整體曲軸鐓鍛液壓機(jī)坯料軸向定位裝置

文/梁偉立·天鍛壓力機(jī)有限公司

趙精鳳·天津市康庫(kù)得機(jī)電技術(shù)有限公司

整體曲軸鐓鍛液壓機(jī)坯料軸向定位裝置

文/梁偉立·天鍛壓力機(jī)有限公司

趙精鳳·天津市康庫(kù)得機(jī)電技術(shù)有限公司

目前，國(guó)際上曲軸的鐓鍛技術(shù)主要有RR法、TR法、NRR法、臥式專(zhuān)機(jī)、NTR法。

RR法的特點(diǎn)是：在大型自由鍛水壓機(jī)上，加裝了帶有對(duì)向側(cè)楔式鐓鍛機(jī)構(gòu)的專(zhuān)用鐓鍛裝置，其彎曲與鐓鍛行程參數(shù)不能單獨(dú)控制，不能實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化。

TR法的特點(diǎn)是：應(yīng)用了一種帶有對(duì)向肘桿增力機(jī)構(gòu)的新型曲軸彎曲鐓鍛裝置，肘桿增力機(jī)構(gòu)可使終鐓力增大2.5倍。

NRR法的特點(diǎn)是：在RR法裝置上增設(shè)了可單均加工有軸向定位環(huán)槽的棒坯，將毛坯預(yù)制成“糖葫蘆”狀，然后在專(zhuān)用的鐓彎模內(nèi)將兩側(cè)拐頸部分鐓出，并將拐頸錯(cuò)移，彎曲成拐柄，如圖1所示。其鍛造過(guò)程如圖2所示，坯料加熱后放在模具中夾緊（液壓夾緊和機(jī)械夾緊），當(dāng)壓力機(jī)下壓時(shí)，沖頭向下錯(cuò)移，左右卡模向中間移動(dòng)，坯料在垂直和水平兩個(gè)方向受力，產(chǎn)生彎曲與鐓粗的復(fù)合變形，每次行程成形一個(gè)曲拐。

這些鐓鍛方法生產(chǎn)的鍛件表面金屬纖維流線被切斷，因而鍛件的性能低，單邊加工獨(dú)控制的彎曲缸，采用了曲軸頂鐓工藝，為了增大鐓鍛力，增設(shè)了輔助鐓鍛缸。

臥式專(zhuān)機(jī)是美國(guó)National Forge公司研制的、在NTR法之前國(guó)際上惟一一臺(tái)臥式曲軸彎曲鐓鍛專(zhuān)用液壓機(jī)，其外形尺寸為34m×26m×24m，體積龐大。

NTR法在TR法與NRR法的基礎(chǔ)上，應(yīng)用了TR法中對(duì)向肘桿的增力原理和NRR法中曲軸頂鐓工藝，并研發(fā)了預(yù)上彎工藝，使曲軸成形更好，鐓鍛的精度更高。

現(xiàn)有曲軸鐓鍛技術(shù)的不足

圖1 RR法、NRR法及TR法糖葫蘆狀階梯棒料示意圖

圖2 糖葫蘆狀階梯棒料鍛造過(guò)程示意圖

無(wú)論是RR法、NRR法還是TR法，它們的工藝特點(diǎn)都是：在主軸頸和拐軸頸位置處，余量很大；臥式專(zhuān)機(jī)雖然可實(shí)現(xiàn)無(wú)預(yù)先加工定位環(huán)槽的光棒坯料鍛造，但因設(shè)備體積龐大，僅20MN/36.2MN的設(shè)備體積就達(dá)到了34m×26m×24m，設(shè)備投資巨大，沒(méi)有普及成功。

NTR法在研制初期進(jìn)行鍛造時(shí)，比RR法、NRR法和TR法先進(jìn)了一步,在拐軸頸位置處加工定位環(huán)槽，而主軸頸處不加工定位環(huán)槽,如圖3所示。其鍛造過(guò)程如圖4所示，坯料加熱后放在下模箱中，在下模箱中預(yù)先安裝好坯料軸向模具定位塊，當(dāng)壓力機(jī)下壓時(shí)，通過(guò)肘桿機(jī)構(gòu)，壓力機(jī)的壓力分解為垂直彎曲力和水平鐓鍛力。隨著肘桿傾角的逐漸減小，水平鐓粗力逐漸加大。到達(dá)鐓鍛終點(diǎn)時(shí)，水平分力達(dá)到最大值，其值可達(dá)到壓力機(jī)公稱(chēng)壓力的5倍以上。同時(shí)上下模箱合模，沖頭根據(jù)工藝要求向上或向下錯(cuò)移，進(jìn)行預(yù)上彎或預(yù)下彎，左右模箱向中間對(duì)向移動(dòng)，坯料在垂直與水平兩個(gè)方向受壓，產(chǎn)生彎曲與鐓粗的復(fù)合變形。同樣，每次行程也成形一個(gè)曲拐。

圖3 NTR法棒料示意圖

圖4 NTR法鍛造過(guò)程示意圖

這樣獲得的曲軸鍛件外形與零件大致相同，重量輕，質(zhì)量好，加工余量小，既節(jié)省金屬，又減少了切削加工工時(shí)，提高了生產(chǎn)效率。但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，NTR法雖然在鐓鍛前主軸頸處不加工定位環(huán)槽,但因其在拐軸頸處加工定位環(huán)槽，所以并非真正意義上的全纖維彎曲鐓鍛。

鑒于以上情況，需要研制一種坯料軸向定位裝置，使得曲軸棒坯在鐓鍛前，無(wú)論是主軸頸處還是拐軸頸處，都不加工定位環(huán)槽，實(shí)現(xiàn)整體曲軸真正意義上的全纖維彎曲鐓鍛。

軸向定位裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

坯料軸向定位裝置（圖5）由拖箱（即拖箱焊接件）、拖箱液壓缸、軸向?qū)病⑼舷渲屋?部分組成，其中的軸向?qū)卜譃槲膊繉?dǎo)筒、中間導(dǎo)筒和長(zhǎng)導(dǎo)筒3種。中間導(dǎo)筒也叫長(zhǎng)度調(diào)整塊，是用來(lái)調(diào)整長(zhǎng)度的，導(dǎo)筒之間用拉緊銷(xiāo)連接，每個(gè)導(dǎo)筒上都安裝有吊裝螺栓；拖箱支撐輪的結(jié)構(gòu)與移動(dòng)工作臺(tái)下方的支撐輪結(jié)構(gòu)相似，其上也安裝有碟簧組和定位螺桿。拖箱的右端與左下模箱左側(cè)連接，其下部裝有支撐輪，可隨左下模箱一起移動(dòng)、浮起與壓下；在拖箱內(nèi)裝有拖箱缸和導(dǎo)筒，導(dǎo)筒的一端與拖箱缸的缸桿連接，隨著液壓缸缸桿的伸出與縮回來(lái)調(diào)節(jié)光棒坯料的位置，導(dǎo)筒的另一端頂在光棒坯料無(wú)角度定位孔一端的端面上，當(dāng)鐓鍛時(shí)，由拖箱缸提供的軸向力抵消了熱坯料變形抗力，實(shí)現(xiàn)坯料軸向定位。

工作原理

當(dāng)上、下模箱合模時(shí)，光棒坯料右側(cè)由固定在上下模箱上的二號(hào)塊限制其軸向位移；光棒坯料左側(cè)利用軸向定位裝置中拖箱缸提供的力限制其軸向位移。在軸向定位裝置中，拖箱的右端與左下模箱左端面連接，當(dāng)上、下模箱對(duì)向移動(dòng)進(jìn)行鐓鍛時(shí)，同時(shí)帶動(dòng)軸向定位裝置也向右移動(dòng)，在鐓鍛過(guò)程中拖箱缸只需利用背壓克服坯料向后的脹模力，缸桿無(wú)需移動(dòng)，如圖6所示。

圖5 NTR法光棒坯軸向定位裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 NTR法第一個(gè)曲柄鐓鍛準(zhǔn)備階段示意圖

圖7 NTR法第一個(gè)曲柄鐓鍛完成和補(bǔ)償示意圖

第一拐鐓鍛完成后的結(jié)果，如圖7a所示，長(zhǎng)度調(diào)整塊與拖箱的相對(duì)位置沒(méi)有發(fā)生改變，拖箱缸活塞桿沒(méi)有移動(dòng)，這樣方便與壓機(jī)控制，利于成形優(yōu)化。鐓鍛曲軸后續(xù)拐柄時(shí)，利用拖箱缸補(bǔ)償其軸向長(zhǎng)度，當(dāng)拖箱缸補(bǔ)償不夠時(shí)，增加長(zhǎng)度調(diào)整塊（即中間導(dǎo)筒）的個(gè)數(shù)來(lái)進(jìn)行長(zhǎng)度補(bǔ)償，如圖7b所示。

這樣獲得的曲軸鍛件外形與零件大致相同，曲拐拐柄為橢圓形截面，因此重量輕，質(zhì)量好，與自由鍛比較，在經(jīng)濟(jì)方面具有一系列的優(yōu)點(diǎn)：形狀尺寸接近成品零件，加工余量??；鍛造纖維按曲軸形狀合理分布且連續(xù)，和受力情況相適應(yīng)，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量；節(jié)省了大量金屬，減少了切削加工工時(shí)，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率，適應(yīng)于大批量生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的全纖維整體曲軸彎曲鐓鍛。

應(yīng)用情況

采用NTR法全纖維曲軸彎曲鐓鍛專(zhuān)用液壓機(jī)加工的高質(zhì)量曲軸，正在逐步成為行業(yè)內(nèi)的需求熱點(diǎn)。目前，此類(lèi)NTR法鐓鍛技術(shù)已經(jīng)有了初步的應(yīng)用。鞍山鋼鐵公司8000t水壓機(jī)上，采用NTR法裝置與半閉式模具，進(jìn)行了小批量生產(chǎn)。但該裝置僅限于利用通用液壓機(jī)進(jìn)行改造，而非鐓鍛專(zhuān)用液壓機(jī)，因此效率低，加工范圍小，不適合大批量和多規(guī)格曲軸的壓制。

天津康庫(kù)德機(jī)電技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)了首臺(tái)專(zhuān)用于大型多拐曲軸彎曲鐓鍛的NTR法專(zhuān)用液壓機(jī)，目前生產(chǎn)的曲軸產(chǎn)品已經(jīng)在勝利油田動(dòng)力機(jī)械有限公司、中國(guó)南車(chē)集團(tuán)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛廠、洛陽(yáng)河柴發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司等中得到了廣泛應(yīng)用。

NTR法全纖維曲軸彎曲鐓鍛專(zhuān)用液壓機(jī)采用的是創(chuàng)新工藝，提高了成材率，每支曲軸可節(jié)約材料消耗300kg（以12V190曲軸為計(jì)算單位），如果按年生產(chǎn)8000支曲軸計(jì)算，每年可節(jié)約高合金鋼2400t，折合人民幣為1920萬(wàn)元，降低加熱電耗約168萬(wàn)度，降低加工能耗50%以上，節(jié)約其他費(fèi)用2256萬(wàn)元。

結(jié)束語(yǔ)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的造船業(yè)、高速機(jī)車(chē)制造業(yè)等發(fā)展迅速，已成為我國(guó)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)，支撐這些支柱產(chǎn)業(yè)的是現(xiàn)代大功率柴油機(jī)制造業(yè)，高品質(zhì)大型曲軸的生產(chǎn)是制約大功率柴油機(jī)更新?lián)Q代的關(guān)鍵。為盡快發(fā)展我國(guó)大型高速柴油機(jī)，必須確保曲軸的質(zhì)量，要求新的工藝和裝備，鍛造制坯這一環(huán)節(jié)顯得尤為重要，應(yīng)當(dāng)在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，不斷優(yōu)化工藝程序，采取最佳的液壓機(jī)結(jié)構(gòu)和鐓彎速比，提高鍛件精度。我公司開(kāi)發(fā)出NTR法全纖維曲軸彎曲鐓鍛專(zhuān)用液壓機(jī)，能夠壓制出高品質(zhì)大型曲軸鍛件，推動(dòng)我國(guó)大功率柴油機(jī)組制造技術(shù)趕超世界先進(jìn)水平。

梁偉立，工程師，技術(shù)部項(xiàng)目經(jīng)理，主要從事液壓機(jī)的本體優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、機(jī)床模擬加工仿真等方面的工作。