匡利華 黎志堅(jiān)

(中車資陽機(jī)車有限公司，四川641301)

中車資陽機(jī)車有限公司近年來實(shí)施曲軸產(chǎn)業(yè)國際化、多樣化發(fā)展戰(zhàn)略，到目前為止，已經(jīng)完成產(chǎn)品開發(fā)50余項(xiàng)，曲軸按軸徑的大小可分為小型RR軸、中型RR曲軸和大型TR曲軸。將主軸頸直徑小于?250 mm的曲軸定義為小型RR曲軸，簡(jiǎn)稱小型曲軸。小型曲軸具有曲柄臂厚度薄、主軸頸直徑小、開檔小等特征，這類曲軸鍛造難度大。統(tǒng)計(jì)目前公司鍛件生產(chǎn)情況并分析發(fā)現(xiàn)，小型曲軸鍛件一次性交檢合格率低，達(dá)不到鍛件交檢標(biāo)準(zhǔn)，返工返修率高。本文針對(duì)小型曲軸鍛造難度大，鍛件一次性交檢合格率低這一現(xiàn)象，以170曲軸為研究對(duì)象研究小型曲軸的鐓鍛成型工藝，并推廣應(yīng)用。

1 RR裝置及鐓鍛原理

RR法是由法國人Roedrer R在20世紀(jì)30年代發(fā)明的，RR法的工作簡(jiǎn)圖如圖1所示。當(dāng)壓機(jī)活動(dòng)橫梁下壓時(shí)，它通過一套帶有斜面的滑動(dòng)模架將壓機(jī)壓力分解為鐓粗的水平力和彎曲的垂直力。隨著壓機(jī)活動(dòng)橫梁的下壓，合在一起的上下模座在上模架的4個(gè)壓緊斜面作用下沿水平導(dǎo)軌向中心運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，中彎模在剛性接觸上模架后向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行錯(cuò)拐[1]。壓緊斜面的傾角可通過更換不同的銅滑板來改變，銅滑板有30°、35°、40°三種角度。

2 零件參數(shù)及難點(diǎn)分析

2.1 零件結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

1—上模架 2—定位模 3—夾緊模 4—中彎模 5—底座 6—模架拉桿 7—中彎模壓緊缸 8—夾緊缸 9—頂出缸 10—回程 11—銅滑板圖1 液壓式全纖維曲軸鐓鍛裝置原理圖Figure 1 Schematic diagram of hydraulic whole fiber upsetting crankshaft

序號(hào)參數(shù)數(shù)值123456主軸頸直徑主軸頸開檔連桿頸直徑連桿頸開檔曲柄厚度總長?14565?136106361866

170曲軸由6個(gè)曲拐(1個(gè)曲柄臂+1個(gè)連桿頸+1個(gè)曲柄臂+1個(gè)主軸頸)和兩個(gè)法蘭組成。主要零件參數(shù)見表1。該曲軸屬于細(xì)長軸，鍛造難度大。

2.2 工藝難點(diǎn)分析

資陽公司最常見的曲軸產(chǎn)品有21/31系列、250系列、280系列、28/32系列、240系列、23/30系列曲軸等，這些曲軸成品直徑在?170～?260 mm之間，將這些系列曲軸歸為中型RR曲軸。中型曲軸鍛造難度相對(duì)要小些，也是RR裝置上鍛造最多的產(chǎn)品。

現(xiàn)以23/30和28/32系列產(chǎn)品為例，將170曲軸與這兩種產(chǎn)品參數(shù)比較，如表2所示。

表2 170曲軸與中型曲軸參數(shù)比較(單位：mm)Table 2 Comparison of 170 crankshaft andmedium-sized crankshaft (Unit, mm)

從表2可以看出，與中型RR曲軸相比，170曲軸主軸頸直徑、開檔、曲軸臂厚度小。正是這個(gè)特點(diǎn)，在RR裝置上鍛造難度大。主要鍛造工藝難點(diǎn)分析如下：

(1)軸頸直徑小，屬于細(xì)長軸，在鍛造過程中鍛件同軸度不容易控制。

(2)主軸頸開檔小，鍛造模具容易變形，影響鍛件質(zhì)量。

(3)在鍛造過程中，已經(jīng)鍛造完成的曲拐在鍛造下一曲拐時(shí)會(huì)參與定位，曲柄臂厚度小，在鍛造過程中定位曲柄容易變形。

3 主要技術(shù)創(chuàng)新

針對(duì)上述分析的工藝難點(diǎn)，本工藝方案采用了兩個(gè)技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)以改善小型曲軸的鍛件質(zhì)量，提高鍛件一次性交檢合格率。

3.1 小型曲軸通用模座設(shè)計(jì)

小型曲軸通用模座創(chuàng)新設(shè)計(jì)，目的是改善小型曲軸鍛件質(zhì)量。圖2為通用模座零件圖，外圓直徑分別為?800 mm和?700 mm，與RR裝置上下模座裝配使用，總厚度為380 mm，數(shù)量為2付。

3.1.1 與其他RR曲軸鍛造工藝對(duì)比

小型曲軸與其他RR曲軸鍛造工藝的區(qū)別是鍛造過程增加了通用模座的使用。

3.1.2 通用模座的優(yōu)點(diǎn)

(1)鍛造模具強(qiáng)度增加。由于通用模座的設(shè)計(jì)運(yùn)用，鍛造模具(見圖3)外圓直徑減小，強(qiáng)度增加。

(2)提升曲軸鍛件質(zhì)量。鐓鍛過程中，鍛造模具變形會(huì)直接導(dǎo)致曲柄臂變形，鍛件長度尺寸很難控制，影響鍛件質(zhì)量。通用模座的使用，模具強(qiáng)度增加，鍛造過程中不會(huì)因?yàn)槟＞咦冃味绊戝懠|(zhì)量。

圖2 小型曲軸通用模座零件圖Figure 2 Part drawing of general mold base of small crankshaft

(a)RR曲軸(b)小型曲軸1—定位擋板 2—定位模 3—夾緊擋板4—夾緊模 5—通用模套圖3 小型曲軸與其他RR曲軸鍛造模具比較Figure 3 The comparison of forging mold between small crankshaft and other RR crankshaft

(3)節(jié)約鍛造模具原材料費(fèi)。170曲軸全套模具共25付/件，其中定位和夾緊模具共計(jì)15付。其他RR曲軸鍛造模具外圓直徑是?800 mm。由于通用模座的設(shè)計(jì)運(yùn)用，170曲軸定位和夾緊模具外圓直徑為?660 mm。模具外圓直徑減小，全套鍛造模具原材料費(fèi)用降低，節(jié)約費(fèi)用約6萬元。

(4)推廣應(yīng)用。在以后其他小型曲軸新產(chǎn)品鍛造工藝開發(fā)中可直接借用小型曲軸通用模座。

3.2 鍛件開檔余量非均勻設(shè)計(jì)

為保證材料利用率，一般情況下，鍛件余量設(shè)計(jì)采用均勻設(shè)計(jì)。針對(duì)170曲軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如主軸頸開檔小，鍛造模具厚度薄，鍛件開檔余量采用非均勻設(shè)計(jì)，如圖4所示。余量a和b大小不一樣，余量a大于余量b。優(yōu)點(diǎn)是：曲柄臂厚度增加2 mm，曲柄強(qiáng)度增加；主軸頸開檔量增加4 mm，模具厚度增加4 mm，強(qiáng)度增加。

圖4 鍛件余量分布圖Figure 4 Forging allowance distribution

(a)垂直方向(b)水平方向圖5 垂直方向和水平方向載荷-行程曲線Figure 5 Load-travel curve in both vertical and horizontal direction

圖6 模擬結(jié)果Figure 6 Simulation result

4 工藝方案驗(yàn)證

4.1 計(jì)算機(jī)仿真模擬分析

采用Deform數(shù)值仿真模擬軟件模擬一個(gè)單拐成型情況驗(yàn)證上述工藝方案是否可行。主要驗(yàn)證模具設(shè)計(jì)是否合理，鍛造模具裝配是否干涉，坯料規(guī)格是否合理。分析不考慮熱傳導(dǎo)因素對(duì)成型的影響，其工藝參數(shù)的設(shè)置如下：

(1)材質(zhì)：42CrMoA。

(2)坯料規(guī)格：?210 mm。

(3)網(wǎng)格劃分：分析采用四面體網(wǎng)格，僅對(duì)坯料劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為86 230，并在成型部位進(jìn)行細(xì)化，在成型過程中動(dòng)態(tài)網(wǎng)格再劃分。

(4)模擬步長：0.1 s/步。

(5)摩擦邊界條件：采用剪切模型，取m=0.7。

(6)速度：設(shè)壓機(jī)垂直向下的速度5 mm/s。

(7)成型溫度：1150℃。

垂直方向和水平方向載荷-行程曲線模擬結(jié)果如圖5所示。圖6是單拐模擬結(jié)果。模擬結(jié)果表明該方案是可行的，可進(jìn)一步做物理試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.2 雙拐鍛造成形試驗(yàn)

第1次試驗(yàn)，曲柄平衡塊安裝面成型不飽滿、塌角，如圖7(a)所示。根據(jù)第1次試驗(yàn)結(jié)果分析和總結(jié)，進(jìn)行工藝改進(jìn)。曲柄橢圓長軸長度變短，橢圓的長軸/短軸值減小，平衡塊安裝面高度降低，根據(jù)金屬流動(dòng)原理，改進(jìn)后的平衡塊安裝面設(shè)計(jì)更有利于成型。改進(jìn)后試驗(yàn)結(jié)果如圖7(b)所示，曲柄成形飽滿，滿足鍛件交檢標(biāo)準(zhǔn)?？蛇M(jìn)行整軸試生產(chǎn)。

圖7 雙拐試驗(yàn)實(shí)物Figure 7 Test the physical

4.3 整軸試生產(chǎn)

經(jīng)試生產(chǎn)，首支鍛件經(jīng)檢查，軸向開檔和徑向單邊最小余量均滿足鍛件交檢標(biāo)準(zhǔn)。曲柄成型飽滿，鍛件表面無缺陷，工藝方案可行，可批量生產(chǎn)。

5 批量生產(chǎn)及成果

2016年170曲軸已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，完成32

支曲軸訂單交付，實(shí)現(xiàn)銷售收入68萬元；鍛件一次性交檢合格率為100%。與其他小型曲軸鍛件比較如表3所示，小型曲軸鍛件質(zhì)量得到很大提升。

表3 鍛件一次性交檢合格率Table 3 Passing rate of forging at one time

6 結(jié)論

(1)小型曲軸通用模座的設(shè)計(jì)應(yīng)用，具有改善鍛件質(zhì)量，增加定位和夾緊模具，節(jié)省了模具原材料費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。

(2)鍛件開檔余量非均勻設(shè)計(jì)改善了鍛造模具強(qiáng)度低的特點(diǎn)，提升了鍛件質(zhì)量。

(3)通過仿真模擬和工藝試驗(yàn)驗(yàn)證了本工藝方案可行，并實(shí)現(xiàn)了某小型曲軸的批量生產(chǎn)。

(4)與其他小型曲軸比較，170曲軸鍛件一次性交檢合格率提高，減少了返工返修工序，降低了成本。

[1] 萬煦義. 大中型全纖維曲軸鍛造方法的探討[J]. 大型鑄鍛件，2006(3)：45-52.

[2] 《鍛模設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫組.鍛模設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.