三缸曲軸扭轉(zhuǎn)成形工藝及設(shè)備開發(fā)

文/陳學(xué)慧，陳鎮(zhèn)·東風(fēng)鍛造有限公司

近年來，隨著更加嚴(yán)格的汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的出臺，國內(nèi)外一些著名的汽車制造商，都在竭盡所能地降低尾氣排放，除了引入混合動力技術(shù)，三缸渦輪增壓發(fā)動機(jī)的復(fù)興也初現(xiàn)端倪。

三缸渦輪增壓發(fā)動機(jī)的主要排量區(qū)間在1.0～1.5升之間，由于采用了先進(jìn)的燃油缸內(nèi)直噴和成熟的渦輪增壓技術(shù)，這類三缸小排量發(fā)動機(jī)的動力輸出表現(xiàn)甚至可以超越傳統(tǒng)的1.6～2.4升四缸發(fā)動機(jī)。比起四缸、六缸發(fā)動機(jī)，三缸發(fā)動機(jī)最明顯的優(yōu)勢在于減小了發(fā)動機(jī)體積和排氣量，這樣既能夠降低燃油消費(fèi)，減少尾氣排放，又能獲得高輸出功率。

三缸發(fā)動機(jī)曲軸的三個曲柄均勻分布在相隔120°的圓周上，根據(jù)對三缸曲軸鍛件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，最合適的鍛造成形工藝是扭轉(zhuǎn)工藝。但對于三缸曲軸扭轉(zhuǎn)成形所需的設(shè)備, 國內(nèi)相關(guān)設(shè)備制造廠家沒有相關(guān)的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)，設(shè)備的相關(guān)力能參數(shù)也無法確定。公司決定自主設(shè)計(jì)開發(fā)專用三缸曲軸扭轉(zhuǎn)成形工藝及設(shè)備，設(shè)備外委專業(yè)廠家制造，扭轉(zhuǎn)工裝自制。

現(xiàn)狀及問題

東風(fēng)鍛造有限公司自2003年起就開始嘗試開發(fā)468、381, 371等乘用車發(fā)動機(jī)三缸曲軸鍛件，但大都以成形困難，模具壽命低等原因開發(fā)失敗。國內(nèi)其他鍛造廠家生產(chǎn)乘用車三缸曲軸時也遇到同樣的問題，使用的鍛造工藝方案如下：下料→加熱→制坯→預(yù)鍛→終鍛→切邊→熱校正→熱處理→清理→探傷。其鍛造分模方式：通常稱為曲面分模整體成形方式(圖1)，它也是目前生產(chǎn)商用車六缸曲軸最主要的分模方式（圖2）。

圖1 三缸曲軸鍛造分模方式

圖2 六缸曲軸鍛造分模方式

由于乘用車三缸曲軸形體更小，采用曲面分模整體成形的工藝方案具有以下特點(diǎn)：

模具壽命更低

如圖3所示，商用車六缸曲軸的連桿頸寬度通常在30mm以上，曲拐寬度90mm左右，而乘用車三缸曲軸分別在18mm和68mm左右，采用曲面分模整體成形工藝方案，則模具上相應(yīng)的結(jié)構(gòu)更加單薄，特別是第一、第三曲拐平衡塊開檔處（圖4，俗稱 “舌頭”），形成簡支梁結(jié)構(gòu)，鍛件成形過程中該處容易倒塌而失效。

圖3 六缸曲軸與三缸曲軸曲拐尺寸比較

圖4 平衡塊開檔處模具結(jié)構(gòu)

切邊困難，易變形

由于乘用車三缸曲軸尺寸更小，在曲拐處分模線斜度更大如圖5所示，切邊過程中增加了豎直方向切邊帶的厚度，切邊阻力增加，致使曲軸更容易變形。

機(jī)加工余量大

圖6是F3J12三缸曲軸按曲面分模整體成形工藝的分模線方式生產(chǎn)，其為中間曲拐上設(shè)計(jì)的工藝余塊的示意圖。該方式導(dǎo)致鍛件增重0.2～0.5kg，機(jī)加工效率低。

圖5 曲軸曲拐處分模線斜度對比圖

圖6 工藝余塊

材料利用率低

采用曲面分模整體成形工藝生產(chǎn)的乘用車三缸曲軸鍛件，其鍛造生產(chǎn)的材料利用率只有68%左右，比通常生產(chǎn)的曲軸材料利用率低10%左右。

動平衡性能差

乘用車三缸曲軸加工動平衡性能較差是一個共性的問題，特別是曲面分模整體成形方式生產(chǎn)的乘用車三缸曲軸鍛件，在第一、第三曲拐分模處，由于上下模型腔的深度不一樣如圖7所示，上下模型腔上增加的拔模工藝余塊也不規(guī)則，它對動平衡加工性能有較大的影響。商用車六缸曲軸則由于兩端對稱，動平衡加工性能比乘用車三缸曲軸好。

圖7 第一、第三曲拐曲線分模造成的不規(guī)則形狀

開發(fā)內(nèi)容

乘用車三缸曲軸鍛件的開發(fā)采用扭轉(zhuǎn)成形的方案：預(yù)終鍛工步采用平面分模方式，切邊后進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，模具的扭轉(zhuǎn)角為60°（預(yù)終鍛時三個曲柄在一個平面上成形，扭轉(zhuǎn)后三個曲柄即形成120°的夾角），如圖8所示。扭轉(zhuǎn)成形設(shè)備也自主開發(fā)，要求結(jié)構(gòu)簡單，移動方便，可以根據(jù)生產(chǎn)需要與不同的鍛造主機(jī)配套連線生產(chǎn)。

圖8 扭轉(zhuǎn)成形工藝示意圖

鍛造成形工步設(shè)計(jì)

⑴終鍛工步熱鍛件圖設(shè)計(jì)。

終鍛工步鍛件圖以客戶會簽的冷鍛件圖為基礎(chǔ)，將第一、第三曲拐分別繞主軸沿較小角度方向旋轉(zhuǎn)到與第二曲拐相同的平面如圖9所示。以我公司生產(chǎn)的F3J12三缸曲軸為例：在扭轉(zhuǎn)前，先進(jìn)行平面分模方式鍛造，即將第二曲拐固定。第一、第三曲拐分別繞主軸旋轉(zhuǎn)60°角，使三個曲拐排布在一個平面上。

圖9 終鍛工步用鍛件示意圖

制訂終鍛工步用鍛件圖，除了考慮曲拐之間的角度外，還需考慮熱收縮率的大小。熱收縮率選取的準(zhǔn)確與否直接影響著鍛造完成后曲軸鍛件的軸向尺寸精度。通過同一種材料生產(chǎn)的曲軸在不同溫度下鍛打、冷卻后對軸向尺寸的測定，得出1050℃至1230℃的范圍內(nèi)鍛件的熱收縮率取值見表1。

根據(jù)乘用車三缸曲軸的鍛打溫度，取終鍛件的熱膨脹系數(shù)為1.02，由此可得到終鍛工步熱鍛件圖。

⑵坯料規(guī)格估算及成形模擬分析。

根據(jù)冷鍛件的重量、長度及目前曲軸類鍛件生產(chǎn)的平均材料利用率，可以對三缸曲軸鍛造生產(chǎn)所需坯料規(guī)格進(jìn)行估算，然后進(jìn)行成形模擬分析，并對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。圖10是通過Deform-3D軟件數(shù)值模擬，分析鍛件成形過程中金屬流動及型腔的填充情況，進(jìn)而對鍛造成形工藝不斷的優(yōu)化，以提高材料利用率及模具壽命的過程。

扭轉(zhuǎn)工藝設(shè)計(jì)

三缸曲軸鍛件經(jīng)平面分模，終鍛成形、切邊后，放置扭轉(zhuǎn)模型腔內(nèi)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)成形。其扭轉(zhuǎn)成形動作順序如下：

⑴設(shè)備初始狀態(tài)，即壓力機(jī)滑塊處于上極限位，上下頂出裝置回位，回轉(zhuǎn)裝置將上扭轉(zhuǎn)模具處于水平分模狀態(tài)、扭轉(zhuǎn)裝置將下扭轉(zhuǎn)模具處于水平分模狀態(tài)。

⑵曲軸鍛件放入模具型腔，滑塊下行，扭轉(zhuǎn)模合模壓緊鍛件。

表1 曲軸熱收縮率取值

圖10 減小坯料長度，設(shè)計(jì)合理的預(yù)鍛工步

⑶設(shè)備兩側(cè)的扭轉(zhuǎn)裝置平動提升，分別帶動曲軸第一、第三曲拐扭轉(zhuǎn)下模的扭轉(zhuǎn)臂，使扭轉(zhuǎn)模轉(zhuǎn)動，扭轉(zhuǎn)上模及上?；剞D(zhuǎn)裝置隨動，從而實(shí)現(xiàn)對曲軸第一、第三曲拐的扭轉(zhuǎn)成形，在此過程中，第二曲拐則始終處于被壓緊狀態(tài)。

⑷滑塊快速上行回程，同時扭轉(zhuǎn)上模塊在回轉(zhuǎn)裝備的帶動下，同時回位。

⑸下頂桿頂出，將扭轉(zhuǎn)完成后的鍛件頂出下模型腔。

⑹設(shè)備扭轉(zhuǎn)裝置平動下落回位，帶動扭轉(zhuǎn)下?；匚?。

⑺取出鍛件，下頂出裝置下落回位，設(shè)備回歸初始狀態(tài)，扭轉(zhuǎn)動作循環(huán)結(jié)束。

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)原理圖時，由于在曲軸扭轉(zhuǎn)成形過程中，上扭轉(zhuǎn)模具處于隨動狀態(tài)，上扭轉(zhuǎn)?；爻谈谆钊麠U受上模拉力伸出，液壓油被負(fù)壓吸入油缸，扭轉(zhuǎn)完成后，電磁閥通電，活塞桿收回，帶動上扭轉(zhuǎn)?；匚?。因此，這里要求使用的是P 型隨動電磁閥。

扭轉(zhuǎn)設(shè)備相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)

⑴設(shè)備噸位及主滑塊行程等參數(shù)的確定。

設(shè)備所提供力的大小，要確保上下模合模及扭轉(zhuǎn)過程中將鍛件壓緊，扭轉(zhuǎn)中心位置不變。

主滑塊行程主要根據(jù)鍛件扭轉(zhuǎn)完成后，使鍛件完全脫開上模型腔所需的最小高度來決定，主滑塊的有效行程必須大于這一最小高度。

⑵曲軸扭轉(zhuǎn)成形所需扭矩及力的計(jì)算。

根據(jù)相應(yīng)計(jì)算公式和應(yīng)用Deform-3D數(shù)值模擬技術(shù)（圖11），對扭轉(zhuǎn)成形的力矩大小進(jìn)行模擬驗(yàn)證。選取設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)設(shè)備的扭轉(zhuǎn)力大小為16t，由兩個相同型號的提升油缸（16MPa時最大壓力為8t）共同提供。提升油缸的行程不得小于模具扭轉(zhuǎn)60°時，扭轉(zhuǎn)臂所需的最小提升高度。根據(jù)計(jì)算，設(shè)計(jì)的提升缸最小行程不小于410mm。

圖11 扭轉(zhuǎn)成形數(shù)值模擬

⑶扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

鍛件放入扭轉(zhuǎn)模后，上滑塊下行使上下模合模。這時提升缸工作，使提升梁沿立柱向上運(yùn)動，提升梁通過下扭轉(zhuǎn)模座上的扭轉(zhuǎn)臂，帶動上下扭轉(zhuǎn)模轉(zhuǎn)動。上下扭轉(zhuǎn)模座分別受兩個支撐圓柱銷和一個定位圓柱銷的限制，只能繞中心旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)曲拐分別繞主軸頸扭轉(zhuǎn)成形。

扭轉(zhuǎn)過程中，與上扭轉(zhuǎn)模連接的上回轉(zhuǎn)缸處于隨動狀態(tài)，活塞桿伸出。曲軸扭轉(zhuǎn)完成后，上模隨滑塊返程，同時上頂料缸動作，將鍛件從上模型腔中頂出脫模，上回轉(zhuǎn)缸工作，將上扭轉(zhuǎn)模塊拉回到初始位置。下扭轉(zhuǎn)模則在提升缸的作用下回位。上回轉(zhuǎn)缸的回程力不小于200kg，行程不小于220mm。

⑷頂料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

為了保證鍛件被平穩(wěn)的頂出上下模型腔，上下模中至少需要設(shè)計(jì)兩個頂料板，且這兩個頂料板必須同時動作。為了實(shí)現(xiàn)兩個頂料板同時動作，在扭轉(zhuǎn)機(jī)的上下工作臺中各設(shè)計(jì)一個頂出油缸。頂出油缸的活塞桿連著一個大的法蘭盤。下模中的兩個頂料板穿過模具后，直接跟下頂出缸的法蘭盤連接。下頂出油缸活塞桿頂出時，通過法蘭盤將兩個下頂料板頂起，從而將鍛件頂出型腔。下頂出油缸活塞桿回位時，下頂料板在重力的作用下回位。

扭轉(zhuǎn)模具的設(shè)計(jì)

乘用車三缸曲軸鍛造時采用平面分模結(jié)構(gòu)，一、二、三曲拐處于同一個平面，扭轉(zhuǎn)成形時保持第二曲拐不動，第一、第三曲拐分別沿相反的方向各旋轉(zhuǎn)60°，即可保證扭轉(zhuǎn)后三個曲拐互成120°的夾角。

因此，對于中間曲拐對應(yīng)的模塊，則只考慮鍛件能順利放入模具型腔即可。而第一、第三扭轉(zhuǎn)模塊設(shè)計(jì)時，不僅要考慮扭轉(zhuǎn)前平面分模成形的鍛件順利放入型腔，還要考慮扭轉(zhuǎn)后的鍛件能夠順利地從模具型腔中取出。

圖12是扭轉(zhuǎn)模沿順時針旋轉(zhuǎn)60°前后的模具狀態(tài)示意圖，由于扭轉(zhuǎn)后上模沿堅(jiān)直方向回位，上模型腔必須設(shè)計(jì)好出模角度。

取得的效果和效益

乘用車三缸曲軸扭轉(zhuǎn)成形工藝及設(shè)備是我公司自主研發(fā)，國內(nèi)首創(chuàng)，具有100%知識產(chǎn)權(quán)。它與國內(nèi)其他公司所采用的曲面分模整體成形生產(chǎn)的乘用車三缸曲軸鍛件對比圖如圖13所示，其先進(jìn)性指標(biāo)體現(xiàn)在以下幾個方面：

圖12 扭轉(zhuǎn)前后模具狀態(tài)

圖13 曲面分模鍛造與扭轉(zhuǎn)成形鍛造鍛件對比圖

⑴鍛件品質(zhì)提升。我公司采用扭轉(zhuǎn)成形技術(shù)生產(chǎn)的三缸曲軸在加工余量、尺寸公差、拔模斜度、材料利用率和模具壽命等方面優(yōu)勢明顯，技術(shù)水平處于領(lǐng)先地位。

⑵鍛件加工效率高。整體曲面分模鍛造的三缸曲軸，加工余量最大達(dá)8mm，跟相同品種的扭轉(zhuǎn)三缸曲軸鍛件相比，鍛件平均增重0.2～0.5kg。而扭轉(zhuǎn)曲軸由于鍛件加工余量的減小及對初始動平衡的設(shè)計(jì)，曲軸機(jī)加工效率平均提升12%以上。

⑶原材料消耗低。采用平面分模鍛造成形技術(shù)，使模具型腔更容易填充，材料利用率也大幅提升。

結(jié)束語

目前國內(nèi)所有的曲轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)機(jī)，都是以德國20世紀(jì)70年代生產(chǎn)的扭轉(zhuǎn)機(jī)為藍(lán)本進(jìn)行復(fù)制或改制的，外形很大，不能滿足市場對小型化產(chǎn)品的需求，且制造周期長，造價較高。我公司自主開發(fā)制造的扭轉(zhuǎn)機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊，造價低，制造周期短，操作簡單等突出的優(yōu)點(diǎn)，填補(bǔ)了國內(nèi)三缸曲軸扭轉(zhuǎn)設(shè)備的空白。

該項(xiàng)目已成功開發(fā)四種乘用車三缸曲軸鍛件，每年增加生產(chǎn)乘用車三缸曲軸近5000件，創(chuàng)效70萬元，隨著產(chǎn)量的提升，經(jīng)濟(jì)效益將進(jìn)一步顯現(xiàn)。