低成本曲軸鏈輪冷擠壓工藝開(kāi)發(fā)

文／周建虎·同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，浙江吉利動(dòng)力總成研究院

卜王輝·同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

隨著人民生活水平的提高和汽車產(chǎn)業(yè)科技的進(jìn)步，汽車消費(fèi)主體已悄然發(fā)生變化，由90 年代初的公務(wù)車消費(fèi)為主，轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀彝サ乃郊臆嚍橹??！靶詢r(jià)比”成為了各大汽車廠家競(jìng)爭(zhēng)的法寶之一。

本文以某公司的1.8T 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸鏈輪為研究對(duì)象，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析和成本分析，最終開(kāi)發(fā)出一套以冷鍛工藝為主的低成本曲軸鏈輪工藝，替代原型機(jī)的插齒工藝，實(shí)現(xiàn)技術(shù)達(dá)標(biāo)和成本降低20%的目標(biāo)。

曲軸鏈輪結(jié)構(gòu)和成本分析

曲軸鏈輪結(jié)構(gòu)分析

圖1 曲軸鏈輪

圖2 初始生產(chǎn)工藝

某公司的1.8T 渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)是借鑒德國(guó)EAXXX 原型機(jī)進(jìn)行逆向開(kāi)發(fā)的，該曲軸鏈輪如圖1所示，屬于一端凸臺(tái)，另外一端三排圓柱齒的異形結(jié)構(gòu)。由于齒面不貫穿，無(wú)法采用滾齒法加工。結(jié)合圖紙要求表面硬度最小為57HRC，而傳統(tǒng)的粉末冶金曲軸鏈輪硬度只能達(dá)到30 ～45HRC，無(wú)法采用粉末冶金工藝。綜合零件的結(jié)構(gòu)和硬度要求，推斷德國(guó)原型機(jī)的曲軸鏈輪采用插齒工藝生產(chǎn)。

曲軸鏈輪成本分析

根據(jù)上述的曲軸鏈輪結(jié)構(gòu)分析，原型機(jī)曲軸鏈輪采用插齒工藝生產(chǎn)，梳理德國(guó)原型機(jī)的曲軸鏈輪初始生產(chǎn)工藝如圖2 所示。

再根據(jù)制造業(yè)的生產(chǎn)成本經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)原型機(jī)曲軸鏈輪的成本進(jìn)行分析，如表1 所示，成本中占比前三的項(xiàng)目分別是插齒、材料費(fèi)用、管理費(fèi)和利潤(rùn)。

曲軸鏈輪降本目標(biāo)分解

從表1 可以看出德國(guó)原型機(jī)曲軸鏈輪的成本價(jià)格為25.7 元，而該1.8T 項(xiàng)目的成本目標(biāo)是較原型機(jī)降低20%，即20.56 元。表1 中成本排名前三項(xiàng)分別是插齒、材料、管理費(fèi)和利潤(rùn)，合計(jì)占比達(dá)61.56%，其中管理費(fèi)和利潤(rùn)這個(gè)項(xiàng)目一般是產(chǎn)品單價(jià)的12%，且隨著產(chǎn)品單價(jià)的降低而降低，所以降本重點(diǎn)是降材料和插齒費(fèi)用。由此我們想到引入冷鍛工藝，根據(jù)金屬材料的塑性變形原理，在金屬再結(jié)晶溫度下，利用模具壓制成形齒面，省去齒面加工工序，同時(shí)可以節(jié)約材料。

根據(jù)成本降低20%后的目標(biāo)價(jià)格20.56 元，結(jié)合冷鍛工藝的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)成本，降本目標(biāo)分解如下：

⑴材料費(fèi)：冷擠壓所用材料為插齒工藝所用材料的65%，冷擠壓材料費(fèi)用為7.35×65%=4.77 元。

⑵管理費(fèi)和利潤(rùn)：按照產(chǎn)品單價(jià)的12%，所以目標(biāo)為20.56×12%=2.46 元。

⑶插齒降低費(fèi)用：由于引入冷鍛成形齒面，插齒費(fèi)為0，但增加了模具壓機(jī)分?jǐn)傎M(fèi)用、材料前處理費(fèi)用?；谄渌ば蛸M(fèi)用不變的前提，為滿足20.56元的目標(biāo)價(jià)格，齒面加工費(fèi)用需要控制到20.56-2.46-4.77-9.48=3.85 元。

表1 曲軸鏈輪成本構(gòu)成

建立冷鍛工藝曲軸鏈輪的初始成本目標(biāo)結(jié)構(gòu)如表2 所示。

冷擠壓工藝分析

冷擠壓工藝方案選型

冷擠壓是冷鍛工藝的一種，本文的研究對(duì)象曲軸鏈輪擬采用冷擠壓工藝開(kāi)發(fā)。冷擠壓可以根據(jù)金屬流動(dòng)方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向之間的相互關(guān)系進(jìn)行分類，主要有4 種：正擠壓、反擠壓、徑向擠壓、復(fù)合擠壓，其中正向擠壓和徑向擠壓都可以實(shí)現(xiàn)齒輪齒面的擠壓成形，結(jié)合本項(xiàng)目低成本開(kāi)發(fā)，選定模具費(fèi)用低的正擠壓。

再結(jié)合該曲軸鏈輪的齒參表(表3)，確定齒頂圓和齒根圓公差帶0.2mm，齒形輪廓見(jiàn)圖3，齒面功能區(qū)域A-B，C-D 精度要求高，輪廓度0.034mm，而齒頂齒根非功能區(qū)域精度要求低，輪廓度為0.125mm。根據(jù)功能區(qū)的齒形輪廓0.034mm，查漸開(kāi)線圓柱齒輪的齒形偏差表，屬于8 級(jí)精度齒輪，精度較低，所以鎖定采用一次正擠壓成形方案。

表2 冷鍛工藝曲軸鏈輪的初始成本目標(biāo)結(jié)構(gòu)

冷擠壓工藝設(shè)計(jì)

冷擠壓工藝的設(shè)計(jì)主要包括以下四個(gè)方面：擠壓件設(shè)計(jì)、毛坯尺寸、成形工序設(shè)計(jì)、成形工藝方案制定。

⑴擠壓件圖設(shè)計(jì)。

根據(jù)圖4 曲軸鏈輪零件圖，可知該鏈輪的齒面有效高度為33mm，凸臺(tái)的高度為4.8mm，兩個(gè)端面各增加1mm 的切削余量，設(shè)計(jì)出的冷擠壓件圖見(jiàn)圖5。

⑵毛坯尺寸。

表3 曲軸鏈輪的齒參表

圖3 齒形輪廓圖

圖4 曲軸鏈輪零件圖

圖5 冷擠壓件圖

3)變形量：根據(jù)毛坯外徑，計(jì)算出毛坯面積F0=1523.989mm2，由擠壓件3D 數(shù)模算出齒形截面積F1=1270.165mm2，則該鏈輪的擠壓變形量為εF=(F0-F1)/F0×100%=16.66%。

4)擠壓力：P=C×p×F，式中C 是安全余量，在1.2 ～1.3 之間；p 是材料的單位擠壓力；F 為凸模投影面積。安全余量取1.2，則P=1426.5kN。

⑶工藝設(shè)計(jì)。

1)成形工序：上面我們選定了正擠壓一次成形方案，通過(guò)DeForm 軟件模擬冷擠壓過(guò)程，見(jiàn)圖7，從圖中可得出最大擠壓力1032.036kN，小于1426.5kN，滿足擠壓力要求。而且材料齒形填充良好，滿足圖紙齒形輪廓要求。

圖6 毛坯圖

2)輔助工序：考慮到齒形需要一次成形，后續(xù)不再機(jī)加工，所以需要增加五道輔助工序，分別是球化退火、拋丸、磨外圓、車倒角、磷皂化。

⑷工藝方案。

1)材料：該零件的材料為20CrMo。

2)設(shè)備：根據(jù)前面計(jì)算的擠壓力1426.5kN，算下安全余量，選擇200t 的液壓壓機(jī)。

3)工藝流程：該零件采用一次正擠壓成形，結(jié)合輔助工序，初步確定成形階段的冷擠壓工藝流程如圖8 所示。

生產(chǎn)驗(yàn)證

曲軸鏈輪加工工藝

前述成形工序只是完成了曲軸鏈輪的齒面輪廓，根據(jù)零件圖，后續(xù)還需要增加適當(dāng)?shù)募庸ず蜔崽幚砉に?，才能符合圖紙要求。規(guī)劃的后續(xù)加工工藝如圖9所示。

圖7 DeForm 擠壓過(guò)程

圖8 冷擠壓生產(chǎn)流程

圖9 曲軸鏈輪加工工藝

圖10 齒面輪廓度

曲軸鏈輪試生產(chǎn)驗(yàn)證

按照上述的冷擠壓工藝和加工工藝組織試生產(chǎn)，并對(duì)成品進(jìn)行檢測(cè)，重點(diǎn)檢測(cè)齒形輪廓，用三坐標(biāo)機(jī)掃描全齒，進(jìn)行齒面功能區(qū)輪廓度評(píng)價(jià)，測(cè)量結(jié)果如圖10 所示，齒形輪廓度(齒面功能區(qū))實(shí)測(cè)0.0186mm，滿足公差帶0.034mm 要求；再進(jìn)行齒頂齒根非功能區(qū)輪廓度評(píng)價(jià)，測(cè)量結(jié)果如圖11 所示，齒形輪廓度(齒根齒頂)實(shí)測(cè)0.04mm，滿足公差帶0.125mm 要求。

圖11 齒頂齒根輪廓度

成本核算

按照全工序生產(chǎn)完成后，核算單件曲軸鏈輪的成本為20.1 元，低于20.56 元的目標(biāo)價(jià)格，較原價(jià)25.7 降低22%，達(dá)到降本目標(biāo)。

結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)對(duì)原型曲軸鏈輪結(jié)構(gòu)分析，引入冷擠壓成形齒面，替代了傳統(tǒng)的插齒工藝加工齒面，實(shí)現(xiàn)了性能達(dá)標(biāo)，并達(dá)到成本降低22%的目標(biāo)。該方法可適用于異形非貫穿曲軸鏈輪的開(kāi)發(fā)。