铝合金连杆锻件复合模具设计方案

据初步统计，1985年铝锻件占世界锻件总产量的0.5%（1.8万吨），2008年上升到18%左右。目前，世界上消耗锻件约450万吨/年，其中铝锻件约是80万吨/年。随着铝合金锻件的市场应用越来越广泛。生产厂家对锻件产品生产效率的提升也是越来越高。其中，铝合金锻造连杆就是一种典型的案例，铝合金连杆生产工艺中，一般的锻造工序流程包括制坯、预断、终锻、切边、冲孔、矫正。传统的铝合金连杆锻件生产过程中，切边工序、冲孔及矫正工序均是独立分开的，均采用独立的切边模具、冲孔模具和矫正模具，将上述各模具安装到设备上进行单独的切边、冲孔和矫正，由于每个工序均有独立的模具，独立的机床操作。由此造成了企业生产成本高、投入资金大的问题，所以迫切需要设计一种能将切边、冲孔及矫正复合集于一体的模具结构来缓解生产压力。

本文将详细阐述一种比较典型的4032铝合金连杆的整体设计流程和方案。利用UG三维造型，设计出锻件、锻造模具、切边模具、热处理工艺。再将三维模型导入Deform模拟分析软件中进行过程模拟，对各模具部件的运动方式进行分析，设计合理的模具部件结构。方便读者对部件运动过程的理解，充分理解工艺流程，以及切边复合模具的工作原理，掌握铝合金锻造整体工序流程。

锻件图设计和预锻、终锻模具设计

连杆终锻件的设计如图1所示，一般要按照客户图纸要求进行，保证各部分结构合理、流线通畅、光滑平顺、圆角、斜度、尺寸合理。利用UG建模造型如图2所示，设计预锻、终锻、切边模具、UG制图进行出图加工。

图1 连杆终锻件二维图

图2 连杆终锻件三维数模

通常设计，终锻大头料芯内部设计成平直的。但是实际生产中会有涡流出现。此连杆大头头部设计时如图3所示，芯部考虑设计一个储料槽，容纳多余的材料。锻造模具采用常用热锻模具钢H13，结合实际生产方便，布局采用横向排布。同理设计出预锻，终锻模具如图4所示。坯料加热温度465℃。根据实际生产需要，设计出飞边仓部，容纳多余金属材料。

图3 大头芯料

图4 预锻终锻模具造型

切边模具的工作原理

图5为复合切边模具装配剖面图，上模板1整体固定在冲床的上工作台，下模板16固定在冲床的下工作台。利用冲床的上下运动，带动上模上下运动。模具配合好后，通过导柱、导套来进行导向，进行精确定位。将预锻、终锻后的产品放置于下模的型腔中，利用切边下模芯8进行定位。上模在向下运动过程中，同切边下模芯8一起将产品带动向下运动。首先，通过切边下模4，将连杆的飞布边切除。继续运动向下，利用切边冲头12将连杆的大头飞边冲孔冲掉。然后，上模带动下模一起继续向下运动，利用切边上模芯18和切边下模芯8，包裹产品，完成整形矫正。过程中，要控制连杆的的下压量，这个需要通过调试获得稳定的数值后，进行固化，保证产品的整体厚度尺寸。完成整个下降冲压动作，上模抬起后，利用上卸料板3，将产品飞边推下，将产品连同飞边留在下模。最后，利用下模弹簧15，将下模复位。连同产品一起，将产品顶出，利用铁钳将产品取出，紧接着将冲孔芯料取出。下模型腔在上下运动的同时，利用下导柱13来进行精确导向，保证整个过程平稳进行。通过一次上下机械运动完成连杆的切边冲孔、矫正工序。

1-上模板 2-卸料弹簧 3-卸料板 4-切边下模 5-垫板 6-导套7-导柱 8-切边下模芯 9-螺钉10-螺钉 11-螺钉 12-切边冲头13-下导柱 14-螺钉 15-弹簧2 16-下模板 17-内六角 18-切边上模芯19-螺钉

图5 复合切边模具装配剖面图

模具材料

模具材料和热处理的选择根据使用要求进行合理选择，通常在选择的时候会考虑到工作环境，疲劳程度。预锻、终锻，模芯8和18选择H13或者5CrNiMo热模钢，导柱选择高碳Cr轴承钢。切边弹簧可以选择普通弹簧或者聚氨酯弹簧,其余可以根据自己公司现有配件自由组合。

锻造过程模拟

锻造过程分预锻（图7）和终锻（图8）。预锻、终锻加热温度为460℃。通过一次加热，终锻出连杆锻件（图9）。预锻根据实际生产，调整各部分拐角光顺度。通过Deform模拟分析，可以方便的看出，材料温度分布 、饱满度、应力分析、缺陷产生等,再根据实际生产，调整。图10所示的连杆实物飞边均匀，填充饱满。

图7 预锻图示

图8 终锻图示

图9 终锻连杆锻件

图10 连杆实物

热处理

设计专用热处理工装，保证连杆之间热处理时有足够的产品空间。产品随炉温升至507±5℃时，保温时间6h+0.5h/0。固溶转移时间≤15s。时效热处理，产品随炉升温至170±5℃时，保温12h+0.5h/0。开炉，将产品降至常温后，取出放置于专用料框，方便下道工序流转。

结束语

通过设计合理的预锻、终锻模具、选择合理的材料，完成连杆的成形工序。设计一种铝合金切边冲孔矫正复合模具，利用铝合金塑性变形的特性，通过一次往复运动来解决三道工序的生产过程，既节省了人工成本、模具成本，也提高了生产效率、提高了企业竞争力。

此铝合金复合模在生产使用的过程中非常实用，不仅每班次生产效率提升，模具寿命得到提高，而且通过连续生产的验证，此工艺所生产的的产品，稳定性大大提升，得到客户的一致好评。此类复合模具设计结构稍做更改，也可以应用到其他产品中，通用性极强。希望给想整合切边、冲孔、矫正工序的朋友带来很好的选择参考效应，是一套值得效仿的复合模具设计方案。

—— 来源：《锻造与冲压》2019年第15期

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