高能螺旋壓力機(jī)上曲軸鍛造工藝和模具設(shè)計(jì)

姚志強(qiáng)，江叔通

（南昌齒輪鍛造廠(chǎng)，江西 南昌 330044）

曲軸是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)部件[1]，工作情況極其復(fù)雜，性能優(yōu)劣直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和壽命。隨著經(jīng)濟(jì)全球化融合，信息時(shí)代的深入發(fā)展，促進(jìn)汽車(chē)工業(yè)、船舶工業(yè)以及航空航天業(yè)的高速發(fā)展，帶動(dòng)世界鍛造業(yè)總體呈上升趨勢(shì)。因此，曲軸精密鍛造技術(shù)[2]是汽車(chē)曲軸鍛造成形工藝的重要趨勢(shì)。精鍛后的曲軸加工余量較少，提高了生產(chǎn)效率及材料利用率，降低了生產(chǎn)的成本。本文通過(guò)在高能螺旋壓力機(jī)上設(shè)計(jì)三個(gè)工步以實(shí)現(xiàn)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸（如圖1所示）的鍛造成形以及提高模具設(shè)計(jì)水平。

1 鍛造工藝分析

曲軸鍛件是較復(fù)雜的鍛件類(lèi)型之一，鍛造工藝難度較高，為保證產(chǎn)品技術(shù)質(zhì)量要求，需通過(guò)多種工序才能完成。目前國(guó)內(nèi)主要采用的設(shè)備為熱模鍛壓力機(jī)，同時(shí)需輥鍛機(jī)或其他輔助設(shè)備進(jìn)行制坯來(lái)完成曲軸的鍛造成形，主流工藝路線(xiàn)為：下料—加熱—輥鍛制坯—壓扁—預(yù)鍛—終鍛—切邊—熱校正。高能螺旋壓力機(jī)[3]是定能設(shè)備，沒(méi)有固定的下死點(diǎn)，鍛件尺寸精度靠模具打靠和設(shè)備、模座和模具的導(dǎo)向裝置來(lái)保證，其優(yōu)勢(shì)是設(shè)備滑塊在任意位置都能充分發(fā)揮出規(guī)定的能量輸出值和最大鍛打力以保證模具打靠，可以在設(shè)備上完成制坯、預(yù)鍛和終鍛等工步，經(jīng)濟(jì)上較為可行。

本文以圖1 曲軸為研究對(duì)象，在高能螺旋壓力機(jī)上進(jìn)行鍛造成形工藝分析和模具設(shè)計(jì)。材料為49MnVS3 非調(diào)鋼，因此鍛造過(guò)程中主要是控制鍛件的加熱溫度，始、終鍛溫度和鍛后控冷速度，才能有效保證曲軸鍛件的綜合力學(xué)性能及加工性能。鍛造工藝[4]路線(xiàn)為：下料—加熱—壓扁、預(yù)鍛、終鍛—切邊（帶熱校正）—控冷。

2 終鍛工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)計(jì)算公式[3]，模鍛力

P=k1·k2·F≈36000（kN）

式中：k1為鋼種系數(shù)，低碳合金鋼為1，高合金鋼為1.1～1.25；k2為金屬變形抗力系數(shù)，即鍛件形狀復(fù)雜系數(shù)，開(kāi)式模鍛為46～73 kN/cm2，閉式模鍛為60～80 kN/cm2；F 為鍛件分模面上投影面積（含飛邊橋部寬度），cm2。

經(jīng)計(jì)算得出，選擇設(shè)備噸位為40MN（4000t 高能螺旋壓力機(jī)）。

分模面位置的選取[4]直接關(guān)系到鍛件的成形、鍛件出模，材料利用率等一系列問(wèn)題。為此，曲軸鍛件分模面應(yīng)該選擇在具有最大的水平投影尺寸的位置。由于其連桿頸呈180°分布，如圖1、圖2 所示，故采用水平分模[5]。

圖1 某發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸成品圖

圖2 某發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸三維造型及實(shí)物

確定鍛件的加工余量[6]，曲軸主軸頸、連桿頸、大小頭臺(tái)階軸和平衡塊單面需加工外，其他位置均為非加工面，上述部分增加所需的加工余量。在模鍛過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生型腔磨損和上下模錯(cuò)移現(xiàn)象，導(dǎo)致鍛件尺寸出現(xiàn)偏差。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和鍛件冷卻過(guò)程中收縮情況，軸向、主軸頸和連桿頸單邊余量（鍛件至成品尺寸，下同）設(shè)計(jì)為2.5mm，平衡塊單面加工位置單邊余量設(shè)計(jì)為2mm，其他位置單邊余量設(shè)計(jì)為1.5～2mm。同時(shí)由于設(shè)備屬性導(dǎo)致，鍛件的脫模斜度設(shè)計(jì)為1.5～2°，鍛件錯(cuò)移≤0.5mm，設(shè)計(jì)1.5%的收縮率，鍛件圖和實(shí)物圖如圖3、圖4 所示。

圖3 鍛件圖三維造型

圖4 鍛件實(shí)物

3 預(yù)鍛工藝和制坯設(shè)計(jì)

相對(duì)終熱鍛件，預(yù)熱鍛件的尺寸在軸向適當(dāng)縮小，徑向做適當(dāng)增厚的設(shè)計(jì)。為保證平衡塊部位能夠有足夠金屬存儲(chǔ)，在預(yù)熱鍛型腔金屬流動(dòng)較大的位置應(yīng)設(shè)置阻料槽，如圖5 所示。圓角和拔模斜度盡量有利于出模和成形原則，同時(shí)應(yīng)考慮足夠的料能夠在終鍛時(shí)得以填充型腔。

圖5 阻料槽

受高能螺旋壓力機(jī)打擊屬性和行程時(shí)間限制，曲軸需要設(shè)計(jì)制坯工步，若坯料不經(jīng)過(guò)制坯處理，直接放置在預(yù)鍛模膛上鍛造，預(yù)鍛的充滿(mǎn)性很不理想，同時(shí)終鍛打擊力過(guò)大而造成模具和設(shè)備損傷，故需設(shè)計(jì)制坯工步，讓預(yù)鍛的填充性得到保證。根據(jù)預(yù)鍛型腔的形狀結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)制坯型腔時(shí)應(yīng)做相應(yīng)的變化，達(dá)到分料和滿(mǎn)足預(yù)鍛型腔的成形，如圖6 所示。經(jīng)過(guò)制坯的曲軸的晶粒度和機(jī)械性能都較優(yōu)，同時(shí)可以提高材料利用率。

圖6 制坯模

4 模具設(shè)計(jì)

4.1 模塊尺寸設(shè)計(jì)

曲軸型腔深度較深，最深處為65.5mm。而曲軸模具型腔尺寸精度要求較高，磨損到一定程度就必須更換或翻新，因此采用矩形模塊。根據(jù)設(shè)備的工作臺(tái)、滑塊參數(shù)設(shè)計(jì)出模架，由于模架內(nèi)模具的最小封閉高度為270mm，按照型腔形狀和型腔最深部位的底部強(qiáng)度的選用原則，因此上下模塊的閉合高度選300mm。根據(jù)模壁厚度計(jì)算公式[6]S=（1.5～2.0）h＞40mm，（h 為最外的型腔深度mm）；模塊高度尺寸的主要依據(jù)模塊底厚（T）、型腔深度以及模架閉合高度（H）等。S、T、H 應(yīng)滿(mǎn)足條件：T≥（0.6～0.65）S，2S≤（0.35～0.4）H。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，下模與鍛件接觸時(shí)間長(zhǎng)，易于磨損，壽命相對(duì)上模較低。因此，最終取模塊為：終鍛和預(yù)鍛下模尺寸為910mm×358mm×160mm，終鍛和預(yù)鍛上模尺寸為910mm×358mm×140mm。

鍛模承壓力計(jì)算及校核[5]：δ=P/F≤350MPa（P 為設(shè)備公稱(chēng)壓力，N；F 為模塊底面實(shí)際承壓面積，mm2）；計(jì)算可得δ=129.09MPa＜350MPa，滿(mǎn)足條件。設(shè)計(jì)的曲軸終鍛模尺寸和形狀如圖7、圖8 所示，設(shè)計(jì)的曲軸預(yù)鍛模尺寸和形狀如圖9、圖10 所示。

圖7 終鍛模

圖8 終鍛模三維造型

圖9 預(yù)鍛模

圖10 預(yù)鍛模三維造型

4.2 飛邊槽設(shè)計(jì)

對(duì)形狀比較復(fù)雜的鍛件，為較好的充滿(mǎn)型腔必須增大金屬外流的阻力，飛邊橋部的寬度適當(dāng)增大，或者厚度適當(dāng)減小。飛邊橋部和飛邊槽的尺寸根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[4]可得，如圖11 所示。預(yù)鍛可采用終鍛飛邊槽形式和尺寸，或把橋部厚度減小或?qū)挾燃訉?，使金屬更好充滿(mǎn)型腔。

圖11 飛邊槽結(jié)構(gòu)

4.3 頂桿和排氣孔的設(shè)計(jì)

由于曲軸鍛件型腔較為復(fù)雜，需要鍛件頂出裝置以防止鍛件粘模，基于鍛件自重和拔模斜度的因素，只需要在預(yù)鍛和終鍛下模設(shè)計(jì)頂出。頂桿位置應(yīng)設(shè)在飛邊槽上，以避免鍛件有頂出痕跡。頂桿孔位置布置應(yīng)離最近的型腔側(cè)壁距離12mm～15mm處，頂桿與頂桿孔間隙選用0.3mm，頂桿直徑應(yīng)選擇?12mm 以上。如圖7、圖9 所示。為便于終鍛時(shí)鍛件能夠被充滿(mǎn)，需要在曲軸型腔最深處進(jìn)行排氣孔設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要闡述了在高能螺旋壓力機(jī)上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行精密鍛造成形工藝和模具設(shè)計(jì)，受設(shè)備打擊屬性和行程時(shí)間限制，需要設(shè)計(jì)制坯、預(yù)鍛和終鍛三個(gè)工步完成鍛件的成形過(guò)程。終鍛為便于鍛件易于成形，需在曲軸型腔最深處做設(shè)計(jì)排氣孔。預(yù)鍛為保證平衡塊部位能夠有足夠金屬存儲(chǔ)，需在預(yù)鍛型腔金屬流動(dòng)較大的位置應(yīng)設(shè)置阻料槽。