機械零件的結構可靠性是指零件在規定的使用條件下，在規定的時間內完成規定功能的能力[2]。 連桿作為阻擋系統的重要承重機構，需要承受瞬時高載荷，因此零件必須具有優良的機械效能和尺寸精度，其質量取決於其內部結構效能，這對鍛造坯料技術提出了更高的要求。 圖1所示為一種連桿鍛件，由鈦合金製成，鍛件長度約為2 000 mm，高度約為90 mm，屬於長桿的中型鍛造。 長棒鍛件在鍛造成型時應首先解決水平翹曲變形的問題，翹曲變形對鍛件的質量影響很大，即使鍛件的形狀和表面質量良好，但變形後的尺寸偏差會在後續的切削加工中因為加工餘量不均勻而報廢， 這需要通過鍛造設計、模具結構、鍛造工藝控制、鍛後冷卻放置、翹曲校正等方面進行質量控制。
圖1 鈦合金連桿常規鍛造連桿鍛件的翹曲變形模式如圖2所示，某批鍛造連桿鍛件的翹曲程度如表1所示。 圖2所示的A、B、C點應在同一水平面（上端麵）上，但兩端的實際點A、B是向上翹曲的，最大翹曲度大於10mm，所以這麼大的翹曲尺寸不能滿足鍛造加工的要求。 
圖2 連桿翹曲形貌 表1 常規鍛造連桿鍛件的翹曲（mm）。
注：翹曲量是每個鍛件在A點和B點測得的尺寸最大值與在C點測得的尺寸之差。
鍛造連桿鍛件在選擇鍛造裝置時，應盡量選擇液壓機，液壓機與普通模鍛錘工具機相比具有以下優點[3]。 （1）在直驅液壓機上，滑塊可以在整個行程的任何位置獲得最大載荷。 （2）液壓機除具有大型模具背板和變位器外，還具有同步平衡系統，避免負載不均勻或模具跑偏。 （3）液壓機滑塊速度可控，可根據零件成型要求進行調整，載荷可視為靜載荷。 （4）液壓機的負荷可以由溢流閥來限制，溢流閥既保護了模具，又控制了鍛件的變形程度。 （5）液壓機的頂桿系統可以使鍛件順利脫模，特別是在模鍛斜率小或無模鍛傾斜的精密鍛件的鍛造中。因此，連桿鍛件優先採用液壓機鍛造，特別適用於鋁合金、鎂合金、鈦合金和一些高溫合金的鍛造。 鍛件的設計應綜合考慮各種因素，特別是要防範可能出現的質量風險，在鍛件設計初期採取預防措施是降低後續工序難度的重要一環。 在設計連桿鍛件時，應適當增加翹曲變形部分的工藝餘量，以補償翹曲尺寸偏差，特別是根據已知的統計資料，可以提前在翹曲方向上對工藝餘量進行更多的補償。 模具零件潤滑對鍛件生產的影響是全面的，不僅限於減少鍛件與模具零件接觸面之間阻礙毛坯金屬材料塑性流動的摩擦[4]。 熔融潤滑劑使模具零件與鍛件之間的摩擦變成溼摩擦，降低了鍛件的變形阻力，可有效降低總變形載荷10%20%，提高變形均勻性，同時減少模具零件的磨損和塑性變形，有利於鍛件的脫模， 並減少頂出力和頂出引起的翹曲變形。模具是鍛造的重要工藝裝置，具有生產效率高、材料利用率高、鍛件質量優良、工藝適應性強等特點。 連桿鍛件的模具設計是根據鍛件的形狀設計的，但這種鍛件容易被靜載荷鍛造成卡在模腔內，導致脫模困難，需要設計頂出結構（由液壓機頂桿系統和模具推出機構組成）來輔助脫模， 合理的下模推出機構是控制連桿翹曲變形的關鍵。模具下方的推出機構與液壓機頂桿系統一起工作，液壓機頂桿系統是滑柱的單向結構，傳統的推出機構如圖3所示，與鍛件下表面的接觸面積小，容易造成中翹曲和兩端低的情況被推了。在設計模具推出機構時，增加其與鍛件下表面的接觸面積，如圖4所示，優化後的推出機構，其接觸面積是傳統推出機構的9 10倍，優化後的機構上表面與鍛件輪廓一致，降低了推出帶來的翹曲風險。 
圖3 傳統部署機制
圖4 優化推出機構推出方式的合理性是降低長桿鍛件翹曲變形風險的關鍵，單點推出方式適用於普通杆鍛件，在設計單次推出時，為了保證鍛件的順利推出，推桿位置設定在鍛件重心或重心附近， 而偏心設計會導致鍛件傾斜並卡在下部模型型腔中。與形狀複雜或長度較長的鍛件相比，應布置2根或更多推桿，連桿鍛件長度近2 000 mm，圖4所示的單點推出結構在抗翹曲變形方面優勢有限，推薦採用多點推出方式，如圖5所示。 另外，推桿的行程應根據鍛造裝置確定，行程過大會造成推出機構複雜，降低推桿強度，連桿鍛件的型腔深度約為30mm，推出行程設定為50mm。 
圖5 長桿鍛件經液壓機多點推出鍛造時，毛坯在高負荷靜壓下長時間與模腔表面接觸，常溫下的模具零件由於熱刺激的影響容易開裂，另一方面， 長期的傳熱會使模具零件軟化，鍛件變形不均勻時會發生塑性變形，這種力引起的塑性變形是不可避免的，導致模腔塌陷或膨脹。模具零件失效引起的毛刺會導致鍛件難以脫模，增加頂出力使鍛件的翹曲變形更加嚴重，而這些變化會改變模具零件的尺寸，導致鍛件的尺寸超出公差， 而在嚴重的情況下，鍛件與模具零件的溫差引起的熱應力，會在模具疲勞使用後產生熱裂紋，最終導致模具損壞。研究發現，熱鍛模具的預熱溫度對模具零件的磨損和材料的填充有很大影響[5-6]，提高模具的預熱溫度可以有效提高型腔的填充質量[7]。 由於在室溫下模具迅速吸收鍛件的熱量，使鍛件的溫度降低，由於鍛件溫度的降低，變形阻力急劇增加，這使得鍛造時難以填充型腔或毛坯的冷剛性變形， 在嚴重的情況下，會導致鍛件表面產生清晰的晶體缺陷結構，從而降低鍛件的效能。因此，在鍛造鈦合金連桿時，模具的預熱溫度應控制在300 400°C，並且可以通過每個鍛造爐的加熱元件來連續保證模具的溫度，這樣可以有效降低變形阻力，並預留翹曲變形的加工餘量。 鍛造類似連桿的中大型鍛件時，鍛件在移出爐內放入模具的過程中，鍛件溫度下降較快，鍛件溫度的降低導致金屬塑性降低，變形抗力增加，延展性降低，由此產生的加工硬化影響鋼坯填充型腔， 一旦後續零件不可避免地產生翹曲變形，尺寸偏差無法通過機械加工來補償，還會影響鍛件的結構效能，為了達到良好的延展性，需要控制鍛件的溫度。鍛件溫度控制中可以進行的工作：連桿鍛造前，鋼坯加熱爐應盡可能靠近鍛造裝置，以減少轉移時間;在鍛造出爐和轉移的過程中，坯料上可覆蓋石棉絕緣材料;機械手的夾具應提前預熱或**石棉保溫;潤滑模具零件與毛坯的相對運動面可以避免模具零件與毛坯的直接接觸，減少磨損，降低成型力，潤滑劑還可以在一定程度上阻礙毛坯向模具的熱傳遞在鍛造過程中，在型腔中鋪設具有隔熱效果的矽酸鋁纖維布，以減少熱傳導。 鍛造冷卻狀態決定了變形合金的工藝塑性、巨集觀組織、顯微組織和力學效能。 鍛後冷卻時，鍛件在靜載荷作用下的內應力不能通過塑性變形釋放，並且由於鍛件形狀上的力不一致，在冷卻過程中逐漸釋放出大量累積的殘餘應力，導致翹曲變形另一方面，區域性溫度梯度取決於模具的幾何形狀、鍛件與模具的接觸時間以及邊界條件（接觸壓力和傳熱系數）[8]，鍛件各部位的冷卻速度不一致（例如，一側風冷，另一側與地面接觸）， 而如果低溫側的收縮力足夠大，高溫側的材料壓縮就會發生塑性變形，導致高溫側永久性縮短。當冷卻到室溫時，發生與上述相同的過程，連桿向高溫側彎曲，但由於高溫側在高溫下永久縮短，室溫引起的彎曲更為劇烈。 除了非常值得關注的冷卻介質的影響外，鍛造後的冷卻還包括冷卻過程中的放置方式。 連桿鍛件冷卻時應根據兩端的翹曲情況進行放置，最佳方案放置方法如圖6所示，毛坯不直接接觸地面，利用鍛件的自重來減少翹曲量或減少繼續翹曲的傾向。 
圖6 鍛件冷卻放置法的變形阻力是指金屬防止其塑性變形的能力，變形阻力的高低在一定程度上反映了鍛件變形的難易程度。 變形抗力與變形溫度、應變速率和真實應變之間的關係尤為重要[9-10]。 鈦合金的變形抗力隨著變形速率的增加和鍛造溫度的降低而迅速增加，翹曲校正的溫度應選擇在相變點30 50以下。 如果長桿鍛造採用模具校正，則無法達到矯直效果，而自由鍛方法更適合連桿矯正，液壓機的自由鍛熱校正步驟如下。 （1）設定基準平面，標記連桿檢查翹曲，確定校正方向。 （2）製作相應的緩衝塊和壓塊，選擇連桿翹曲度最大的位置作為受壓點。 （3）向下壓到基準面時，考慮到金屬的回彈性，超壓應繼續保持在3 5 mm，以減小回彈傾向。 校準方法（見圖7）可以保證零件質量的穩定性，提高校正效果，減少校正次數。 
圖7 通過上述質量控制措施的實施，熱校正方法在零件翹曲變形方面已在實踐中得到驗證，一批連桿零件的翹曲量見表2。 與常規方法相比，翹曲量大大減少，最大翹曲量為36 mm，這個翹曲量可以通過粗加工（加工餘量+5 mm）消除，並且翹曲也很穩定，以滿足零件交付的要求。 表2 質量控制後的翹曲度（mm）。
原作者： 劉成 1 陳愛成 2 詹麗水 1 夏春林 1 王健 1 郭廣謀 1 作者單位： 1貴州安踏航空鍛造有限公司; 2.空軍裝備部駐安順區軍事代表處。