命。

4)本發明使用鑄造工藝代替預鍛步驟鑄造出連桿的毛坯；再通過閉式熱模鍛實現金屬組織由鑄態向鍛態的轉變，細化晶粒并改善連桿的局部鑄造缺陷。

5)本發明采用非調質鋼，省去了后續的調質處理，因此具有節能和環保的優點。

附圖說明

下面結合附圖對本發明作進一步的說明：

圖1是本發明所述非調質鋼汽車連桿毛坯的鑄鍛成形復合工藝方法工藝流程圖；

圖2a是發動機連桿鍛件坯剖視圖；

圖2b是發動機連桿鍛件坯正視圖；

圖3是發動機連桿鑄件坯圖；

圖4是發動機連桿鑄件坯澆注示意圖；

圖5a是發動機連桿毛坯的熱模鍛模具圖；

圖5b是發動機連桿毛坯的模具型腔圖。

圖中：1表示分模面；2表示分型面。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作詳細的描述：

一種非調質鋼連桿毛坯的鑄鍛成形復合工藝方法，所述復合工藝是指先鑄造出連桿的鑄件坯，然后再通過鍛造工藝消除鑄造疏松、氣孔等缺陷并細化晶粒，并達到表面精度和尺寸要求，從而復合成形出連桿的毛坯，包括如下步驟：

1)確定鑄件坯尺寸

根據連桿的鍛件件圖，結合鑄造工藝特點、鑄坯鍛造的最佳鍛造比、以及模鍛成形工藝要求，確定鑄件坯的尺寸，即鑄件坯圖。

2)確定鑄造工藝，設計鑄造模具

根據已確定的連桿鑄件坯圖，確定鑄造工藝，設計鑄造模具。

3)確定鍛造工藝，設計鍛造模具

根據連桿鍛件圖，結合鑄件坯尺寸，確定連桿鍛造工藝，設計鍛造模具。

4)非調質鋼連桿的鑄鍛成形復合工藝流程如下：

a)熔煉：熔煉非調質鋼，提高氮的含量，有利于鋼的強度；

b)澆注成形出連桿鑄件坯：將熔煉好的金屬液通過澆注系統注入鑄造模具中，充型凝固，鑄出鑄件坯；

c)冷卻落砂：空冷至常溫后落砂；

d)表面清理：清理澆冒口、毛刺和鑄件坯表面的砂等；

e)加熱：使用中頻爐緩慢加熱鑄坯到1150～1250℃左右；

f)模鍛成形：將加熱后的鑄件坯放入鍛造模具中最終成形，模鍛溫度控制在900-1100℃；

g)切邊：切除多余飛邊；

h)調控冷卻：鍛后冷卻在通過式的輥鏈爐中進行，入爐溫度不低于800℃。

確定鑄件坯尺寸：

首先須確定最佳鍛造比，所述最佳鍛造比是指能夠有效消除鑄坯中的縮松、縮孔和氣孔等缺陷，細化晶粒，并且成形出合格連桿鍛件所需的最小鍛造比，最佳鍛造比可通過實驗或有限元分析確定；然后根據連桿鍛件圖，也就是冷鍛件圖，要對冷鍛件圖進行熱縮放，由材料收縮率和尺寸公差確定熱鍛件圖；最后根據連桿大小兩端的外部尺寸和大小孔徑、桿部的橫斷面尺寸和長度、材料的鑄造收縮率、起模斜度、工藝補正量等因素，由熱鍛件圖確定其鑄件圖。

確定鑄造工藝，設計鑄造模具：

所述連桿鑄造工藝確定主要包括：鑄坯采用普通砂型鑄造方法，轉包澆注，鑄件坯的成形可一模四件；連桿鑄件坯為對稱鑄件，分型面設置在連桿鑄件坯水平橫置一半的平面上，鑄造模具由上模、下模、澆注系統和冒口組成，一模四件，為保證金屬液在充型時流動平穩，鑄件坯水平放置，采用中心頂澆鑄，鑄坯型腔均勻分布在澆注系統的四周，金屬液從澆口杯直接進入直澆道，在直澆道末端設置直澆道窩，充分緩沖金屬液的流動速度，內澆道水平切入鑄件坯的大頭，考慮到補縮距離和熱節處位置，冒口分布在內澆道切入處用于補縮。

確定鍛造工藝，設計鍛造模具：

所述連桿鑄件坯的鍛造工藝的確定包括：采用閉式熱模鍛，由終鍛模膛一次成形；分模面選在具有最大水平投影尺寸的位置上，為了便于發現上下模在模鍛過程中的錯移，分模位置選在鍛件側面的中部；確定鍛件形狀復雜系數、材質系數、鍛件收縮率、始鍛溫度和終鍛溫度等；終鍛后由沖連皮工序清除兩端孔內生產的連皮。

所述的非調質鋼連桿鍛件坯控制冷卻在通過式的輥鏈爐中進行，通過式的輥鏈爐分三區控溫，一、二具有加熱與冷卻功能，三區只有冷卻，連桿鍛件坯通過后可通過控制各區的溫度，實現冷卻速度的控制；鍛件坯入爐溫度、出爐溫度和連桿在爐中的運行時間可由非調質鋼材料的冷卻工藝合理選擇，出爐后空冷。

發動機連桿毛坯的鑄鍛復合工藝流程還包括如下步驟：

6)噴丸處理：使連桿表面發生塑性變形，形成一層強化層，提高疲勞強度；

7)檢測：檢測連桿的尺寸和內部組織結構是否達到要求。

附圖2為某汽車廠生產的發動機連桿毛坯鍛件圖，鍛件材料為c70s6，應用本發明成形工藝流程如下：

1)確定鑄坯件尺寸：根據連桿鍛件圖，結合鑄造工藝特點、鍛造比和鍛造工藝要求，確定鑄件坯的尺寸，即鑄件坯圖；

2)確定鑄造工藝，設計鑄造模具：根據已確定的連桿鑄件坯圖，確定鑄造工藝，設計鑄造模具；

3)根據連桿鍛件圖，結合鑄件坯圖和連桿鍛造工藝要求，設計鍛造模具；

4)冶煉澆注：采用砂型鑄造工藝，每個鍛件質量約為0.8kg，鍛件長度約為186.25mm，大頭寬度74.5mm，小頭圓直徑34.5mm，厚度24.6mm；桿部寬度23mm，厚度14mm，凹槽深度5mm；

5)冷卻落砂：在空氣中冷卻到常溫后落砂；

6)表面清理：清理澆冒口、毛刺和鑄件坯表面的砂等；

7)加熱：采用中頻感應加熱爐將鑄件坯加熱至鍛造工藝所需的溫度1150～1250℃；

8)閉式熱模鍛成形：將加熱后具體一定溫度的毛坯放入閉式模鍛模具內進行模鍛成形，模鍛溫度控制在900～1100℃，最終模擬分析得到最佳壓扁量3mm；

9)切邊：切除多余的飛邊；

10)調控冷卻：在通過式的輥鏈爐中進行，入爐溫度不低于800℃，設備三區控溫，一、二具有加熱與冷卻功能，三區只有冷卻，溫度控制在250～500攝氏度，連桿在爐中的運行時間為12～15min，出爐后空冷；

11)噴丸：采用噴丸去除氧化皮，使連桿表面發生塑性變形，形成一層強化層，提高疲勞強度；

12)檢測：檢測連桿的尺寸和內部組織結構是否達到要求。