作者：李斌
随着机械制造业的快速发展，特别是汽车、摩托车以及小型通用机械的快速发展，市场竞争日趋激烈，对锻件产品和锻造生产提出了轻量化、复杂化、精密化和高效化的要求。如对发动机连杆的质量公差要求由2. 5%降到1.0%，其材料利用率由50%提高到80%~90%，以铝代钢的趋势越来越大。
1 铝合金连杆体的结构及成形方法
铝合金连杆体见图1。其内孔尺寸精度要求为IOKN6～10 KN7、表面粗糙度(Ra达0.8～1.6 μm)，连杆体内不允许有砂眼、气孔和皱皮等缺陷存在。
铝合金连杆体常规加工方法为：挤压铸造和开式模锻后再进行切削加工。
挤压铸造后再进行切削加工的生产方法可以得到合格的铝合金连杆体，可以大批量工业生产；但由于挤压铸造的铝合金连杆体的表面粗糙度差，零件内部始终存在着气孔和夹杂等铸造缺陷，使铝合金连杆体的力学性能大大降低，难以满足使用性能要求；同时由于气孔、
夹杂等铸造缺陷的存在，使后续切削加工的产品合格率低，合格率仅能达到70%～80%。
开式模锻后再进行切削加工的铝合金连杆体，由于其无夹杂和气孔等缺陷存在，因此力学性能较好，能满足铝合金连杆体的使用要求，同时后续切削加工的产品合格率很高；而且开式模锻成形的铝合金连杆体锻件可以通过固溶处理和时效强化进行热处理强化，使其性能进一步提高。但是，在开式模锻成形过程中，为了保证铝合金连杆体的充填、避免模具的直接接触，必须有飞边和连皮存在；飞边和连皮是必须去除的材料，这样必然造成了开式模锻时铝合金材料的浪费，同时还增加了加工工序。因此，采用开式模锻后再进行切削加工的方法生产铝合金连杆体也存在着材料利用率低、生产工序多、生产成本高等问题。
为了解决挤压铸造和开式模锻成形方法存在的表面粗糙度差、内部气孔和夹杂等缺陷、材料利用率低、生产工序多、制造成本高等问题，一种生产铝合金连杆体的三向闭塞锻造成形技术得到应用。
2 锻件图和预制坯件图的制定
在三向闭塞锻造成形过程中，除了连杆体大头的半圆凹端面、弧形环上面的小槽、两个连接螺栓孔和小头的内孔和外端面需要后续的机械加工外，其他部位可以直接锻造成形。
图2为三向闭塞锻造成形铝合金连杆体的锻件图。
根据金属塑性变形前后体积不变的原理，可由计算毛坯图来确定其预制坯件的形状和尺寸。图3为预制坯件图。
3 有限元模型的建立
3.1 铝合金连杆体三向闭塞锻造数值模拟用几何模型
在铝合金连杆体的三向闭塞锻造成形过程中，由于坯料的塑性变形远远大于其弹性变形，因此采用刚塑性有限元法来模拟铝合金连杆体的三向闭塞锻造成形过程是合适的。
图4为基于Deform-3D软件平台、采用刚塑性有限元理论所建立的铝合金连杆体三向闭塞锻造数值模拟用几何模型，它是由上凹模、上圆凸模、上方凸模、下凹模、下圆凸模、下方凸模以及侧凸模组成。其成形过程如下：将预制坯放入下凹模内，待上、下凹模合模后，
上圆凸模、上方凸模、下圆凸模、下方凸模以及侧凸模按照一定的方向和运动速度进行锻造成形。
3.2 凸模的运动方式
对图4的数值模拟用几何模型，其凸模的运动方式有如下3种：①上凹模和下凹模合模以后，在上圆凸模、上方凸模向下运动的同时下圆凸模、下方凸模向上运动，侧凸模也沿水平方向向左运动；②上凹模和下凹模先合模，在上圆凸模、上方凸模向下运动的同时下圆凸
模、下方凸模向上运动以后，侧凸模再沿着水平方向向左运动；③上凹模和下凹模先合模，侧凸模沿水平方向向左运动以后，上圆凸模、上方凸模再向下运动，与此同时下圆凸模、下方凸模向上运动。
3.3模拟参数的设定
模拟选用的坯料材料为6063铝合金，模具材质为H13模具钢；温度设为20℃，坯料与模具之间的剪切摩擦因子取0.4。网格数为50 028，步长为0.2 mm，方凸模、圆凸模的速度v1=5.5 mm/s，侧凸模的速度v2 =22 mm/s。
4 模拟结果与分析
4.1 第1种凸模运动方式的模拟结果与分析
图5为第1种凸模运动方式方凸模、圆凸模行程在0～5.2 mm时的金属流动速度矢量场。由图5可知，在变形开始时（即方凸模、圆凸模的行程在0～2 mm过程中），金属的流动方向比较均匀，成形稳定，其中杆部金属主要流向需料较多一侧；当方凸模、圆凸模行程在2.0--4.8 mm过程中，刚开始金属主要流向小头一侧，当行程至3.6 mm时金属开始流向大头一侧，而当凸模行程至4.8 mm时，金属分布已比较均匀，杆部金属主要成形肋部，大头端的金属主要成形大头的两侧；当方凸模、圆凸模行程至5.2 mm（行程共5.5 mm）处时，连杆只有大头端较远的一侧未有成形，其余都已基本成形，至行程结束，成形较好。
图6为第1种凸模运动方式成形结束时的连杆效果图、等效应变图和等效应力图。由图6可以看到，连杆成形较好，没有缺陷，金属材料充填饱满；终锻最后一步的等效应变最大为2. 50、等效应力为182 MPa。
图7为第一种凸模运动方式成形过程中凸模的行程一载荷曲线。由图7可知，侧凸模的最大成形载荷为1 310 kN，上、下方凸模的最大成形载荷为1 910 kN，上、下圆凸模的最大成形载荷为47. 40 kN。
4.2 第2种凸模运动方式的模拟结果与分析
图8为第2种凸模运动方式方凸模、圆凸模行程在0～5.2 mm时的金属流动速度矢量场。由图8可知，由于侧凸模没有动作，主要成形连杆的杆部及小头端，金属的流动比较均匀，至行程5.2 mm时，连杆锻件的小头端及杆部的肋都已基本成形。
图9为第2种凸模运动方式侧凸模在整个行程中的金属流动速度矢量场。由图9可知，一开始金属较快的流向侧凸模的动作方向。侧凸模行程至16 mm时主要成形大头端的两侧，行程至21 mm左右时连杆锻件的大头端的其中一侧已经基本成形；当行程结束时完全成形，并且充填饱满，无皱皮等缺陷。从整个过程看，杆部及小头端的金属应稍多于实际需要的，采用这种方式成形，可以最大程度上减少金属的成形流动量。
图10为第2种凸模运动方式成形结束时的锻件效果图、等效应变图和等效应力图。由图10可知，连杆成形良好，充填饱满，没有皱皮等缺陷；成形结束时，锻件的等效应变为3. 65、等效应力最大为180 MPa。
图11为第2种凸模运动方式成形过程中凸模的行程一载荷曲线。由图11可知，上、下方凸模的最大成形载荷为1 640 kN左右，上、下圆凸模的最大成形载荷为300kN左右，侧凸模的最大成形载荷为1 730 kN左右。
4.3 第3种凸模运动方式的模拟结果与分析
图12为第3种凸模运动方式成形结束时的锻件效果图、等效应变图和等效应力图。从图12可以看到，连杆大头的一侧由于成形方式的改变，没有充满；原因是其杆部及小头的一侧，本来坯料金属就稍有盈余，再加上侧冲头先动作，会导致杆部和小头侧坯料金属有较多富余，至上下冲头动作时，杆部和小头端较易成形，而大头端金属不足，难以充满。成形结束时，锻件的等效应变较小，其最大等效应力为181 MPa。
图13为第3种凸模运动方式成形过程中凸模的行程一载荷曲线。由图13可知，侧凸模的行程一载荷曲线中间有一个明显的下滑，是因为侧凸模行程到位后停止、改由方凸模和圆凸模运动所引起的；从图13中可知，侧凸模的最大成形载荷为553 kN左右，方凸模的最大成形载荷为1 780 kN左右，圆凸模的成形载荷为410 kN左右。
5 结 论
(1)凸模以第1种方式运动时，虽然金属变形较均匀，充填良好，无成形缺陷存在；但其方凸模的受力大，模具容易损坏。
(2)凸模以第2种方式运动时，连杆体内各部位的变形程度不大，金属流动较均匀，其成形件品质较好，连杆充填饱满，无成形缺陷存在；而且凸模的受力都不大，模具寿命较高。
(3)凸模以第3种方式运动时，虽然凸模的受力不大，模具寿命较高，但是锻件成形品质较差，充填不饱满。
6摘要
采用刚塑性有限元法·利用Deform- 3D有限元软件对铝合金连杆体三向闭塞锻造成形过程进行了数值模拟。研究了在三向闭塞锻造成形过程中凸模的3种运动方式对铝合金连杆体成形过程中的等效应力、等效应变、金属流动速度矢量场以及变形载荷的影响。模拟结果表明，其凸模的运动方式采取上凹模和下u模先合模，在上圆凸模、上方凸模向下运动的同时下圆凸模、下方凸模向上运动以后，侧凸模再沿着水平方向向左运动，连杆体内各部位的变形程度不大，金属流动较均匀，其成形件品质较好，锻件充填饱满，无成形缺陷存在，而且凸模的受力都不大，模具寿命较高。
