三缸曲軸鍛造工藝

文／楊金成·上海納鐵福傳動系統(tǒng)有限公司武漢二廠

三缸曲軸鍛造工藝

文／楊金成·上海納鐵福傳動系統(tǒng)有限公司武漢二廠

三缸發(fā)動機部件少，結(jié)構(gòu)緊湊、自重輕，相對油耗也要低一些，隨著我國轎車和微車產(chǎn)量的上升，以及汽車自重輕量化要求，三缸曲軸的市場會越來越大，因此我們有必要對三缸曲軸生產(chǎn)鍛造工藝進行探索和研究，以提高我們的技術(shù)水平，提高產(chǎn)品競爭能力。表1為目前調(diào)試過的幾種三缸曲軸數(shù)據(jù)。

表1 幾種三缸曲軸測量數(shù)據(jù)

三缸曲軸的特點和鍛件設(shè)計

三缸曲軸的特點

曲軸鍛件一般由主軸頸、連桿頸、平衡塊（曲拐）、法蘭和輸出軸組成。三缸曲軸鍛件的特點是：

①三個連桿頸呈120°分布，不在一個平面上，如直接鍛造成形，需要采用曲面分模。

②受三缸曲軸自身形狀影響，為滿足鍛造出模需要，需要對三缸曲軸產(chǎn)品平衡塊形狀進行一定更改，或者增加比較大的工藝余塊。

③受鍛件自身形狀影響，鍛件分模后，平衡塊形狀在分模面一側(cè)形狀較深，如JH371曲軸中間兩個平衡塊深96mm，高寬比達5.5，鍛造時充滿比較困難；E10曲軸平衡塊在分模后，型腔較深一面高80mm，高寬比為4.2。同時在鍛打時，模具平衡塊中間型腔也容易倒。為保證平衡塊能夠充滿，需要較大規(guī)格坯料，整體鍛造成形時材料利用率較低。

④三缸曲軸需要采用壓彎或者成形擠壓工步，以利于鍛打時擺放坯料和平衡塊充滿。

⑤根據(jù)三缸曲軸以上特點，采用平面分模鍛造成形后，通過扭轉(zhuǎn)工藝將三個連桿頸角度扭轉(zhuǎn)到所需要角度，能夠提高材料利用率和模具壽命，提高產(chǎn)品競爭能力。

三缸曲軸鍛造成形鍛件圖設(shè)計

設(shè)計方法基本同四缸曲軸，鍛件圖涉及如下幾個方面：分模面、工藝余塊、軸向徑向定位基準余量、模鍛斜度、圓角半徑、尺寸及公差、技術(shù)條件（材料、熱處理、直線度、預(yù)平衡要求、表面缺陷、切邊毛刺）。鍛件加工余量為：主軸頸2mm ，連桿頸2.5mm，平衡塊側(cè)1.5mm，小頭等易變形部位，需局部加大加工余量。

由于三個連桿頸呈120°分布，需要采用曲面分模，平衡塊連桿頸內(nèi)側(cè)分模面選在連桿中心與曲柄最大截面連線位置；為利于中間兩個平衡塊能夠充滿，將中間連桿頸增加余塊，使分模面下降。分模后為保證鍛件能夠出模，需要看鍛件是否有不能出模地方，中間平衡塊不能出模，還需要增加工藝余塊。圖1所示為E10曲軸平衡塊拔模更改示意圖。

圖1 平衡塊拔模更改示意圖

三缸曲軸工藝過程及模具設(shè)計

對于三缸曲軸的鍛造成形方案，即加熱→成形擠壓→預(yù)鍛→終鍛→切邊→熱校正。E10曲軸采用成形擠壓制坯，較371曲軸壓彎工藝具有很明顯的優(yōu)勢，但如果制坯工位沒有頂料，應(yīng)用有一定的難度。

成形擠壓

成形擠壓工藝的目的是成形鍛件的大致形狀，要求非常模糊，不要形成大而明顯的飛邊。對于本田PPA曲軸的擠壓件，飛邊很小，在水平方向，以平衡塊的最遠處為一個近似的長方形（L軸部位除外）。

預(yù)終鍛設(shè)計

受三缸曲軸自身形狀影響，三缸曲軸平衡塊形狀較深，在鍛打時，模具平衡塊中間型腔也容易倒，在調(diào)試生產(chǎn)371曲軸時，生產(chǎn)60多件，模具平衡塊中間型腔中間變形最大處達4mm；在調(diào)試生產(chǎn)E10曲軸時，將模具結(jié)構(gòu)設(shè)計為鑲塊式結(jié)構(gòu)，將第一、三連桿處平衡塊中間型腔容易倒部位設(shè)計為鑲塊，采用壓板和螺釘固定。在此處模具型腔倒時，再更換一個鑲塊生產(chǎn)。圖2所示為鑲塊模具示意圖。

⑴鎖扣設(shè)計。

由于轎車曲軸的錯差一般為小于等于1.0mm，為保證批量生產(chǎn)的穩(wěn)定性，采用四角鎖扣進行導(dǎo)向，同時平衡鍛模錯移力。因為曲軸鍛造過程中瞬時變形載荷中心與鍛模模塊中心不能完全重合，模具易產(chǎn)生錯移，又考慮到設(shè)備、夾持器經(jīng)長期使用導(dǎo)向精度差，若要保證鍛件的精度，需采用能夠抗偏載的直鎖扣結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在鎖扣結(jié)構(gòu)、尺寸已經(jīng)標準化，鎖扣長寬高設(shè)計為65mm×65mm×35mm。

圖2 鑲塊模具示意圖

⑵排氣孔設(shè)計。

在型腔中金屬最后充滿處開設(shè)排氣孔。由于模膛平衡塊較深，金屬在滑塊的一次行程中成形時，聚積在深腔內(nèi)的空氣受到壓縮無法排出而產(chǎn)生很大壓力，阻止金屬充滿型腔的深處。排氣孔一般設(shè)計為直徑φ2mm，考慮到二次翻新問題，有效深度為20mm，后端由φ6mm的通孔與模塊底部的橫向φ6mm排氣槽相連。

⑶預(yù)鍛模成形設(shè)計。

①軸向尺寸設(shè)計。常規(guī)的橫向尺寸減小，高度尺寸加大，以便終鍛以鐓粗方式成形的設(shè)計方法同樣適用。為保證終鍛時平衡塊有足夠的料，也為了預(yù)鍛時更有利于該部分金屬的填充，橫向尺寸內(nèi)縮的量控制在0.2～0.4mm范圍內(nèi)。

②劈料臺設(shè)計。舌頭部位橫向剖面的斜度設(shè)計是預(yù)鍛件設(shè)計的關(guān)鍵，角度設(shè)計太大，成形阻力減小不利于金屬充填預(yù)鍛型腔；斜度設(shè)計太小，成形阻力增大同樣不利于金屬充填預(yù)鍛型腔。

③預(yù)鍛件圓角的設(shè)計。預(yù)鍛件圓角要比終鍛件大，目的是減小金屬流動阻力，同時防止產(chǎn)生折疊。在打擊方向，預(yù)鍛件未注凹圓角(預(yù)鍛型腔凸圓角)一般在終鍛件圓角上加3mm，水平面上拐角處圓角半徑也適當增大。

④預(yù)鍛件的拔模斜度與終鍛件一致。

⑤預(yù)鍛偏心量e的設(shè)計同樣十分重要，一般以預(yù)鍛的成形力應(yīng)控制在終鍛成形力的80%左右為宜，使得終鍛模與預(yù)鍛模同步磨損。

⑷終鍛件圖的設(shè)計。

終鍛件圖的設(shè)計是三缸曲軸開發(fā)過程中非常重要的步驟，在各工步熱鍛件圖中，終鍛成形工步的熱鍛件圖設(shè)計最為關(guān)鍵，直接決定了鍛件的最終質(zhì)量。這里重點介紹幾個重要參數(shù)。

①熱收縮率取值。轎車曲軸加工余量，軸向尺寸公差小，熱收縮率取值至關(guān)重要，甚至影響加工平衡性能。在我公司現(xiàn)有生產(chǎn)線布局的情況下，E10曲軸熱收縮率取1.85%，調(diào)試結(jié)果軸向尺寸比較合適。但奇瑞曲軸熱收縮率取1.85%調(diào)試后樣件軸尺寸短，熱收縮率取1.85%偏小，經(jīng)計算熱收縮率取2.1%左右。結(jié)合不同生產(chǎn)線的設(shè)備間布局引起溫度降低及加熱設(shè)備加熱溫度的透熱性、均勻性等情況，可以適當調(diào)整。

②軸頸尺寸。由于三缸曲軸需要鍛造力較小，鍛件飛邊厚度小，平衡塊充滿又較為困難，根據(jù)調(diào)試生產(chǎn)情況，在終鍛設(shè)計時，需要將軸頸尺寸設(shè)計在正公差，使鍛打后平衡塊充滿時，軸頸尺寸也合格。

切邊和熱校正

切邊和熱校正都在壓床上完成，采用聯(lián)合模的結(jié)構(gòu)形式。切邊部分切邊凹模與鍛件輪廓之間留有0.5mm間隙，避免鍛件“切肉”問題出現(xiàn)；模具制造上偏差取決于模具的制造水平，取0.2mm左右。對于復(fù)雜形狀的鍛件，一定要采用數(shù)控線切割方式加工，因目前的用樣板控制的加工方式存在切邊輪廓樣板的計算與終鍛實際輪廓局部相差較大的問題；校正壓字采用抽屜式壓字結(jié)構(gòu)，方便字頭的更換。

鍛造過程的常見質(zhì)量問題分析

在三缸曲軸的調(diào)試過程中，遇到的問題有平衡塊充不滿、折紋、軸頸厚度尺寸小、軸向尺寸小等問題。

⑴平衡塊充不滿。

三缸曲軸平衡塊的相對深度（平衡塊深度/寬度）較大，如371曲軸中間兩個平衡塊高寬比達5.5，E10曲軸平衡塊在分模后，高寬比4.2，平衡塊面積大，且平衡塊不允許堆焊，質(zhì)量要求較高。導(dǎo)致平衡塊充不滿的原因很多，如鍛造溫度、坯料大小、模具設(shè)計是否合理、模具磨損情況、鍛件的鍛打厚度、模具溫度、模具錯差和操作擺放等。E10曲軸中間平衡塊增加余塊后，采用φ98mm的坯料，才使鍛件充滿。

⑵軸向尺寸小。

E10曲軸樣件兩端面油環(huán)出現(xiàn)的軸向尺寸小問題，鍛件圖設(shè)計可以，鍛件軸向尺寸小1mm。對于平衡塊的軸向尺寸，除上述原因外，還存在一定的切邊變形。

⑶軸頸尺寸小。

E10曲軸在調(diào)試時軸頸尺寸小，現(xiàn)場加大模具型腔后生產(chǎn)，在終鍛設(shè)計時，需要將軸頸尺寸設(shè)計在正公差，避免此類問題。

結(jié)束語

⑴對于三缸曲軸的鍛造方法，本文作了較簡要的說明，但對具體的工藝參數(shù)，如各斜面的角度的最佳值，擠壓和預(yù)鍛的成形參數(shù)的最佳值等，還有待進一步研究。對于鑲塊模具結(jié)構(gòu)可行性還需要批量生產(chǎn)時進一步驗證。

⑵三缸曲軸成形擠壓制坯，已進行了一些嘗試，效果較好。但還存在一定問題：一是現(xiàn)有模架制坯工位大多沒有頂料，影響了鍛件的出模。

⑶三缸曲軸鍛造成形，并且已經(jīng)批量生產(chǎn)，市場競爭激烈。根據(jù)三缸曲軸特點，采用平面分模鍛造成形后，采用扭轉(zhuǎn)工藝生產(chǎn)，能夠提高材料利用率和模具壽命，提高產(chǎn)品競爭能力。

勘誤說明：

《鍛造與沖壓》雜志2016年第21期第67頁，文章標題為《傳動軸圓盤突緣叉鍛造缺陷分析》，由于排校失誤，第一作者“郭艷”應(yīng)為“郭艷珺”。特此說明。