文/匡利華·中車資陽機(jī)車有限公司

本文分析了6拐印度曲軸基本結(jié)構(gòu)和參數(shù)、鐓鍛工藝難點(diǎn)；采用了新工藝設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)模擬仿真和工藝試驗(yàn)等研究方法；成功開發(fā)了6拐印度曲軸，材料利用率達(dá)到62%。

印度6拐曲軸是印度國家鐵路公司從美國引進(jìn)的機(jī)車柴油機(jī)用曲軸。此前資陽公司已成功開發(fā)2種印度曲軸，印度ALCO16V251曲軸和印度EMD710曲軸，印度6拐曲軸是第3種，其柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1100轉(zhuǎn)/分鐘，功率為2940kW。

鐓鍛工藝分析

6拐曲軸基本機(jī)構(gòu)及參數(shù)

圖1為印度6拐曲軸三維零件圖，材料為42CrMoA，由6個曲拐和3個法蘭組成（1個曲拐=2個曲柄臂+1個連桿頸+1個主軸頸）。6個曲拐有3個相位，1(6）曲拐、2(5）曲拐、3(4）曲拐在圓周上以120°分布。為方便表達(dá)，本文將從左至右編號為1～6拐。

與印度ALCO16V251曲軸零件參數(shù)比較

從表1和2可以看出，6拐印度曲軸和印度ALCO16V251曲軸比，連桿頸開檔和單拐長度尺寸有差異。由于這兩個參數(shù)的差異，鐓鍛工藝及鐓鍛模具不能借用印度ALCO16V251曲軸，必須全新設(shè)計(jì)。

工藝設(shè)計(jì)目標(biāo)及難點(diǎn)分析

⑴難點(diǎn)1：為節(jié)約生產(chǎn)成本，本次工藝設(shè)計(jì)要求減少校直工序。

⑵難點(diǎn)2：印度ALCO16V251曲軸連桿頸開檔為177.8mm，6拐印度曲軸連桿頸開檔為101.6mm，開檔尺寸比印度ALCO16V251曲軸小76.2mm，鐓鍛難度大。

圖1 6拐曲軸三維零件圖

表1 6拐印度曲軸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 印度ALCO16V251曲軸結(jié)構(gòu)參數(shù)表

⑶難點(diǎn)3：前面分析了6拐曲軸和印度ALCO16V251曲軸的差異，印度ALCO16V251曲軸鐓鍛工藝已經(jīng)非常成熟，因此本次工藝設(shè)計(jì)可借鑒印度ALCO16V251曲軸鐓鍛工藝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，同時采用近凈成形技術(shù)設(shè)計(jì)鍛件余量，在現(xiàn)有工藝條件下，保證材料利用率最大化。

采用新工藝進(jìn)行鍛造設(shè)計(jì)

曲線雙分模設(shè)計(jì)

本次工藝設(shè)計(jì)的新工藝為曲柄分模方式——曲線雙分模方式（圖2），傳統(tǒng)曲柄分模方式為單分模（以連桿頸中心作為鍛件分模線）；單分模的缺點(diǎn)不利于坯料的分料，曲柄安裝面容易塌角，并且在曲柄底部（靠近連桿頸側(cè)）形成大量工藝余塊。曲線雙分模優(yōu)點(diǎn)：減小曲柄圓周余量，曲柄臂安裝面成形好。

圖2 曲柄的雙分模與單分模

坯料直徑余量小

鍛件主軸頸直徑為φ250mm，坯料選擇φ260mm，單邊余量為5mm，此余量為目前所有RR產(chǎn)品中余量最小，降低坯料用料重量，節(jié)約生產(chǎn)成本。

鐓鍛順序優(yōu)化

在曲軸輸出端有一個法蘭，用料長為710mm，鐓鍛第6曲拐時法蘭會參與定位，由于法蘭坯料長，鍛造難度大，為保證鍛造質(zhì)量，將法蘭鍛造定位第1火次，并確定鍛造變形順序?yàn)椋狠敵龆朔ㄌm→第6拐→第5拐→第4拐→第3拐→第2拐→第1拐→自由端法蘭。此工藝方法的優(yōu)點(diǎn)為降低了輸出端法蘭的鍛造難度，同時降低操作工更換模具的勞動強(qiáng)度。

鐓鍛模具外側(cè)圓弧面設(shè)計(jì)

和傳統(tǒng)鐓鍛模具（圖3a）比，成形下模具外側(cè)設(shè)計(jì)一個圓弧面，如圖3b所示，使坯料在鐓彎過程中曲柄臂外側(cè)形成自然圓弧，形成一個與零件形狀相似斜面，實(shí)現(xiàn)近凈成形目的。

計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬

模擬參數(shù)的設(shè)置

采用Deform模擬軟件模擬一個單拐成形，分析不考慮熱傳導(dǎo)因素對成形的影響，工藝參數(shù)設(shè)置：

圖3 鐓鍛成形下模

⑴材料：42CrMoA；

⑵坯料規(guī)格：第一次模擬為φ260mm×198mm，連桿頸部位坯料φ240mm×80mm；

⑶網(wǎng)格劃分：分析采用四面體網(wǎng)格，僅對坯料劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為56230，并在成形部位進(jìn)行細(xì)化，在成形過程中動態(tài)網(wǎng)格再劃分；

⑷模擬步長：0.1s/步；

⑸摩擦邊界條件：采用剪切模型，剪切系數(shù)m=0.7；

⑹速度：壓機(jī)垂直向下的速度5mm/s；

⑺坯料溫度設(shè)置1180℃。

模擬結(jié)果分析

圖4為模擬結(jié)果，鍛件成形無塌角、缺肉等缺陷，但曲柄下側(cè)飛邊肥大。根據(jù)分析，坯料用料偏多。因此將坯料規(guī)格設(shè)置為φ260mm×195mm進(jìn)行第2次模擬，圖5為第2次模擬結(jié)果，曲柄底部飛邊減小。圖6分別為垂直方向載荷-行程曲線和水平方向載荷-行程曲線。

工藝試驗(yàn)

雙拐試驗(yàn)

根據(jù)第2次模擬結(jié)果分析，坯料規(guī)格選擇φ260 mm×195mm，進(jìn)行雙拐試驗(yàn)，圖7為雙拐鍛件實(shí)物照片。試驗(yàn)結(jié)果與第二次模擬結(jié)果相符，進(jìn)一步驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)計(jì)合理，表3為雙拐鍛件劃線報(bào)告，鍛件余量分配和表面質(zhì)量滿足工藝要求。

圖4 第1次單拐鍛件模擬照片

圖5 第2次單拐鍛件模擬照片

表3 雙拐鍛件劃線報(bào)告 單位（mm）

圖6 載荷-行程曲線

圖7 雙拐鍛件實(shí)物照片

圖8 成品曲軸實(shí)物圖

試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬和雙拐試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了鐓鍛工藝參數(shù)和模具設(shè)計(jì)合理，投入首支整軸生產(chǎn)驗(yàn)證，圖8為6拐印度曲軸成品實(shí)物圖。

結(jié)論

⑴成功開發(fā)6拐曲軸，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)；

⑵采用曲線雙分模設(shè)計(jì)、小余量坯料直徑、優(yōu)化鐓鍛順序和模具外側(cè)圓弧面設(shè)計(jì)等新工藝方法實(shí)現(xiàn)鍛件近凈成形，用數(shù)值模擬和工藝試驗(yàn)驗(yàn)證了工藝的合理性。

⑶原材料利用率與ALCO16V251曲軸比，材料利用率提高了8%，達(dá)到62%。