【《汽车连杆的工艺性分析及其工艺方案的选择案例分析》8600字】

汽车连杆的工艺性分析及其工艺方案的选择案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u11652汽车连杆的工艺性分析及其工艺方案的选择案例分析 1178611.1汽车连杆工艺性分析 1241971.340Cr连杆锻造工艺流程设计 3273661.3.1下料 441781.3.2锻造的制造方案设计 453981.3.3锻造工艺设计 5270421.3.4锻造余热淬火与回火 9157811.3.5后续精整工序 101.1汽车连杆工艺性分析本次设计选择的材料为40Cr，因为40Cr的抗拉强度、屈服强度及淬透性比普通钢材好，而且其具有较高的疲劳强度和良好的韧性，在正火或调质后可切削性也较好。连杆杆件是指传动机构中轴的两端分别同时铰接于主动、从动的构件之间,以便同时传递最大运动力和加速推进的传动杆件。例如在连接往复驱动活塞式空气动力机械和空气压缩机中，活塞与曲柄经连杆的铰接而连在一起。连杆杆身部分多有凹槽，因此其截面是工字型的。连杆大头和小头有孔，并且将青铜衬套装在连杆大头孔和小头孔内，在装入轴销后使其形成铰接的形式。而连杆在汽车发动机中有连接活塞和曲轴的作用，它能转化相应的运动效果，使原来作往复直线运动变为作旋转形式的运动或者使原本作曲线运动转化成了直线运动。它把作用在活塞上的力传递曲轴，又经曲轴输出功率。连杆在工作的过程中，不仅要承受燃烧室燃气产生的压力，而且还要承受纵向和横向的惯性力。该零件的特点是形状过于复杂，没有办法一次成形，要经过多次才能成形。因此本设计的关键就是采用一定的工艺措施，制造出符合符合要求的连杆零部件。经过上文的分析可知：连杆的锻件必须要有良好的尺寸精度；公差等级应该在IT6-IT7级之间；连杆锻件的表面粗糙度Ra在0.8到1.6之间；坯料必须充满模膛。1.2锻造设备的选择锻造是指金属在模具作用下产生塑性变形，变形为特定形状尺寸零件的成形工艺，同时零件内部组织结构得到改善，力学性能得到提高[8]。目前大多数汽车产业都采取锻造成形工艺，来制造出不仅形状结构复杂而且力学性能优良的连杆零部件。连杆的锻造不可能是经过一次锻造就能够成形的，而是要经过好几个步骤才能锻造成功。一般通过制胚、粗锻、终锻等几个步骤才能锻造成形。根据不同成形阶段选取设备的不同，又可将锻造成形的工艺分为很多种。(1)模锻锤上模锻利用锤上模锻的工艺锻造连杆一般是以下步骤：加热、模锻的锻锤进行拔长、滚挤、粗锻和终锻成形，最后再切边[20]。目前由于许多厂家的设备没有及时更新，仍然有采用模锻锤模锻工艺来制备连杆锻件。采用模锻锤模锻工艺来制备连杆锻件具有产效率低，材料的利用率低，废品率高等缺点，所以该制造工艺方法几乎没有市场竞争力。随着科学技术的不断发展该制造工艺将逐渐淘汰直至消失不见。(2)摩擦压力机上模锻摩擦压力机锻造连杆的工艺主要分为两种，一种是成形工艺与模锻锤工艺制造方法差不多，不需要设置粗锻工步。它的工艺过程如下：经高压加热，采用高压空气模锻锤的方法加工制备连杆毛坯，在同轴摩擦传动压力机上经过终锻后的锻造连杆，最后对其切边进行连杆切边面的修整。由于在进行切边时连杆件部分位置容易出现撕裂，因此需要在模具的飞边槽设计时减小易撕裂位置处的飞边槽桥部高度。另一种毛坯成形操作方法与自动热模锻造型压力机相近，首先我们采用了自动辊锻毛坯成形机和连杆锻造毛坯，并在连杆毛坯上分别设置了粗锻成形工步。摩擦压力机的抗偏载能力相对较差，因此粗锻和终锻的工步应该分别布置在不同两台大型摩擦压力机，具体的粗锻制作工艺流程一般可以如下:首先在一台感应炉中直接进行粗锻加热，再通过辊锻方法制造出毛坯，在另一台大型摩擦压力机上实现终锻成形，最后对其切边进行毛坯切边和尺寸校正。而且与第一种工程技术相比较，第二种工程技术的产品质量还是其产品生产的工作效率都更好。摩擦传动压力机由于摩擦传动压力机的主要投资相对较少，并且其汽车锻件的质量也很好，目前国内中小型车制造厂家主要上都是通过选择各种摩擦传动压力机产品来开发生产各种连杆式汽车锻件。本次对汽车连杆的设计主要是针对中小批量连杆的生产，因此选择锤上模锻的锻造方式，而且相对于摩擦压力机模锻，锤上模锻工艺的成本更低，与本次设计的要求也吻合的。对于连杆坯料的确定以及锻锤吨位的确定：锻件的总变形面积是锻件在水平面上的投影面积加上飞边水平投影面积。飞边平均宽度假定为23mm。则总的变形面积S=（10664.13+521.6623）mm=22661.31mm利用公式G=（3.5~6.3）KA，计算G的值选择锻锤。查阅资料可知40Cr的含碳量是0.37~0.44，因此40Cr是合金结构钢。查阅相关资料（参照《锻造技术速查手册》）[22]K的取值为1.25，则可得到G=6.3KA=6.3×1.25×10664.13=83980.02；选用1t模具锻锤。1.340Cr连杆锻造工艺流程设计通过查阅资料可知，40Cr钢材的锻造工艺流程有如下两种。1、最终热处理为淬火+高温回火的，流程的主要环节为：下料→模锻→空冷→正火→空冷→淬火+高温回火→强化抛丸→机械加工淬火与回火：将零件经过高温加热到Ac3或Ac1点以上并进行一段时间的保温。之后使其以一定的冷却速度冷却，从而获得马氏体或贝氏体组织。再经过高温加热，使其温度到Ac1以下，对其进行保温，然后在同一室温继续进行冷却淬火与停止回火的一种冷处理淬火工艺，能够有效地保证使得这种钢件在高温加热冷却过程中能够获得优质的固体组织及其耐热性能。2、以加工模锻+高温余热强化淬火+锻造高温强化回火为最后的模锻热处理，流程的主要组成环节分别顺序为：模锻下料→加工模锻→上料锻造高温余热强化淬火→锻造高温强化回火→上料锻造高温强化余热抛丸→机械加工通过比较，本次设计选择2比较适合1.3.1下料因为汽车连杆是一个长条形的棒材，所以根据毛坯尺寸，使用挤制和冷拉成型棒材制造连杆毛坯并进行下料。剪切和锯切是常用的下料方法。剪切：剪切的下料方法是普遍应用于工艺生产的，并且剪切分为全封闭式、半封闭式，其一般都是剪切模上进行的。优点是其材料不易浪费，生产率可观；但是其有毛坯形状欠缺规则的缺点。锯切：锯切毛坯工艺一般采用圆形往复锯或者采用圆盘锯来下料，毛坯的下料端面比较平整，尺寸精确，形状比较规则，但是下料生产率相对较低，并且这样会容易造成毛坯锯屑的大量损失。采用高速备料带锯加工下料，既能大大提高建筑材料的加工生产率，又一定能严格遵循建筑毛坯的整体形状加工规律，是一种先进的建筑材料带锯备料加工技术。但是由于带锯方法线条的连续使用寿命相对较短，影响了该带锯方法在目前我国的有效推广和广泛应用。根据本次设计需要，选用高速带锯下料。1.3.2锻造的制造方案设计经过对于汽车半轴机械零件制造工艺进行分析我们可知，汽车半轴机械连杆的设计和制造方法主要有以下几种：开始时采用辊锻法制坯，再粗锻，最后终锻，终锻采用闭式模锻。开始时采用辊锻法制坯，再进行模锻制坯，然后粗锻，最后终锻，终锻采用闭式模锻。开始时采用辊锻法制坯，再粗锻，最后终锻，终锻采用开式模锻开始时采用辊锻法制坯，再模锻制坯，再粗锻，最后终锻，终锻采用闭式模锻对以上方案进行分析：终锻采用闭式模锻通过查阅资料[21]，若采用闭式模锻必须满足如下的条件：坯料体积准确坯料能够在模膛内定位并且形状合理可以控制设备的打击能量或打击力设备上有顶出装置此次设计中，若终锻时采用闭式模锻很难得出精确尺寸的锻件，因此时不太适合的。采用开式模锻进行终锻开式模锻为了能让多余金属流出，会在其中设置飞边槽的装置。因此，即使坯料体积和零件实际体积有偏差，在设置飞边槽后也能得到比较合理的零件尺寸。所以本次设计终锻也是选用开式模锻的方式。只使用辊锻制坯辊锻制坯的方式是我们常用的制坯方式，但是如果只是用辊锻制坯很难控制坯料成形的形状，所以是不够的。辊锻制坯和模锻制坯混合先辊锻再模锻，这样能更好的控制坯料成形的形状连杆锻件的尺寸。根据上面分析，采用第四种方案是更适合的。本次连杆选用方形料，其长220mm，宽104mm，厚40mm，体积为915200mm31.3.3锻造工艺设计锻造的强化效果与锻造工艺有很大的关联，而锻造的时候的加热温度、变形量、锻造后所停留的时间以及锻造余热淬火后回火和锻造淬火温度等参数是其中的主要参数。（1）锻造温度范围的确定始锻温度和终锻温度之间的这段温度被成为锻造的温度范围。锻造工艺是否能够成功，其中一个因素就是取决于锻造的温度。而提高加热温度会一定程度上的提高金属的塑形以及加强其变形抗力，但是如果加热温度过高，加热缺陷也会随之增多；始锻温度高和终锻温度低设计能有效的减少火次，节约能源。并能使生产的效率得到更大的提高。但如果终锻温度过于低的情况，材料内部会产生硬化，甚至会有锻造的裂纹。因此选用锻造温度是尤为严格，不能随便高也不能随便低，需结合材料的性能来决定的。锻造温度需如何选择，囊括于以下几点原则：在金属材料的变形抗力有明显减小区间时，该区间内内的温度可以选作锻造的温度；若要使金属很少被氧化甚至无氧化，锻造的温度就要选在其有强烈氧化时的温度之前。金属材料变形的时候，金属材料与其使用润滑剂最小摩擦系数之间会有一个温度范围，锻造的温度也应该选在这段温度范围内。通过长期的生产实践和许多的实验室工作研究，现有各种金属材料在锻造时所需要的温度区间范围都已经确定，可从相应的手册中查得。确定锻造温度范围的基本原则是：要求锻造金属在一定的金属锻造时间温度所在范围内，必须能够具备良好的耐热性和塑性及其具有低变形抗力的性质；其锻造温度的选择必须能够精炼加工得到优质的金属锻件；而在锻造时的锻造温度的范围应该尽可能地宽广些,以便于尽量减少金属的热处理的火次,提高了金属锻造的工业生产效率。碳钢的温度可以以铁碳相图为依据来确定。对于多数大型铝合金金属结构类型钢在进行锻造时所用的气体温度变化范围，可以从与其他铸造材料中主要含碳氧化率相同的几种铝合金结构钢来分别进行综合考虑。但是对于热加工塑性温度要求比较低的各种高合金钢，以及不会直接发生加工温度变化改变的特殊钢种(就是例如铸钢奥氏体热铸钢、铁素体钢)，则必须经过长期实践，才能订出合理的锻造温度。各类钢的锻造温度范围概括于表1.1表1.1各类钢的锻造温度范围三线表[21]钢种始锻温度（℃）终锻温度（℃）锻造温度范围（℃）普通碳素钢1280700580优质碳素钢1200830400碳素工具钢1196770330合金结构钢1150-1200800-850350合金工具钢1050-1150800-850250-300高速工具钢1100-1150900200-250耐热钢1100-1150850250-300弹簧钢1100-1150800-850300轴承钢108080028040Cr主要技术特征之一是那就是它的材料淬透性好，经淬火+高温回火后能提高它的屈服强度以及它的疲劳强度，而且热处理后的40Cr的韧性也比较好。其材料即使在830℃-860℃的高温，也能有很高的强度以及很好的淬特性。因此要使40Cr在不被氧化情况下并具有良好的塑性，其温度不能太高但也必须超过830℃。根据大量研究实践总结，40Cr的锻造温度可选在1050到1200摄氏度之间。由于钢的形变温度远远超过了形变奥氏体后再结晶的温度，从对锻造后余热淬火和形变效果的角度考虑，始锻后的温度一般不宜太高，应尽量降低或减缓奥氏体晶体内部缺陷在高温下因为动态或者静态而导致的再结晶和长大。同时，也需要注意防止奥氏体晶粒在形变的过程中发生内摩擦而使得锻件的温度升高，促使其他奥氏体晶粒的粗化。在完全保证锻造和成形的必要条件下，始锻时的温度一般应比普通锻造工艺略低。所以当终锻的温度超过950℃时，应该采用起锻温度的最小值为下限。当终锻温度值小于900℃时，应取开始锻时温度值的上限。原则上只要对一个工件进行形变淬火时其表面温度不可能低于相变临界点A3的温度，淬火时不会产生非马氏体组织。根据上面的考虑，粗锻时温度选择1150℃，终锻温度为850℃。（2）锻造变形量JB/T4202规定了形变淬火时最佳的形变材料质量大约是25%-40%，因为只有当形变材料质量超过20%时，尽管发生了动静态的再结晶，但仍然保留了明显的亚结构强化效果，例如亚结构的细化，但是韧性明显地得到了改善。一旦变形量密度小于20%时，高温下加热时奥氏体晶粒的尺寸原本就粗化，较小形变量会导致局部的形变、结果晶粒的粗细不均，对钢材的强韧性也没有良好的控制作用。而更高的形变度，则可能会因为形变热量的增加，再结晶后的颗粒容易生长，影响其最终强韧化。（3)锻后停留时间在进行高温注塑成型后一般还是需要切边、精整等后期工序，而终锻的温度都要远远高于奥氏体再结晶的温度。在锻造后淬火前的这段时期内，锻件内部的组织结构及其主要成分都会发生改变，必然也就会直接影响到锻造余热淬火后的加速度。较长的精钢冶炼期在锻后较短停留时间，将来会有极大可能导致发生奥氏钢晶体形态改变后通过奥氏体形变位错的各种动态形变多边化、再结晶和进一步固化成型的持续过程，以及在这种形变的持续过程中由于通过奥氏体形变溶解析出碳化物量的大大减少，析出的一些碳化物在较短停留时间里被重新充分溶解，并且同时会直接引起各种不同合金金属要素的混合再分配，从而直接性地影响和得到不锈钢的强韧性和精钢冶炼锻的效果。由于在低碳钢的上述两种工艺生产过程中所需要进行的原料加工工艺速度相对比较迅捷，中、高合金钢生产工艺比较缓慢。例如当一种合金钢的刚性形变暂时不能终止，正常的钢处于连续加热与回复再结晶的结合状态，回复和加热再结晶的持续过程比较缓慢，过长的热停留时间，会直接影响引起一种奥氏体晶粒明显密度增加逐渐长大，或自行对奥氏体中部进行分析分离出的一种铁素体，其提高强韧度的性能很有可能甚至会远远低于正常合金加工的钢调质的强韧状态。建议大家使用的低碳钢在热锻后的两种停留时间一般应分别小于60s，合金钢在热锻后的两种停留时间一般应分别小于20s-60s。（4)锻热淬火温度锻造余热淬火：它是一种将钢材加热至稳定的奥氏体状态，保温后在该材料的高温下发生可塑性变形，然后对其进行预冷淬火，获得奥氏体组织的一种淬火工艺，此过程也被称为锻造余热淬火。这种技术就是把压力加工和热处理有机地融为一体，并且能够取得优秀的动力学性能及节约资金的工艺手段。采用锻造式流体淬火工艺制成的新型连杆部件相对于普通的淬火热处理来说需要具有较高的机械增强度和韧性，特别是需要十分注意连杆的屈强比，这可以使其得到很大的最小幅度得到改善。在采用锻热淬火的工艺时，应该要严格地控制起始锻和加热温度，40Cr钢的起始锻和加热温度一般应不低于1200℃，否则会直接影响到锻热淬火的加速和强化效果。铸件采用高压锻热自动淬火工艺制造的铸钢连杆铸件具备较高的耐热回火性和稳定性，在连杆能够直接获得与普通铸钢热处理相同的钢硬度的回火条件下，回火后的温度控制要求比普通铸钢热处理更高，40cr值比钢高30~50℃。淬火当材料采用高压锻热方式淬火时,冶炼炉锻后材料到锻热淬火点的停留时间宜尽可能地将其缩短,40cr类型钢连杆的淬火长度宜尽量控制在30s以内,否则这将会严重直接影响材料加工和工件强化的加工效果。通过上述分析，本次连杆设计选用锻热淬火温度为1100℃。1.3.4锻造余热淬火与回火许多厂家一般都是采用调质钢的余热淬火热处理，利用余热淬火和模锻高温回火两种方法进行淬火，余热淬火是借助于模锻过程中的金属形变效应，提高了淬火的适应性，同时还可以避免二次氧化和脱碳。冶炼精炼后进行淬火、冷却介质前的各个工件表面温度。此温度的高低与始锻过程中的温度、形变方式、形变剂量、形变速度、锻后的停留时间和周围环境中的温湿程度有着紧密的联系。一般来说，模锻的形变速率很高，大多数都是一次性的加热制作。由于工件的锻热淬火温度相对偏高，均保持在950℃以上。而由于辊锻的形变速率低，形变量大，需经过几道辊轧，一般的淬火温度控制在900℃左右。当锻热淬火温度高时，有利于改善钢的耐磨性和淬透能力，对碳素结构钢具有重要的实际意义。然而，由于锻热淬火产生的强韧性腐蚀效果来说却是不好。较低的淬火温度只要选择合适的淬火介质，也就可以充分地发挥出锻热式淬火的作用。根据所需要使用的不同钢种、锻造的钢体形状、尺寸和流体动力学稳定性能等相关技术标准要求，淬火的应变温度范围应该一定是在这种钢的相对应变温度临界点上的Ar3及以上Arcm以上或是在Arcm-Ar1之间的某一个额定温度。本工程设计中余热材料40cr常用的的余热调质回火方法主要分为有两个回火步骤:余热900℃左右采用油淬余热→650℃回火后水冷，回火方式采用连续余热推进式采用高压余热电阻炉。热处理时还应严格控制熔体金相金属组织、硬度和金属氧化物的脱碳，淬火后的金相组织宜均匀为细小的高温马氏体，回火后的金相组织宜为均匀的细小的回火索氏体。另外采用锻造余热淬火存有锻造应力，为防止淬火件的畸变和开裂，热处理厂加工车间生产审批人员应及时回火。产品质量严格确保公司需要一名具有多年生产经验的专业热处理工程技术专业工人陪同来公司进行产品施工准备操作，并且公司配备了红外射频计量器对其产品进行实时加速测量监控，质检员按照了专业的生产工艺流程执行。1.3.5后续精整工序（1）切边与冲孔开式模锻锻出的模锻件周围均带有横向飞边，而且本次设计的连杆件两头都有孔，这类飞边以及孔在模锻后都需要进行精密的清理消除，详细尺寸根据锻件尺寸进行修整。本次设计连杆大头孔直径系数是19.3mm，连杆小头孔直径为11mm。（2）挖槽本次设计连杆其杆身截面是工字型的，因此在杆身有一个长73.42mm，宽9.68mm的凹槽，具体精确尺寸在零件图上已标出，根据图纸精确进行挖槽修整。（3）校正在工业进行锻压产品制造的生产过程中，模锻、切边、冲孔、热处理等锻压制造技艺工序和锻压制品之间的机械搬运交换过程，由于制品冷却不均、局部负荷承受力、碰撞等多种自然原因，肯有可能直接造成制品产生弯曲、扭转等制品变形。当规定锻件的手动变形校正数量已经大大超出了规定锻件变形示意图或在技术规范要求的变形允许值控制范围内，必须直接采取变形校正的手动工序方式进行。校正方式可以大致分为两种，热模式校正和冷校正，热模式校正一般主要用来应用于中、大型钢制锻造，高合金和碳钢制造的锻件，高温热钛合金和耐热钛合金锻件以及在加工切边、冲孔时等各种复杂锻件形状的钢制锻件。冷温度校正主要广泛适用于不锈钢、铝合金、镁合金等各种结构金属材料的中小型零件锻造以及在冷校正切边、冷冲孔、热处理和滚筒的热清洗等锻造工序中容易出现发生温度变形的大型锻造。结合本次选用的材料40Cr，本次选用热校正的方法进行校正。（5）精压精压法主要是对于已经加工成型的毛坯锻件或者粗加工过程中的毛坯进一步提高以及改善其局部或全身表面的粗糙度和大小尺寸精度的锻造技术方法，其主要优点有以下几个：在经过精压之后，锻件表面粗糙度会减小，而尺寸精度会更高。40Cr钢锻件经过精压，可使精度与成品达到±0.1mm之差，表面粗糙度也能减小到1.5μm的层次；精压机械是广泛指一种能够全部或者大多数机械零件都使用一定精力精压进行零件机械加工，节约了零件机械加工的大量时间，提高了机械生产率，降低了生产成本。精压减少或免去了机械加工的剩余，使得锻件的尺寸变得更大，降低了对原材料的消耗。精压可以使得锻件的表面发生变形或者是强化，增加了零件的耐磨度和使用寿命。（6）表面清理①表面清理的目的在加工锻造和研磨生产的整个过程中，为了有效地严格控制铸造锻件的研磨质量，防止锻件材料表面的一些缺陷逐渐向外扩展至内部，同时又为了能够便于及时检测、发现这些缺陷及及时提高铸造锻件在加工切削和研磨加工过程中的耐磨性能，就常常需要针对锻件坯体的原材料、半成品和加工锻件等零部分材料进行彻底性的清理，以便于消除锻件氧化后的毛皮和其他导致锻件材料表面的一些缺陷(例如锻件裂纹、折叠等)。表面清理的方法在生活中广泛采用的清理处理方式主要包括滚筒清理、振动清理、喷砂（丸）处理、抛丸清理和酸洗等方法。滚筒清理方式：滚筒清理是就是将两个锻件滚筒安装在一个高速旋转滚筒内，依靠相互的外力撞击与相互研磨作用来快速清理整个锻件的