潘明明

CW6200曲軸是我公司主要在產(chǎn)曲軸，截止到2012年10月底，已經(jīng)累計(jì)生產(chǎn)了CW6200曲軸鍛件2000多支。近幾年來，該產(chǎn)品產(chǎn)量一直在200支/年，與用戶年1500支的需求量相距甚遠(yuǎn)，CW6200曲軸我公司年產(chǎn)能力超500支。如降低該產(chǎn)品的制造成本，則一定能夠?yàn)槠髽I(yè)創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)企業(yè)的鍛造工藝水平得以提升。因此，提出CW6200曲軸RR法鐓鍛工藝優(yōu)化。本次工藝優(yōu)化的設(shè)計(jì)原則是減小曲軸鍛件的加工余量，減小曲軸棒料的使用規(guī)格，從而降低原材料采購重量，降低制造成本。

一、工藝優(yōu)化方案

1.曲軸鍛件曲柄工藝優(yōu)化方案

CW6200曲軸由1個(gè)法蘭加6個(gè)相互夾角成120°的曲拐組成，成品曲柄板非常薄，僅為60mm，主軸頸為φ161mm×74mm，連桿頸為φ141mm×87mm（見圖1）。這樣的曲軸結(jié)構(gòu)導(dǎo)致在曲軸鐓鍛成形時(shí)參與定位的曲柄極易變形；同時(shí)主軸頸和連桿頸較細(xì)，曲軸整體剛度差，容易發(fā)生彎曲變形；主軸頸開檔和連桿頸開檔小，模具擋板薄，易變形，壽命低。

圖1 CW6200曲軸結(jié)構(gòu)示意

圖2 曲柄圓周優(yōu)化示意

（1）減小曲拐半徑及曲柄外圓周余量 重新設(shè)計(jì)曲柄形狀，減小曲柄外圓周加工余量。為進(jìn)一步壓縮余量，通過減小鍛件曲拐半徑的設(shè)計(jì)理念，減小曲柄橢圓的長軸，從而減小曲柄圓周投影面積。優(yōu)化后的曲柄更接近于正圓，曲柄成形為鐓粗成形，根據(jù)金屬最小阻力流動原理則更利于其成形飽滿。如圖2所示，外圓周粗實(shí)線為曲軸鍛件曲柄外輪廓，雙點(diǎn)畫線為曲柄成品尺寸線，雙點(diǎn)畫線和粗實(shí)線之間部分為機(jī)械加工余量設(shè)計(jì)。圖中陰影部分為曲柄外圓周優(yōu)化前后消除的鍛造余塊。從圖中可以看出，通過減小曲軸鍛件曲拐半徑的設(shè)計(jì)方案，將鍛件曲拐半徑減小10mm，利用機(jī)械加工余量保證連桿頸和主軸頸成品尺寸，使得曲柄外圓周機(jī)械加工余量更加均勻，以實(shí)現(xiàn)“凈近”鍛造成形。使用三維造型軟件模擬對比優(yōu)化前后單個(gè)曲柄消除鍛造余塊重量為6.67kg，CW6200曲軸共計(jì)12個(gè)曲柄，則曲柄減重可達(dá)6.67×12=80(kg)。

（2）減小鍛件曲柄厚度 曲軸鍛件軸向余量由原來10.5mm減小到8.5mm。CW6200曲軸成品曲柄厚度為60mm，原鍛件設(shè)計(jì)為81mm，現(xiàn)單邊減去2mm，將鍛件曲柄厚度設(shè)計(jì)為77mm。

綜合以上兩種優(yōu)化方案使用三維造型軟件模擬對比優(yōu)化前后單個(gè)曲柄減重達(dá)為77.6-67.3=10.3(kg)，則CW6200曲軸曲柄減重為10.3×12=123.6(kg)(見圖3、圖4)。

2.法蘭工藝優(yōu)化方案

減小法蘭軸向余量單邊2mm，減小法蘭周向余量單邊5mm，輸出端工藝頸減去135mm，如圖4、圖5所示。通過該工藝優(yōu)化，減重為31kg（見圖6）。

二、減小曲軸棒料使用規(guī)格

1.RR法全纖維曲軸鐓鍛工藝設(shè)計(jì)程序

（1）根據(jù)下工序粗加工圖樣繪制曲軸鍛件圖，根據(jù)RR鐓鍛工藝特點(diǎn)確定曲軸各部位余量、余塊。

（2）計(jì)算曲拐各部位體積，根據(jù)體積不變原理（考慮火耗）設(shè)計(jì)單拐曲軸試驗(yàn)臺階軸，根據(jù)試驗(yàn)情況最后確定臺階軸。

（3）依據(jù)曲軸鍛件結(jié)構(gòu)尺寸和RR裝置結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算相關(guān)參數(shù)。

（4）繪制RR曲軸鐓鍛工步模具使用圖及變形圖，變形圖用于指導(dǎo)工人操作。

圖3 優(yōu)化前曲柄三維示意

（5）模具設(shè)計(jì)。從工藝設(shè)計(jì)程序可看出，曲軸鍛件的工藝尺寸是根據(jù)下工序粗加工圖來設(shè)計(jì)，粗加工工藝尺寸是依據(jù)曲軸成品圖在考慮機(jī)加工機(jī)床夾持、熱處理吊裝和熱處理變形對機(jī)加工余量的影響形成的。曲軸鍛件是在考慮余量分布、鍛件長度、曲拐角度偏差、直線度、曲拐半徑偏差及RR法成形的工藝特性來設(shè)計(jì)的。曲軸鍛造臺階軸的長度是根據(jù)體積不變原理（考慮火耗）確定，根據(jù)臺階軸長度確定光棒料長度。

2.CW6200曲軸光棒訂料尺寸確定

減少鍛造原材料最根本的途徑是在滿足鍛造工藝的情況下，盡量減小訂購棒料的體積。主要從兩方面著手：棒料直徑、長度。棒料直徑是根據(jù)鐓鍛方式和主軸頸直徑尺寸來確定的，一般棒料直徑比主軸頸直徑大20～35mm。CW6200曲軸主軸頸鍛件尺寸設(shè)計(jì)為φ185mm，選擇其棒料直徑為210，通過單拐曲軸試驗(yàn)驗(yàn)證，該棒料直徑滿足曲柄成形，如圖7所示。

圖4 優(yōu)化后曲柄三維示意

圖5 CW6200曲軸原輸出端法蘭

圖6 優(yōu)化后CW6200曲軸輸出端法蘭

考慮到原材料進(jìn)廠后超聲波檢測需機(jī)械加工棒料表面滿足檢測要求，訂貨棒料直徑為213mm。根據(jù)體積不變原理（考慮燒損）計(jì)算得CW6200曲軸光棒訂料尺寸為φ213mm×4830mm，原訂料尺寸為φ228mm×4865mm，原材料采購重量減重1560-1350=210（kg）。

三、工藝優(yōu)化結(jié)果

1.工藝試驗(yàn)結(jié)果

工藝試驗(yàn)檢查結(jié)果如圖8、圖9所示，檢查標(biāo)準(zhǔn)為曲軸成品圖，鍛件余量均勻，僅連桿頸頂部余量偏小，檢查曲拐半徑為116mm，鍛件設(shè)計(jì)為125mm，在后期投產(chǎn)中可以通過調(diào)整彎曲模墊片增大曲拐半徑，保證連桿頸頂部余量。

2.批量投產(chǎn)

批量投產(chǎn)過程中通過調(diào)整彎曲模墊片增大曲拐半徑，連桿頸余量均勻。使用專用曲拐加熱爐，減小定位曲柄的熱影響區(qū)，減小曲柄變形，曲軸長度得以控制，同時(shí)加熱效率提升，大幅降低燃動費(fèi)。采用雙定位變形工藝，第二定位模與定位面之間考慮定位曲柄熱脹冷縮留有間隙，減小定位曲柄參與定位時(shí)的變形。同時(shí)第二定位模校正曲軸，減小了曲軸彎曲度。本次工藝革新模具均為優(yōu)化前CW6200模具改制，大幅降低了該工藝優(yōu)化的成本（見圖10）。模具改制摒棄原有大型腔通用定位模設(shè)計(jì)，采用與曲柄外輪廓相似的定位模型腔，增加了模具剛度，延長了模具壽命。

3.優(yōu)化結(jié)果

以每年投產(chǎn)500支CW6200曲軸計(jì)算，CW6200曲軸材質(zhì)為45鋼，目前其原材料采購價(jià)為12元/kg，每年僅原材料采購費(fèi)用可節(jié)約500×210×12=126（萬元）。通過使用專用曲拐加熱爐，加熱效率提升，為原加熱時(shí)間的2/3，燃動費(fèi)500支可節(jié)約31.2萬元。該工藝優(yōu)化基本實(shí)現(xiàn)了鍛件的“凈近”成形，機(jī)械加工費(fèi)用和刀具費(fèi)用降低，500支約合可降低成本20萬元。該工藝優(yōu)化每年可實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約170萬元以上。

四、結(jié)語

圖7 CW6200曲軸單拐試驗(yàn)結(jié)果

圖8 工藝試驗(yàn)開檔及軸頸余量

圖9 曲柄圓周余量

圖10 批量投產(chǎn)減重CW6200曲軸鍛件

該工藝優(yōu)化降低了CW6200曲軸制造成本，為企業(yè)創(chuàng)造了效益。中頻感應(yīng)加熱代替天然氣加熱可降低能源消耗和提高加熱質(zhì)量，可進(jìn)一步優(yōu)化曲軸鍛件降低制造成本。該工藝優(yōu)化的成功對曲軸RR法成形工藝的優(yōu)化積累了數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。但是專用曲軸鐓鍛裝置勢必成為發(fā)展方向，可進(jìn)一步優(yōu)化曲軸鍛件實(shí)現(xiàn)精密鍛造。

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