本文根據(jù)錯(cuò)拐曲軸的產(chǎn)品形狀，結(jié)合零件的尺寸及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析其在鍛錘上的成形工藝，并制定成形工藝方案。通過(guò)DEFORM-3D模擬軟件對(duì)鍛打工藝用料及成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，從動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程中觀察模鍛過(guò)程中金屬的流動(dòng)及填充情況。在模擬及實(shí)際批量生產(chǎn)中，此套錯(cuò)拐曲軸的工藝方案合理，為其他同類型的錯(cuò)拐曲軸實(shí)際工藝的制定提供了參考。

曲軸簡(jiǎn)介

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中承載最復(fù)雜、最重要的部件之一，廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)、活塞式壓縮機(jī)、通用機(jī)械等領(lǐng)域，對(duì)整機(jī)性能有著重要的影響。近幾年，我廠設(shè)計(jì)開發(fā)了一系列曲軸，有單缸曲軸、六缸曲軸、八缸曲軸等，其中以六缸曲軸最為常見(jiàn)。我們常見(jiàn)的六缸曲軸連桿頸之間的相位角多為90°和120°，我廠開發(fā)的六缸曲軸，連桿頸相位角以30°、90°來(lái)排布，產(chǎn)品特點(diǎn)比較典型，稱之為六缸錯(cuò)拐曲軸。下文對(duì)其模鍛成形工藝的確定展開詳細(xì)的分析。

模鍛工藝成形分析

產(chǎn)品形狀及特點(diǎn)分析

圖1 產(chǎn)品示意圖

圖2 產(chǎn)品三維模型

圖1、圖2分別為該產(chǎn)品的二維示意圖和三維模型，該產(chǎn)品同樣是一個(gè)六缸曲軸，只是相位角排布不同于常規(guī)，為一個(gè)錯(cuò)拐曲軸，產(chǎn)品長(zhǎng)度為663mm，共有九個(gè)曲柄，六個(gè)連桿頸。從小頭看，第1、3、7、9曲柄需要安裝配重塊，第4、6曲柄為常規(guī)平衡塊，寬度均為23.5mm，第2、5、8曲柄為橢圓形形狀，形狀比較簡(jiǎn)單，但曲柄寬度僅有7mm。第一連桿頸與第二連桿頸之間的相位角為30°，第二連桿頸與第三連桿頸之間的相位角為90°，第四、五、六連桿頸也以此為規(guī)律排布。第一、二連桿頸之間形成一處錯(cuò)拐，第三、四連桿頸與第五、六連桿頸之間為其余兩處錯(cuò)拐。九個(gè)曲柄除連桿頸背錐外均需要加工。

圖3 連桿頸增加工藝補(bǔ)充及內(nèi)側(cè)分模面

模鍛工藝分析

依據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，結(jié)合我廠的實(shí)際情況，采用錘上模鍛成形工藝進(jìn)行開發(fā)。通過(guò)計(jì)算成形時(shí)各個(gè)錯(cuò)拐處的大體用料情況，決定用最簡(jiǎn)單的方式——棒料加熱后直接終鍛成形。這種方式一火加熱、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、生產(chǎn)效率高，鍛件表面質(zhì)量較好。該產(chǎn)品的開發(fā)工藝流程為：下料→加熱→終鍛成形→切邊→熱校正。

模鍛工藝設(shè)計(jì)

鍛件圖設(shè)計(jì)

⑴加工余量的確定。針對(duì)產(chǎn)品圖中顧客對(duì)各個(gè)加工面表面質(zhì)量的不同要求及我廠鍛錘的使用性能，確定各加工面的加工余量。第1、3、4、6、7、9曲柄兩側(cè)面余量確定為單側(cè)1.5mm，第2、5、8錯(cuò)拐曲柄由于產(chǎn)品圖中的寬度只有7mm，如果兩側(cè)面按照1.5mm來(lái)放加工余量的話，曲柄寬度也僅為10mm。在模鍛成形時(shí)，由于型腔特別窄，坯料不容易填充，會(huì)造成曲柄充不滿，同時(shí)也影響模具壽命。綜合考慮后，這三處錯(cuò)拐曲柄兩側(cè)面的加工余量確定為單邊4.5mm，保證曲柄寬度為16mm，可以滿足坯料填充的需求。連桿頸、主軸頸及軸肩臺(tái)、大小頭法蘭處的余量按照我廠錘上成形常規(guī)曲軸鍛件所需的余量執(zhí)行。

⑵分模方式的確定。最簡(jiǎn)單的成形方式一般是最實(shí)用的，為減少成形工序，提高生產(chǎn)效率，該曲軸采用立體分模方式，一火單工序成形。分模的難點(diǎn)在于第2、5、8錯(cuò)拐曲柄處的分模，如何滿足坯料填充，如何與相鄰曲柄銜接。經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析與討論，確定了分模面的具體形式，以第一連桿頸為例，如圖3、圖4所示。

⑶拔模角的確定。由于是鍛錘上成形，為方便鍛打后鍛件順利出模，拔模角不能太小，該曲軸的拔模角最終確定為5°，淺處交于分模面(保證型腔最深的地方出模角為5°）。

⑷工藝補(bǔ)充。因?yàn)榍?、軸肩臺(tái)側(cè)面增加余量和拔模斜度后，連桿頸的寬度減小，經(jīng)過(guò)分析和討論后，確定該曲軸錯(cuò)拐處需要增加工藝補(bǔ)充用于增強(qiáng)模具強(qiáng)度和提高模具使用壽命。以第1連桿頸為例，拔模后第1、2曲柄之間的寬度在20.8mm左右，此部分形狀反映在模具上為窄條凸起形狀。?？趫A角做出后，凸起部分的寬度會(huì)更小，模具強(qiáng)度下降，在鍛打過(guò)程中，很容易被打塌，一旦打塌，需要停止鍛打，人工修模，不僅降低了工作效率，更嚴(yán)重降低了模具的使用壽命，在一定程度上增加了模具投入的成本。為了解決這個(gè)問(wèn)題，借助相鄰曲柄形狀對(duì)連桿頸增加了工藝補(bǔ)充，加強(qiáng)該處的模具強(qiáng)度。增加工藝補(bǔ)充添量后的連桿頸為圖3剖面線部分，該方案得到了客戶的認(rèn)可。同時(shí)客戶也提出了一個(gè)要求，將曲軸大頭法蘭一側(cè)加長(zhǎng)80mm，直徑做到φ110mm以滿足加工時(shí)裝卡等需要。經(jīng)過(guò)加工余量、分模方式、拔模斜度等的確定完成鍛件圖的設(shè)計(jì)（圖4）。

圖4 鍛件視圖

模具設(shè)計(jì)

錘鍛模設(shè)計(jì)

⑴鍛錘噸位的確定。該曲軸鍛件重量為91.4kg，通過(guò)計(jì)算鍛打力，我廠13t設(shè)備可以滿足鍛打需要，但與13t配套的切邊壓床為800t，壓床的最大行程為400mm。由于鍛件豎直方向高點(diǎn)到低點(diǎn)的落差為265mm，當(dāng)壓床升到最高極限時(shí)，沖頭導(dǎo)面高點(diǎn)與凹模導(dǎo)面高點(diǎn)之間的距離已經(jīng)不足265mm，空間受限。切邊時(shí)鍛件無(wú)法順利的自上而下放入凹模里，同時(shí)也很容易刮傷鍛件，操作工操作起來(lái)難度也比較大。針對(duì)這種情況，該產(chǎn)品最終確定在我廠16t設(shè)備上鍛打。16t錘所配備的壓床為1250t壓床，行程500mm，可以滿足切邊時(shí)的需要。

⑵熱鍛件圖的設(shè)計(jì)。產(chǎn)品材質(zhì)為42CrMoA。根據(jù)材質(zhì)，確定熱收縮系數(shù)，將鍛件圖轉(zhuǎn)換為熱鍛件圖，該曲軸采用收縮系數(shù)為1.5%。

查閱《鍛工手冊(cè)》計(jì)算在16t上鍛打時(shí)需要的最小承擊面，結(jié)合鍛件長(zhǎng)、寬、高等尺寸，確定模塊外形尺寸。借助三維建模軟件，確定該曲軸在錘上的打擊中心。模具設(shè)計(jì)時(shí)，鍛模模具中心（燕尾中心線與定位鍵中心線的交點(diǎn)）要與打擊中心（錘桿中心線）重合。

⑶鎖扣的設(shè)計(jì)。為了防止鍛件在鍛打過(guò)程中產(chǎn)生錯(cuò)差，也為了模具安裝調(diào)整方便，在錘鍛模模體上設(shè)計(jì)了四處角鎖扣。為了避免氧化皮粘附在鎖扣上，吹風(fēng)時(shí)不好清理，將凸鎖扣設(shè)計(jì)在下模，凹鎖扣設(shè)計(jì)在上模。吹風(fēng)時(shí)操作方便，氧化皮也不會(huì)在凹鎖扣里堆積。

⑷橋部及飛邊槽的設(shè)計(jì)。該曲軸形狀比較復(fù)雜，為便于型腔充滿，將橋部設(shè)計(jì)在下模。按照標(biāo)準(zhǔn)所查，橋部高度為6～9mm，但由于所用16t設(shè)備力量偏大，為避免鍛錘打擊力量過(guò)大，將坯料打跑，鍛件充不滿，將橋部高度減小到5mm，采用雙倉(cāng)，并進(jìn)行加深，單側(cè)深度為25mm（圖5）。模具上局部做出傾斜45°的處理則是為了增強(qiáng)背錐處的模具強(qiáng)度，設(shè)計(jì)圖如圖6所示。

圖5 飛邊槽及外側(cè)導(dǎo)面

圖6 背錐做出45°處理

⑸定位凹槽的設(shè)計(jì)。該曲軸導(dǎo)面高差大，在下模模具型腔第1、3，7、9曲柄內(nèi)側(cè)開檔處設(shè)計(jì)了兩處深5mm的放料圓弧凹槽，凹槽直徑和熱坯料直徑一樣。凹槽邊緣采用圓角過(guò)渡，便于坯料定位且不影響終鍛成形，操作工可以很方便的將加熱后的坯料放在定位凹槽中而不用來(lái)回?cái)[放坯料。

⑹切邊模的設(shè)計(jì)。切邊模主要的組成部件是模板、凹模、沖頭、沖頭夾。底座和沖頭夾選用我廠標(biāo)準(zhǔn)件，一般曲軸切邊后，鍛件掉入底座落料孔后會(huì)扭轉(zhuǎn)一個(gè)角度或者傾斜，不會(huì)卡在凹模下端。但這類曲軸受相位角影響，鍛件進(jìn)入落料孔后，傾斜的角度會(huì)比較小，最高面容易卡在凹模底部，造成取件困難。需要人工借助工具將鍛件扭轉(zhuǎn)后，才能由轉(zhuǎn)序小車夾持運(yùn)走，在一定程度上增加了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，降低生產(chǎn)效率。為了避免此種情況出現(xiàn)，防患于未然，在保證模板強(qiáng)度情況下，在模板底部做出高度為30mm的通凹槽，以此來(lái)增加落料空間，方便取件（圖7）。凹模設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到毛邊會(huì)卡在凹模導(dǎo)面上，鍛件放不平穩(wěn)，切邊時(shí)造成切邊變形。凹模導(dǎo)面做出5mm，連桿頸開檔處做出10mm的間隙（圖8）。

圖7 模板底部做出空開

圖8 凹模導(dǎo)面間隙

⑺熱校正的設(shè)計(jì)。熱校正模主要用來(lái)校正鍛件厚度，消除切邊變形，為防止擠壓鍛件，造成鍛件二次變形，型槽做出軸向間隙1.5mm來(lái)讓開鍛件。所有圓形形狀均在分模面方向做了60°斜面讓開，設(shè)計(jì)圖如圖9所示。

圖9 側(cè)向空開

工藝模擬

為了驗(yàn)證模具設(shè)計(jì)的合理性，了解坯料的填充情況，進(jìn)一步驗(yàn)證坯料規(guī)格，降低開發(fā)成本，利用DEFORM-3D軟件對(duì)工藝方案進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，確定了本工藝方案理論上的可行性。針對(duì)模擬后的情況，對(duì)模具進(jìn)行了一些細(xì)節(jié)上的完善。

圖10為坯料放置情況，圖11為坯料在變形初期，圖12為坯料成形過(guò)程，圖13為鍛件打靠，成形結(jié)果。從上所述：上模凸出部位先與坯料接觸，在變形初期，坯料接觸模具部位，金屬發(fā)生局部流動(dòng)，變形速度比較??；在成形過(guò)程中，金屬流動(dòng)沿坯料軸線方向逐漸加強(qiáng)；成形后期，金屬在軸線方向的流動(dòng)趨勢(shì)漸弱，模具型腔已經(jīng)充填滿。金屬流動(dòng)主要從坯料的局部向毛邊槽方向流動(dòng)，直至鍛件打靠，鍛造過(guò)程結(jié)束。從模擬結(jié)果來(lái)看，最終成形時(shí)，鍛件流線符合工藝要求，金屬流動(dòng)穩(wěn)定，無(wú)折紋、折疊、充不滿等現(xiàn)象。

圖14為實(shí)際鍛打后的毛邊，圖15為噴丸后的鍛件。從毛邊的情況的看，與模擬狀態(tài)基本一致。

注意事項(xiàng)

⑴料溫要控制在1150±30℃。料溫過(guò)低，鍛件打不靠，局部會(huì)充不滿；料溫過(guò)高，坯料會(huì)過(guò)燒，造成報(bào)廢。

圖10 坯料放置情況

圖11 坯料變形初期

圖12 坯料成形過(guò)程

圖13 成形結(jié)果

圖14 鍛打的毛邊

圖15 噴丸后的鍛件

⑵鍛打時(shí)前幾錘不能用重錘，防止把料打跑，要先輕后重，輕錘5～6錘，重錘5～6錘，平均錘數(shù)11～12錘。

⑶切邊后要及時(shí)取下毛邊，可以使用撬杠等工具,讓毛邊在沖頭上傾斜一定角度，毛邊就能很容易取出。

結(jié)論

通過(guò)分析該六缸錯(cuò)拐曲軸錘上模鍛工藝，制定成形工藝方案，完成鍛模設(shè)計(jì)。并用DEFORM-3D模擬軟件對(duì)金屬的變形過(guò)程進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬情況完善細(xì)節(jié)。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，采用該種工藝方案鍛打時(shí)，坯料在模具型腔里流動(dòng)順利，鍛件各個(gè)部位成形效果良好，沒(méi)有出現(xiàn)充不滿、折紋、折疊等缺陷。本文所述可為類似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)和實(shí)際生產(chǎn)工藝制定提供有效指導(dǎo)。