170小型曲軸RR鍛造工藝研究

匡利華 黎志堅

(中車資陽機車有限公司，四川641301)

中車資陽機車有限公司近年來實施曲軸產(chǎn)業(yè)國際化、多樣化發(fā)展戰(zhàn)略，到目前為止，已經(jīng)完成產(chǎn)品開發(fā)50余項，曲軸按軸徑的大小可分為小型RR軸、中型RR曲軸和大型TR曲軸。將主軸頸直徑小于?250 mm的曲軸定義為小型RR曲軸，簡稱小型曲軸。小型曲軸具有曲柄臂厚度薄、主軸頸直徑小、開檔小等特征，這類曲軸鍛造難度大。統(tǒng)計目前公司鍛件生產(chǎn)情況并分析發(fā)現(xiàn)，小型曲軸鍛件一次性交檢合格率低，達不到鍛件交檢標準，返工返修率高。本文針對小型曲軸鍛造難度大，鍛件一次性交檢合格率低這一現(xiàn)象，以170曲軸為研究對象研究小型曲軸的鐓鍛成型工藝，并推廣應(yīng)用。

1 RR裝置及鐓鍛原理

RR法是由法國人Roedrer R在20世紀30年代發(fā)明的，RR法的工作簡圖如圖1所示。當壓機活動橫梁下壓時，它通過一套帶有斜面的滑動模架將壓機壓力分解為鐓粗的水平力和彎曲的垂直力。隨著壓機活動橫梁的下壓，合在一起的上下模座在上模架的4個壓緊斜面作用下沿水平導(dǎo)軌向中心運動，同時，中彎模在剛性接觸上模架后向下運動進行錯拐[1]。壓緊斜面的傾角可通過更換不同的銅滑板來改變，銅滑板有30°、35°、40°三種角度。

2 零件參數(shù)及難點分析

2.1 零件結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

1—上模架 2—定位模 3—夾緊模 4—中彎模 5—底座 6—模架拉桿 7—中彎模壓緊缸 8—夾緊缸 9—頂出缸 10—回程 11—銅滑板圖1 液壓式全纖維曲軸鐓鍛裝置原理圖Figure 1 Schematic diagram of hydraulic whole fiber upsetting crankshaft

序號參數(shù)數(shù)值123456主軸頸直徑主軸頸開檔連桿頸直徑連桿頸開檔曲柄厚度總長?14565?136106361866

170曲軸由6個曲拐(1個曲柄臂+1個連桿頸+1個曲柄臂+1個主軸頸)和兩個法蘭組成。主要零件參數(shù)見表1。該曲軸屬于細長軸，鍛造難度大。

2.2 工藝難點分析

資陽公司最常見的曲軸產(chǎn)品有21/31系列、250系列、280系列、28/32系列、240系列、23/30系列曲軸等，這些曲軸成品直徑在?170～?260 mm之間，將這些系列曲軸歸為中型RR曲軸。中型曲軸鍛造難度相對要小些，也是RR裝置上鍛造最多的產(chǎn)品。

現(xiàn)以23/30和28/32系列產(chǎn)品為例，將170曲軸與這兩種產(chǎn)品參數(shù)比較，如表2所示。

表2 170曲軸與中型曲軸參數(shù)比較(單位：mm)Table 2 Comparison of 170 crankshaft andmedium-sized crankshaft (Unit, mm)

從表2可以看出，與中型RR曲軸相比，170曲軸主軸頸直徑、開檔、曲軸臂厚度小。正是這個特點，在RR裝置上鍛造難度大。主要鍛造工藝難點分析如下：

(1)軸頸直徑小，屬于細長軸，在鍛造過程中鍛件同軸度不容易控制。

(2)主軸頸開檔小，鍛造模具容易變形，影響鍛件質(zhì)量。

(3)在鍛造過程中，已經(jīng)鍛造完成的曲拐在鍛造下一曲拐時會參與定位，曲柄臂厚度小，在鍛造過程中定位曲柄容易變形。

3 主要技術(shù)創(chuàng)新

針對上述分析的工藝難點，本工藝方案采用了兩個技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計以改善小型曲軸的鍛件質(zhì)量，提高鍛件一次性交檢合格率。

3.1 小型曲軸通用模座設(shè)計

小型曲軸通用模座創(chuàng)新設(shè)計，目的是改善小型曲軸鍛件質(zhì)量。圖2為通用模座零件圖，外圓直徑分別為?800 mm和?700 mm，與RR裝置上下模座裝配使用，總厚度為380 mm，數(shù)量為2付。

3.1.1 與其他RR曲軸鍛造工藝對比

小型曲軸與其他RR曲軸鍛造工藝的區(qū)別是鍛造過程增加了通用模座的使用。

3.1.2 通用模座的優(yōu)點

(1)鍛造模具強度增加。由于通用模座的設(shè)計運用，鍛造模具(見圖3)外圓直徑減小，強度增加。

(2)提升曲軸鍛件質(zhì)量。鐓鍛過程中，鍛造模具變形會直接導(dǎo)致曲柄臂變形，鍛件長度尺寸很難控制，影響鍛件質(zhì)量。通用模座的使用，模具強度增加，鍛造過程中不會因為模具變形而影響鍛件質(zhì)量。

圖2 小型曲軸通用模座零件圖Figure 2 Part drawing of general mold base of small crankshaft

(a)RR曲軸(b)小型曲軸1—定位擋板 2—定位模 3—夾緊擋板4—夾緊模 5—通用模套圖3 小型曲軸與其他RR曲軸鍛造模具比較Figure 3 The comparison of forging mold between small crankshaft and other RR crankshaft

(3)節(jié)約鍛造模具原材料費。170曲軸全套模具共25付/件，其中定位和夾緊模具共計15付。其他RR曲軸鍛造模具外圓直徑是?800 mm。由于通用模座的設(shè)計運用，170曲軸定位和夾緊模具外圓直徑為?660 mm。模具外圓直徑減小，全套鍛造模具原材料費用降低，節(jié)約費用約6萬元。

(4)推廣應(yīng)用。在以后其他小型曲軸新產(chǎn)品鍛造工藝開發(fā)中可直接借用小型曲軸通用模座。

3.2 鍛件開檔余量非均勻設(shè)計

為保證材料利用率，一般情況下，鍛件余量設(shè)計采用均勻設(shè)計。針對170曲軸的結(jié)構(gòu)特點，如主軸頸開檔小，鍛造模具厚度薄，鍛件開檔余量采用非均勻設(shè)計，如圖4所示。余量a和b大小不一樣，余量a大于余量b。優(yōu)點是：曲柄臂厚度增加2 mm，曲柄強度增加；主軸頸開檔量增加4 mm，模具厚度增加4 mm，強度增加。

圖4 鍛件余量分布圖Figure 4 Forging allowance distribution

(a)垂直方向(b)水平方向圖5 垂直方向和水平方向載荷-行程曲線Figure 5 Load-travel curve in both vertical and horizontal direction

圖6 模擬結(jié)果Figure 6 Simulation result

4 工藝方案驗證

4.1 計算機仿真模擬分析

采用Deform數(shù)值仿真模擬軟件模擬一個單拐成型情況驗證上述工藝方案是否可行。主要驗證模具設(shè)計是否合理，鍛造模具裝配是否干涉，坯料規(guī)格是否合理。分析不考慮熱傳導(dǎo)因素對成型的影響，其工藝參數(shù)的設(shè)置如下：

(1)材質(zhì)：42CrMoA。

(2)坯料規(guī)格：?210 mm。

(3)網(wǎng)格劃分：分析采用四面體網(wǎng)格，僅對坯料劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為86 230，并在成型部位進行細化，在成型過程中動態(tài)網(wǎng)格再劃分。

(4)模擬步長：0.1 s/步。

(5)摩擦邊界條件：采用剪切模型，取m=0.7。

(6)速度：設(shè)壓機垂直向下的速度5 mm/s。

(7)成型溫度：1150℃。

垂直方向和水平方向載荷-行程曲線模擬結(jié)果如圖5所示。圖6是單拐模擬結(jié)果。模擬結(jié)果表明該方案是可行的，可進一步做物理試驗驗證。

4.2 雙拐鍛造成形試驗

第1次試驗，曲柄平衡塊安裝面成型不飽滿、塌角，如圖7(a)所示。根據(jù)第1次試驗結(jié)果分析和總結(jié)，進行工藝改進。曲柄橢圓長軸長度變短，橢圓的長軸/短軸值減小，平衡塊安裝面高度降低，根據(jù)金屬流動原理，改進后的平衡塊安裝面設(shè)計更有利于成型。改進后試驗結(jié)果如圖7(b)所示，曲柄成形飽滿，滿足鍛件交檢標準?？蛇M行整軸試生產(chǎn)。

圖7 雙拐試驗實物Figure 7 Test the physical

4.3 整軸試生產(chǎn)

經(jīng)試生產(chǎn)，首支鍛件經(jīng)檢查，軸向開檔和徑向單邊最小余量均滿足鍛件交檢標準。曲柄成型飽滿，鍛件表面無缺陷，工藝方案可行，可批量生產(chǎn)。

5 批量生產(chǎn)及成果

2016年170曲軸已實現(xiàn)批量生產(chǎn)，完成32

支曲軸訂單交付，實現(xiàn)銷售收入68萬元；鍛件一次性交檢合格率為100%。與其他小型曲軸鍛件比較如表3所示，小型曲軸鍛件質(zhì)量得到很大提升。

表3 鍛件一次性交檢合格率Table 3 Passing rate of forging at one time

6 結(jié)論

(1)小型曲軸通用模座的設(shè)計應(yīng)用，具有改善鍛件質(zhì)量，增加定位和夾緊模具，節(jié)省了模具原材料費用等優(yōu)點。

(2)鍛件開檔余量非均勻設(shè)計改善了鍛造模具強度低的特點，提升了鍛件質(zhì)量。

(3)通過仿真模擬和工藝試驗驗證了本工藝方案可行，并實現(xiàn)了某小型曲軸的批量生產(chǎn)。

(4)與其他小型曲軸比較，170曲軸鍛件一次性交檢合格率提高，減少了返工返修工序，降低了成本。

[1] 萬煦義. 大中型全纖維曲軸鍛造方法的探討[J]. 大型鑄鍛件，2006(3)：45-52.

[2] 《鍛模設(shè)計手冊》編寫組.鍛模設(shè)計手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1991.