重慶濰柴某型曲軸RR法鐓鍛工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

文／匡利華·中車資陽(yáng)機(jī)車有限公司 李天國(guó)·杭州巨星有限公司

重慶濰柴某型曲軸RR法鐓鍛工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

文／匡利華·中車資陽(yáng)機(jī)車有限公司 李天國(guó)·杭州巨星有限公司

本文分析了濰柴某型曲軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和優(yōu)化前鍛造工藝特點(diǎn)，結(jié)合半成品交貨狀態(tài)和技術(shù)要求進(jìn)行了鍛造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證了該工藝方案的合理性與可行性；鍛造工藝優(yōu)化后，單支曲軸節(jié)省坯料665kg，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

某型柴油機(jī)是重慶濰柴在吸收了國(guó)內(nèi)外同類機(jī)型先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)、制造的新型柴油機(jī)，標(biāo)定功率為1103～1470kW，轉(zhuǎn)速為750～1000r/min，缸徑為250mm，沖程為300mm。該系列柴油機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、使用可靠、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可作為近海或內(nèi)河航運(yùn)的客船、貨船、陸用發(fā)電機(jī)組以及其他動(dòng)力裝置等的原動(dòng)力。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

該款曲軸由6個(gè)曲拐、3個(gè)飛輪端法蘭和1個(gè)自由端法蘭組成。其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，產(chǎn)品三維圖如圖1所示。此產(chǎn)品與其他曲軸產(chǎn)品相比，主要特點(diǎn)為第12曲柄（為方便起見(jiàn)，本文定義從自由端起向“P”端曲拐依次為1→6拐，曲柄依次為1→12曲柄）為止推軸承擋曲柄，其曲柄圓直徑比其他11個(gè)曲柄圓直徑大，且曲柄厚度比其他曲柄厚，因此鍛造難度大。

表1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 產(chǎn)品三維圖

工藝優(yōu)化前鍛造工藝特點(diǎn)

工藝優(yōu)化前鍛造工藝

優(yōu)化前鍛件是以第12曲柄（大曲柄）進(jìn)行放量設(shè)計(jì)，因此1～11曲柄的鍛造余量很大，材料用料浪費(fèi)，同時(shí)增加下道工序加工量。具體工藝參數(shù)如表2所示。

工藝優(yōu)化目的和依據(jù)

⑴工藝優(yōu)化目的。根據(jù)優(yōu)化前的工藝特點(diǎn)通過(guò)工藝優(yōu)化提高材料利用率，節(jié)約成本。

⑵工藝優(yōu)化依據(jù)。鍛件設(shè)計(jì)對(duì)第1～11曲柄和第12曲柄分別放量設(shè)計(jì)，從而優(yōu)化曲柄設(shè)計(jì)，同時(shí)優(yōu)化主軸頸徑向余量和開(kāi)檔余量。

表2 工藝優(yōu)化前鍛件主要工藝參數(shù)

鍛造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

鍛件優(yōu)化設(shè)計(jì)

⑴曲柄優(yōu)化。分模線由原來(lái)的單分模優(yōu)化為曲線式雙分模，從而優(yōu)化了曲柄圓周余量，鍛件輪廓與產(chǎn)品輪廓線高度吻合，余量均勻，最小的余量達(dá)到12.5mm。工藝優(yōu)化前后的雙拐鍛件二維圖如圖2所示，圖中雙點(diǎn)劃線為交貨狀態(tài)輪廓線，實(shí)線為鍛件輪廓線。

圖2 工藝優(yōu)化前后雙拐鍛件二維圖

⑵主軸頸直徑和開(kāi)檔余量?jī)?yōu)化。主軸頸直徑由φ243mm優(yōu)化為φ235mm，主軸頸開(kāi)檔由100mm優(yōu)化為108mm。

⑶坯料規(guī)格優(yōu)化。坯料規(guī)格為臺(tái)階坯，其直徑φ293mm部分優(yōu)化為φ275mm，直徑φ271mm部分優(yōu)化為φ253mm。

工藝優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

優(yōu)化后鍛件重量減輕了383kg，坯料重量減少了665kg，材料利用率顯著提高。表3為工藝優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比表。

工裝圖設(shè)計(jì)

工裝的主要作用為成形、夾緊和定位，成形部分有彎曲上模、彎曲下模和彎曲上模鑲塊；定位部分有定位擋板和曲拐定位模；夾緊部分有夾緊擋板和夾緊模。

為節(jié)省工裝費(fèi)用，根據(jù)鍛造工藝優(yōu)化結(jié)果，除新制一套成形模外，其他工裝均將原有的工裝進(jìn)行改造后使用。

生產(chǎn)驗(yàn)證

⑴為驗(yàn)證工藝和鍛造工裝設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)行了雙拐鍛造試驗(yàn)。圖3為雙拐鍛造實(shí)物，曲柄成形良好，無(wú)缺肉塌角等缺陷。劃線結(jié)果為：開(kāi)檔方向余量最小為3mm；曲柄圓周方向的余量最小為6mm；曲拐半徑第1拐和第2拐分別為R1=139.5mm，R2=142mm；連桿頸頂部最小余量為5mm。成形效果良好，基本滿足下工序加工要求。但有些地方還需要進(jìn)一步優(yōu)化，如平衡塊安裝面上飛邊大、曲拐半徑比實(shí)際要求的150mm小。

⑵針對(duì)第1次雙拐鍛造試驗(yàn)結(jié)果，分析曲柄平衡塊安裝面上起飛邊的成因。該曲軸鍛件的特點(diǎn)為曲柄平衡塊安裝面與主軸頸頂部基本齊平，落差只有1.5mm；因此該軸在擠壓成形過(guò)程中平衡塊安裝面上容易出飛邊。飛邊存在對(duì)鍛件長(zhǎng)度尺寸會(huì)有一定影響，在曲軸擠壓成形時(shí)存在RR模具壓不靠的風(fēng)險(xiǎn)，從而造成鍛件偏長(zhǎng)。

表3 前后工藝參數(shù)對(duì)比

圖3 第1次雙拐試驗(yàn)鍛件實(shí)物

根據(jù)上述分析，將彎曲上模體進(jìn)行優(yōu)化，即兩型腔外側(cè)增加了兩個(gè)飛邊槽，如圖4所示。將平衡塊上飛邊裝入所設(shè)計(jì)的飛邊槽中，這樣在曲軸擠壓成形過(guò)程中不會(huì)影響RR模具壓靠，避免曲軸鍛件偏長(zhǎng)。

經(jīng)過(guò)對(duì)工裝的優(yōu)化，進(jìn)行第2次雙拐試驗(yàn)，并且鍛造過(guò)程中在彎曲上模體上加墊10mm，增加錯(cuò)拐行程，即增加曲拐半徑。圖5為第2次雙拐鍛造試驗(yàn)的鍛件實(shí)物，劃線結(jié)果：開(kāi)檔方向余量均勻，最小為5mm，曲拐半徑第1拐為149mm，第2拐為150mm。由此可見(jiàn)，彎曲上模體開(kāi)飛邊槽對(duì)鍛件的長(zhǎng)度控制效果明顯，在彎曲上模體上加墊對(duì)增加曲拐半徑有效。

⑶雙拐試制成功，投入了整軸和小批量試生產(chǎn)，為確保鍛件長(zhǎng)度不偏長(zhǎng)或短，要求操作工鍛造時(shí)需待前面擠壓完成的曲拐冷硬冷黑后方可裝爐加熱。圖6為小批量生產(chǎn)鍛件實(shí)物圖。

圖4 彎曲上模體飛邊槽的設(shè)計(jì)

圖5 第2次雙拐試驗(yàn)鍛件實(shí)物

圖6 小批量鍛件實(shí)物

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)優(yōu)化曲柄形狀、優(yōu)化主軸頸直徑和開(kāi)檔余量、優(yōu)化訂料規(guī)格達(dá)到該款曲軸鍛造工藝優(yōu)化目的，單支曲軸跟原工藝相比節(jié)省原材料665kg，在提高材料利用率的同時(shí)，也減少了后期加工量。

以原材料每千克12元的價(jià)格計(jì)算，工藝優(yōu)化后單支曲軸節(jié)省原材料費(fèi)用為7980元。我公司2015年該型曲軸的訂單量120支，據(jù)此計(jì)算，節(jié)約原材料費(fèi)用共計(jì)95.76萬(wàn)元。新制工裝和改制工裝共需費(fèi)用為21.48萬(wàn)元。因此，僅2015年生產(chǎn)的該型曲軸因工藝優(yōu)化節(jié)約的成本就達(dá)74.28萬(wàn)元。