机械零件的结构可靠性是指零件在规定的使用条件下，在规定的时间内完成规定功能的能力[2]。 连杆作为阻挡系统的重要承重机构，需要承受瞬时高载荷，因此零件必须具有优良的机械性能和尺寸精度，其质量取决于其内部结构性能，这对锻造坯料技术提出了更高的要求。 图1所示为一种连杆锻件，由钛合金制成，锻件长度约为2 000 mm，高度约为90 mm，属于长杆的中型锻造。 长棒锻件在锻造成型时应首先解决水平翘曲变形的问题，翘曲变形对锻件的质量影响很大，即使锻件的形状和表面质量良好，但变形后的尺寸偏差会在后续的切削加工中因为加工余量不均匀而报废， 这需要通过锻造设计、模具结构、锻造工艺控制、锻后冷却放置、翘曲校正等方面进行质量控制。
图1 钛合金连杆常规锻造连杆锻件的翘曲变形模式如图2所示，某批锻造连杆锻件的翘曲程度如表1所示。 图2所示的A、B、C点应在同一水平面（上端面）上，但两端的实际点A、B是向上翘曲的，最大翘曲度大于10mm，所以这么大的翘曲尺寸不能满足锻造加工的要求。 
图2 连杆翘曲形貌 表1 常规锻造连杆锻件的翘曲（mm）。
注：翘曲量是每个锻件在A点和B点测得的尺寸最大值与在C点测得的尺寸之差。
锻造连杆锻件在选择锻造设备时，应尽量选择液压机，液压机与普通模锻锤机床相比具有以下优点[3]。 （1）在直驱液压机上，滑块可以在整个行程的任何位置获得最大载荷。 （2）液压机除具有大型模具背板和变位器外，还具有同步平衡系统，避免负载不均匀或模具跑偏。 （3）液压机滑块速度可控，可根据零件成型要求进行调整，载荷可视为静载荷。 （4）液压机的负荷可以由溢流阀来限制，溢流阀既保护了模具，又控制了锻件的变形程度。 （5）液压机的顶杆系统可以使锻件顺利脱模，特别是在模锻斜率小或无模锻倾斜的精密锻件的锻造中。因此，连杆锻件优先采用液压机锻造，特别适用于铝合金、镁合金、钛合金和一些高温合金的锻造。 锻件的设计应综合考虑各种因素，特别是要防范可能出现的质量风险，在锻件设计初期采取预防措施是降低后续工序难度的重要一环。 在设计连杆锻件时，应适当增加翘曲变形部分的工艺余量，以补偿翘曲尺寸偏差，特别是根据已知的统计数据，可以提前在翘曲方向上对工艺余量进行更多的补偿。 模具零件润滑对锻件生产的影响是全面的，不仅限于减少锻件与模具零件接触面之间阻碍毛坯金属材料塑性流动的摩擦[4]。 熔融润滑剂使模具零件与锻件之间的摩擦变成湿摩擦，降低了锻件的变形阻力，可有效降低总变形载荷10%20%，提高变形均匀性，同时减少模具零件的磨损和塑性变形，有利于锻件的脱模， 并减少顶出力和顶出引起的翘曲变形。模具是锻造的重要工艺设备，具有生产效率高、材料利用率高、锻件质量优良、工艺适应性强等特点。 连杆锻件的模具设计是根据锻件的形状设计的，但这种锻件容易被静载荷锻造成卡在模腔内，导致脱模困难，需要设计顶出结构（由液压机顶杆系统和模具推出机构组成）来辅助脱模， 合理的下模推出机构是控制连杆翘曲变形的关键。模具下方的推出机构与液压机顶杆系统一起工作，液压机顶杆系统是滑柱的单向结构，传统的推出机构如图3所示，与锻件下表面的接触面积小，容易造成中翘曲和两端低的情况被推了。在设计模具推出机构时，增加其与锻件下表面的接触面积，如图4所示，优化后的推出机构，其接触面积是传统推出机构的9 10倍，优化后的机构上表面与锻件轮廓一致，降低了推出带来的翘曲风险。 
图3 传统部署机制
图4 优化推出机构推出方式的合理性是降低长杆锻件翘曲变形风险的关键，单点推出方式适用于普通杆锻件，在设计单次推出时，为了保证锻件的顺利推出，推杆位置设置在锻件重心或重心附近， 而偏心设计会导致锻件倾斜并卡在下部模型型腔中。与形状复杂或长度较长的锻件相比，应布置2根或更多推杆，连杆锻件长度近2 000 mm，图4所示的单点推出结构在抗翘曲变形方面优势有限，推荐采用多点推出方式，如图5所示。 另外，推杆的行程应根据锻造设备确定，行程过大会造成推出机构复杂，降低推杆强度，连杆锻件的型腔深度约为30mm，推出行程设置为50mm。 
图5 长杆锻件经液压机多点推出锻造时，毛坯在高负荷静压下长时间与模腔表面接触，常温下的模具零件由于热刺激的影响容易开裂，另一方面， 长期的传热会使模具零件软化，锻件变形不均匀时会发生塑性变形，这种力引起的塑性变形是不可避免的，导致模腔塌陷或膨胀。模具零件失效引起的毛刺会导致锻件难以脱模，增加顶出力使锻件的翘曲变形更加严重，而这些变化会改变模具零件的尺寸，导致锻件的尺寸超出公差， 而在严重的情况下，锻件与模具零件的温差引起的热应力，会在模具疲劳使用后产生热裂纹，最终导致模具损坏。研究发现，热锻模具的预热温度对模具零件的磨损和材料的填充有很大影响[5-6]，提高模具的预热温度可以有效提高型腔的填充质量[7]。 由于在室温下模具迅速吸收锻件的热量，使锻件的温度降低，由于锻件温度的降低，变形阻力急剧增加，这使得锻造时难以填充型腔或毛坯的冷刚性变形， 在严重的情况下，会导致锻件表面产生清晰的晶体缺陷结构，从而降低锻件的性能。因此，在锻造钛合金连杆时，模具的预热温度应控制在300 400°C，并且可以通过每个锻造炉的加热元件来连续保证模具的温度，这样可以有效降低变形阻力，并预留翘曲变形的加工余量。 锻造类似连杆的中大型锻件时，锻件在移出炉内放入模具的过程中，锻件温度下降较快，锻件温度的降低导致金属塑性降低，变形抗力增加，延展性降低，由此产生的加工硬化影响钢坯填充型腔， 一旦后续零件不可避免地产生翘曲变形，尺寸偏差无法通过机械加工来补偿，还会影响锻件的结构性能，为了达到良好的延展性，需要控制锻件的温度。锻件温度控制中可以进行的工作：连杆锻造前，钢坯加热炉应尽可能靠近锻造设备，以减少转移时间;在锻造出炉和转移的过程中，坯料上可覆盖石棉绝缘材料;机械手的夹具应提前预热或**石棉保温;润滑模具零件与毛坯的相对运动面可以避免模具零件与毛坯的直接接触，减少磨损，降低成型力，润滑剂还可以在一定程度上阻碍毛坯向模具的热传递在锻造过程中，在型腔中铺设具有隔热效果的硅酸铝纤维布，以减少热传导。 锻造冷却状态决定了变形合金的工艺塑性、宏观组织、显微组织和力学性能。 锻后冷却时，锻件在静载荷作用下的内应力不能通过塑性变形释放，并且由于锻件形状上的力不一致，在冷却过程中逐渐释放出大量累积的残余应力，导致翘曲变形另一方面，局部温度梯度取决于模具的几何形状、锻件与模具的接触时间以及边界条件（接触压力和传热系数）[8]，锻件各部位的冷却速度不一致（例如，一侧风冷，另一侧与地面接触）， 而如果低温侧的收缩力足够大，高温侧的材料压缩就会发生塑性变形，导致高温侧永久性缩短。当冷却到室温时，发生与上述相同的过程，连杆向高温侧弯曲，但由于高温侧在高温下永久缩短，室温引起的弯曲更为剧烈。 除了非常值得关注的冷却介质的影响外，锻造后的冷却还包括冷却过程中的放置方式。 连杆锻件冷却时应根据两端的翘曲情况进行放置，最佳方案放置方法如图6所示，毛坯不直接接触地面，利用锻件的自重来减少翘曲量或减少继续翘曲的倾向。 
图6 锻件冷却放置法的变形阻力是指金属防止其塑性变形的能力，变形阻力的高低在一定程度上反映了锻件变形的难易程度。 变形抗力与变形温度、应变速率和真实应变之间的关系尤为重要[9-10]。 钛合金的变形抗力随着变形速率的增加和锻造温度的降低而迅速增加，翘曲校正的温度应选择在相变点30 50以下。 如果长杆锻造采用模具校正，则无法达到矫直效果，而自由锻方法更适合连杆矫正，液压机的自由锻热校正步骤如下。 （1）设置基准平面，标记连杆检查翘曲，确定校正方向。 （2）制作相应的缓冲块和压块，选择连杆翘曲度最大的位置作为受压点。 （3）向下压到基准面时，考虑到金属的回弹性，超压应继续保持在3 5 mm，以减小回弹倾向。 校准方法（见图7）可以保证零件质量的稳定性，提高校正效果，减少校正次数。 
图7 通过上述质量控制措施的实施，热校正方法在零件翘曲变形方面已在实践中得到验证，一批连杆零件的翘曲量见表2。 与常规方法相比，翘曲量大大减少，最大翘曲量为36 mm，这个翘曲量可以通过粗加工（加工余量+5 mm）消除，并且翘曲也很稳定，以满足零件交付的要求。 表2 质量控制后的翘曲度（mm）。
原作者： 刘成 1 陈爱成 2 詹丽水 1 夏春林 1 王健 1 郭广谋 1 作者单位： 1贵州安踏航空锻造有限公司; 2.空军装备部驻安顺区军事代表处。