曲軸扭拐成形后的校正模具設(shè)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

曲軸扭拐成形后的校正模具設(shè)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(quán)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(jié)構(gòu)和工藝僅針對扭拐的實現(xiàn)而設(shè)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(gòu)，且現(xiàn)有結(jié)構(gòu)不具備抵制某些變形的相應(yīng)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(cè)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(shè)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(fù)至曲拐原角度。

傳統(tǒng)校正模具設(shè)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(cè)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(shè)計是在熱模鍛件軸向尺寸基礎(chǔ)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(chǔ)上軸向側(cè)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(cè)面間隙尺寸的確定

設(shè)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(cè)面與模鍛熱鍛件軸向側(cè)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(cè)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(chǔ)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(cè)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(yīng)計算功能的CAD軟件中實現(xiàn)。圖4為CAD軟件計算結(jié)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(yù)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(cè)面最小間隙值，與目標值1.5mm比對后，調(diào)整預(yù)取值來確定。

圖4 CAD軟件計算結(jié)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(shè)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(chǔ)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(cè)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(cè)面，圖7b灰色面為校正模型槽側(cè)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(cè)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(cè)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(jié)果如圖7e所示。

圖7 校正模與鍛件側(cè)向間隙的3D模型

簡約型校正模具設(shè)計

由于上模側(cè)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(shè)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(cè)面間隙值來確定t值（α為模鍛件拔模斜度）。這樣一來，設(shè)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(shè)計的校正模，如圖8所示，圖8b為在圖8a的基礎(chǔ)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(shè)計

工藝訴求和實施條件

隨著萬噸以上鍛壓設(shè)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(cè)面機加工后不允許有黑皮，至少不能有大面積黑皮；或側(cè)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(cè)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(shè)備、工序傳遞、質(zhì)量控制、模具磨損監(jiān)控和工藝設(shè)計等提出了更高的要求。小間隙校正模具的工藝設(shè)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(shè)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(shè)計方式使位于曲柄平衡塊軸向兩側(cè)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(cè)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(cè)面BCD上的點為側(cè)面相應(yīng)x值對應(yīng)不同y值的最大z值點，以側(cè)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(fù)雜形狀曲柄校正模的設(shè)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(cè)進行出模角度檢測，若存在局部不能出模區(qū)域，做相應(yīng)區(qū)域標定，對其進行構(gòu)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(gòu)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(jié)束語

本文以典型的WD615斯太爾扭拐曲軸校正工藝的模具設(shè)計為例，闡述了原始校正模的設(shè)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(shè)計，此設(shè)計方法具有很高的設(shè)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(shè)計是在特定條件下的一種新的工藝訴求，與常規(guī)的設(shè)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(fù)雜曲柄小間隙校正模具的設(shè)計。