文／陸長青，吳傲宗，陸亞琮·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

曲軸扭拐成形后的校正模具設計

文／陸長青，吳傲宗，陸亞琮·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

曲拐相位角非180°的曲軸中，通常有以下四種情況需要采用扭拐成形工藝：

⑴所有曲柄帶有平衡塊的曲軸，用立體分模方式成形比較困難，會造成鍛造工藝性差、材料消耗高、鍛模壽命低和平衡塊輪廓形狀改變較大等問題。采用模鍛加扭拐成形工藝是生產(chǎn)此類曲軸的最佳方案，圖1為平面分模模鍛加扭拐成形工藝生產(chǎn)的三缸六平衡塊曲軸。

⑵采用立體分模對曲柄形狀改變過多或余塊過大，影響動平衡或增加過多的機加工成本。

⑶采用立體分模使鍛模型槽平衡塊進入上下模深度差過大，造成成形困難或坯料利用率過低。

⑷能夠正常采用立體分模方式成形的曲軸，為進一步提高鍛模壽命，降低模具制造成本而綜合權衡后采用模鍛加扭拐成形的工藝方案。

圖1 三缸六平衡塊扭拐曲軸

國內(nèi)現(xiàn)用扭拐機的結構和工藝僅針對扭拐的實現(xiàn)而設計，在扭拐的同時缺乏足夠的校正能力及某些變形的約束機構，且現(xiàn)有結構不具備抵制某些變形的相應剛度和精度。如某類曲軸切邊后長度尺寸合格，但扭拐后長度尺寸偏差較大，明顯超出了扭拐模的側向間隙值，曲柄和平衡塊軸向發(fā)生明顯的變形。在實際生產(chǎn)中需要增加校正設備，對曲軸切邊、扭拐過程中非工藝訴求的變形進行校正，以滿足直線度、相位角和平衡塊的角度及曲柄軸向公差等要求。

扭拐工藝

圖2為扭拐工藝的示意簡圖。模鍛時按圖2a成形，圖2a是將圖2b中1、6和3、4曲拐逆時針和順時針旋轉(zhuǎn)60°，使1、6、3、4與2、5曲拐角度呈180°，模鍛切邊后，通過扭拐工藝將1、6和3、4曲拐順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)60°，恢復至曲拐原角度。

傳統(tǒng)校正模具設計

拔模方式

圖3為WD615斯太爾曲軸的一個曲柄，以此曲柄簡述校正模連桿頸側的處理方式。模鍛時采用平面分模，分模面為HM，HM法向為鍛模運動方向；扭拐后校正時為立體分模，分模面為NOPQ，NO法向為校正模運動方向，傳統(tǒng)校正模熱鍛件圖的設計是在熱模鍛件軸向尺寸基礎上放間隙尺寸后，按NO法向拔模進行處理。錘上模鍛時，鍛模拔模斜度為5°，扭拐校正模為5°～6°；壓力機模鍛時，鍛模拔模斜度為2°～3°，扭拐校正模為3°～5°。

圖2 曲軸軸向視圖

圖3 WD615斯太爾曲軸的一個曲柄

十二個曲柄中共有八個曲柄處理方式與示例相同，其余四個曲柄因校正方向與模鍛方向一致，與非扭拐曲軸的校正模處理方式相同，只需在熱鍛件基礎上軸向側面偏移間隙即可，處理方式、二維表達和三維建模非常簡單，在此不做贅述。

軸向側面間隙尺寸的確定

設計用于加工校正模型槽用的熱鍛件圖時，因鍛模與校正模熱鍛件的拔模方向成60°，為了確保校正模型槽軸向側面與模鍛熱鍛件軸向側面不存在干涉，考慮鍛模磨損、鍛件長度偏差、鍛件錯移和鍛件殘余飛邊的影響，兩次拔模側面最小間隙取值為1.5mm，為此需計算在熱模鍛件軸向尺寸基礎上所放的間隙尺寸t。

如果采用鍛錘模鍛工藝，兩次拔模均取5°，t值等于EF×tan(5)－FG×tan(5)的最大值加上兩次拔模側面最小間隙1.5mm，其中EF×tan(5)－FG×tan(5)的最大值為F點在AB范圍變化的最大值，即為Lmax×tan(5)。Lmax值的計算可在具有相應計算功能的CAD軟件中實現(xiàn)。圖4為CAD軟件計算結果的截圖，Lmax=40.533mm。t=Lmax×tan(5)+1.5=5.01mm， 取 值 為 5mm。 如果采用壓力機模鍛工藝，兩次拔模均取3°，t=Lmax×tan(3)+1.5=3.63mm， 取 值 為 3.6mm。t值也可以通過預取值后，對鍛模和校正模熱鍛件進行三維建模，測取兩次拔模側面最小間隙值，與目標值1.5mm比對后，調(diào)整預取值來確定。

圖4 CAD軟件計算結果的截圖

存在的工藝問題

校正模連桿頸開檔處模具型槽的形狀如圖5所示，校正時模具型槽與鍛件連桿頸處貼合面很小，實際生產(chǎn)時，連桿頸部位校正后經(jīng)常會出現(xiàn)很深的壓痕，模鍛錘工藝生產(chǎn)時尤為明顯，嚴重影響了鍛件的質(zhì)量。圖6為模鍛錘模鍛時的校正模3D熱鍛件圖，可以直觀地看出校正模連桿頸處與鍛件貼合的程度。

圖5 校正模連桿頸開檔處模具型槽的形狀

改進型校正模具設計

圖6 校正模3D熱鍛件圖

為避免上述處理方式所帶來的工藝問題，需在原處理方式的基礎上對圖6局部進行二次處理，以增大連桿頸處校正時的貼合面積。為便于理解，將校正模與鍛件側向間隙轉(zhuǎn)為實體，并以片體形式保留連桿頸部分做3D建模，如圖7a綠色面為模鍛件側面，圖7b灰色面為校正模型槽側壁面，實體表現(xiàn)的即為兩者之間的間隙，圖7c、7d分別為圖3中CD和HM（為CD法向投影）處剖切形狀。從圖示中可以看出由于上模側面部分拔模深度很深致使上模連桿頸部位間隙很大，可通過減小此部位間隙來增大連桿頸部位校正時的貼合面積。連桿中心做一小出模斜度的側斜面，斜度也可小至為0°，去除一部分間隙，有效地避免了前面所述的工藝問題，處理后結果如圖7e所示。

圖7 校正模與鍛件側向間隙的3D模型

簡約型校正模具設計

由于上模側面部分拔模深度很深致使上模連桿頸部位間隙很大，另一種設想就是減小拔模斜度，從圖7e可以看出拔模斜度最好減至為0°，再由圖3中AR×tan(α)加一定的最小側面間隙值來確定t值（α為模鍛件拔模斜度）。這樣一來，設計過程中所涉及的計算、二維圖紙的表達和三維建模的工作量都會大大減小。按此方式所設計的校正模，如圖8所示，圖8b為在圖8a的基礎上，考慮到上模型槽較深，為利于模具加工時最深部位的圓角清根，做了局部拔模處理。

圖8 簡約型校正模處理方式

小間隙校正模具設計

工藝訴求和實施條件

隨著萬噸以上鍛壓設備的大量投入，曲軸毛坯的產(chǎn)能嚴重過剩。降低工藝成本，提高產(chǎn)品的競爭能力及減小機加工余量，從而提高機加工效率，降低機加工成本變得尤為重要和迫切。當曲軸的機加余量減小一級時，通常所需的材料直徑規(guī)格也減小一級，能明顯降低原材料成本。

同時顧客也對產(chǎn)品質(zhì)量提出了更高的要求，如曲柄平衡塊兩側面機加工后不允許有黑皮，至少不能有大面積黑皮；或側面為非加工面，但有較為嚴格的公差要求。這與減小平衡塊兩側機加工余量或生產(chǎn)過程中平衡塊易出現(xiàn)較大的軸向變形相矛盾。為了兩者兼得，對工藝設備、工序傳遞、質(zhì)量控制、模具磨損監(jiān)控和工藝設計等提出了更高的要求。小間隙校正模具的工藝設計即是在坯料加熱穩(wěn)定、各工序節(jié)拍穩(wěn)定、鍛件小錯移量和小殘余飛邊量控制及模具磨損合理監(jiān)控等前提下實施的校正工藝，通過對曲柄平衡塊軸向的變形進行校正，以滿足降低成本和顧客嚴格的質(zhì)量要求。

設計分析和實現(xiàn)方式

圖9 幾何、拔模和出模分析

圖10 處理后的3D模型

圖11 V8扭拐曲軸中的一個曲柄

圖12 3D數(shù)模出模分析

圖13 最終處理后的出模分析

前面所述的改進型和簡約型是最為常用的兩種類型，這兩種設計方式使位于曲柄平衡塊軸向兩側面輪廓邊緣處間隙較大，無法實現(xiàn)對曲柄平衡塊軸向變形的校正。因此需尋求一種t可以取更小數(shù)值的方法，如t取1mm或更小數(shù)值，為此對圖9從幾何、拔模和出模等角度做進一步分析。模鍛時以HM為分模面，HM法向為拔模方向，扭拐后校正時曲柄旋轉(zhuǎn)60°，以AFED為分模面，出模方向為AF法向，對于上模不能出模的部位為BCDEF區(qū)域，下模部分不能出模部位為ABG區(qū)域，因而校正模熱鍛件的處理方式可將模鍛熱鍛件側向的拔模面軸向偏移t值后，對不能出模的區(qū)域找到一種可行的處理方法后即可實現(xiàn)。以上模分析和處理為例，側面BCD上的點為側面相應x值對應不同y值的最大z值點，以側面上BCD曲線向負y軸方向做小角度拔?；蜃雠cAF面成0°拔模角的曲面處理后，即可實現(xiàn)對不能出模區(qū)域的處理。處理后的3D模型（t取值為1mm）如圖10所示，可對曲柄平衡塊適當?shù)妮S向變形進行校正。

復雜形狀曲柄校正模的設計示例

對于如圖11所示的V8扭拐曲軸中的一個曲柄的處理，仍可以采用圖9的分析、處理方式和方法去實現(xiàn)。但因其上下模部分不對稱，涉及拔模淺處求交的問題，從二維圖幾何角度分析，除AFG和BCDEF區(qū)域不能出模外，拔模淺處求交部位是否存在出模問題，以及部位的確定相對比較困難，更為有效的方法是精準建模后進行出模分析。通過模鍛件建模后旋轉(zhuǎn)45°，對淺處求交側進行出模角度檢測，若存在局部不能出模區(qū)域，做相應區(qū)域標定，對其進行構面替代即可。3D數(shù)模出模分析如圖12所示，局部存在不能出模區(qū)域，對此部位構面替代處理，其余處理方式同圖9。最終處理后，出模分析如圖13所示。

結束語

本文以典型的WD615斯太爾扭拐曲軸校正工藝的模具設計為例，闡述了原始校正模的設計方法，并對其工藝進行了改進。通過進一步的工藝分析，進而衍生了一種實用簡單的簡約型校正模具的設計，此設計方法具有很高的設計效率，明顯縮短了建模時間，能夠緩解快節(jié)奏的開發(fā)壓力。小間隙校正模具的設計是在特定條件下的一種新的工藝訴求，與常規(guī)的設計方式和方法有明顯的差異，能滿足特定的工藝需求，可以滿足形狀復雜曲柄小間隙校正模具的設計。