某大型曲軸TR法鐓鍛成型力學(xué)分析

萬　鵬　李六如

(1.南車資陽(yáng)機(jī)車有限公司，四川641301；

2.南車共享鑄造有限公司，四川641301)

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某大型曲軸TR法鐓鍛成型力學(xué)分析

萬鵬李六如

(1.南車資陽(yáng)機(jī)車有限公司，四川641301；

2.南車共享鑄造有限公司，四川641301)

摘要：在對(duì)曲軸TR法鐓鍛成型力學(xué)分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行了鐓鍛工藝設(shè)計(jì)和擠壓試驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了大型柴油機(jī)曲軸鍛件的鐓鍛成型。

關(guān)鍵詞：TR裝置；曲軸；力學(xué)分析

某大功率中速柴油機(jī)，功率覆蓋3 310 kW～6 325 kW，轉(zhuǎn)速600 r/min，缸徑360 mm，沖程480 mm。該系列柴油機(jī)主要用作3萬噸以下船舶的主機(jī)及大型遠(yuǎn)洋船舶的主發(fā)電機(jī)組。

作為該柴油機(jī)核心部件的曲軸，材質(zhì)為42CrMoA，采用彎曲鐓鍛法鍛造。本文通過對(duì)該曲軸TR法鐓鍛成型力學(xué)分析，為大型曲軸的鐓鍛工藝開發(fā)提供理論支持。

1TR35Z裝置鐓鍛力分析

1.1TR35Z裝置簡(jiǎn)介

20世紀(jì)60年代，波蘭波茲南金屬成型研究所Tadeuse Rut教授研究出TR彎曲鐓鍛法。其基本原理與RR鐓鍛法相同，但彎曲鐓鍛裝置結(jié)構(gòu)比較合理，能夠得到更大的水平鐓粗分力。它通過肘桿機(jī)構(gòu)，把壓力機(jī)的壓力分解為垂直彎曲分力和水平鐓粗分力，力的分配比較合理。在鐓鍛過程中，隨著肘桿傾角α的逐漸變小，水平鐓粗分力逐漸增大，在鐓鍛終點(diǎn)時(shí)，達(dá)到最大值，約為壓力機(jī)公稱壓力的1.2倍[1]。由于水平鐓粗分力由小增大的規(guī)律與曲軸鐓鍛過程中變型抗力的變化規(guī)律一致，因此，TR法更有利于曲軸的鐓鍛成型。近20年來，Tadeuse Rut教授對(duì)TR法進(jìn)行了改進(jìn)，開發(fā)了具有不對(duì)稱預(yù)鐓粗功能的第三代TR裝置，改變了以往TR法曲軸曲柄臂難充滿、易形成塌角缺陷等狀況。

圖1為TR35Z裝置簡(jiǎn)圖。

1—上模架　2—旋轉(zhuǎn)肘桿　3—模座

1.2TR35Z裝置鐓鍛力分析

以模架、肘桿及下模座為研究對(duì)象，按照庫(kù)侖摩擦假設(shè)，可將受力分析表示為如圖2所示。

圖2　TR法受力分析簡(jiǎn)圖

由平衡方程式：

(1)

(2)

(3)

式中，L為肘桿長(zhǎng)度；α為肘桿與水平方向上夾角；M為下模座與工作臺(tái)之間的摩擦系數(shù)，0.1～0.15。

由式(3)可知：

顯然，F(xiàn)2x與Ph互為作用力與反作用力，即：

所以有：

(4)

式中，Pp為壓機(jī)的工作壓力，36 MN；Ph為水平鐓粗力；W為垂直彎曲力。

由式(4)可知，在TR法的鐓鍛過程中，水平鐓粗力是隨著α的減小而逐漸增大。

依據(jù)波蘭波茲南金屬成型研究所的公式，W=(0.4～0.6)Pp，且垂直彎曲力主要受到連桿頸寬度的影響。所以有：

(5)

根據(jù)式(5)可以對(duì)彎曲鐓鍛過程中的水平鐓粗能力進(jìn)行一個(gè)估計(jì)。目前設(shè)備條件下，鐓鍛曲拐時(shí)，最大水平鐓粗力應(yīng)該在24MN(連桿頸寬，摩擦系數(shù)0.15)～36.58MN(連桿頸窄，摩擦系數(shù)0.1)之間。鐓鍛法蘭時(shí)，不存在垂直彎曲力W，此時(shí)水平鐓鍛力為44.93MN[2]，約為水壓機(jī)公稱壓力的1.25倍。

2曲軸鐓鍛成型力學(xué)分析

2.1曲軸鍛件尺寸

圖3為曲軸的鍛件圖。該曲軸鍛件有以下特點(diǎn)，首先，第1曲拐的平衡塊安裝面高度為245mm，第2～6曲拐的平衡塊安裝面高度為199mm。第1曲拐平衡塊安裝面高度高，成型難度大，容易出現(xiàn)充不滿、平衡塊安裝面塌角等缺陷。其次，錯(cuò)拐量大，曲拐半徑R=240mm。最后，大法蘭直徑大厚度小，鐓鍛時(shí)變型抗力大，容易塌角。

圖3　曲軸鍛件圖

2.2曲軸鍛件成型鐓鍛力計(jì)算分析

直到現(xiàn)在，在曲軸鐓鍛成型中，都沒有一個(gè)對(duì)水平鐓鍛力的精確的計(jì)算公式，只有基于經(jīng)驗(yàn)的估算公式。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[3]：

(6)

式中，Ph為水平鐓粗力；S為曲柄臂軸向方向投影面積。

第2～6曲拐曲柄臂鍛件軸向方向投影面積為3 313cm2，所需的水平鐓粗力Ph=26.504MN。根據(jù)式(5)求得W=20.29MN=0.5636 Pp。

第1曲拐曲柄臂鍛件軸向方向投影面積為3 564cm2，所需的水平鐓粗力Ph=28.512MN。根據(jù)式(5)求得W=19.166MN=0.5323Pp。

大法蘭鍛件軸向方向投影面積為4 534cm2，所需的水平鐓粗力為Ph=36.272MN。

由上可知，第1曲拐和第2～6曲拐以及大法蘭的水平鐓粗力在目前設(shè)備能力范圍之內(nèi)，可以在36MN水壓機(jī)上采用TR裝置進(jìn)行鐓鍛。

2.3曲軸鍛件單拐擠壓試驗(yàn)

在力學(xué)分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行了鐓鍛工藝設(shè)計(jì)和單拐試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，曲柄臂成型質(zhì)量好，充填飽滿。平衡塊安裝面肩部鼓起，外側(cè)有較高的飛邊。曲柄臂周向無飛邊。但曲柄臂厚度大于設(shè)計(jì)尺寸。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)工藝參數(shù)及模具進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了整軸生產(chǎn)。

3結(jié)論

通過鐓鍛成型力學(xué)分析和擠壓試驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論：

(1)在36MN水壓機(jī)上TR35Z裝置可以實(shí)

現(xiàn)該曲軸的鐓鍛成型。

(2)由于該曲軸鍛件的連桿頸直徑和長(zhǎng)度都比較大，因此在鐓鍛過程中實(shí)際的垂直彎曲力可能會(huì)大于理論計(jì)算的垂直彎曲力，實(shí)際的水平鐓粗力可能會(huì)小于理論計(jì)算所需的水平鐓粗力，從而會(huì)導(dǎo)致在終鍛結(jié)束時(shí)模具壓不靠，曲柄臂厚度偏厚，錯(cuò)拐量小于所需的曲拐半徑。因此，在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)要考慮減小曲軸鐓鍛時(shí)的變型抗力，使曲軸成型飽滿，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[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):46-47.

[2]李恩軒，杜紹貴，李六如.MAN V32/40系列柴油機(jī)曲軸TR鐓鍛工藝開發(fā)[J].金屬加工:熱加工,2012(21):59-62.

[3]杜紹貴，李六如，毛章雄，李恩軒.MAN L27/38系列曲軸鍛件TR鐓鍛工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)踐[J].大型鑄鍛件,2012(4):37-38.

編輯杜青泉

Mechanical Analysis of TR Method Upsetting Process of Heavy Crankshaft

Wan Peng, Li Liuru

Abstract：Based on the mechanical analysis of TR method upsetting of crankshaft, the design of upsetting process and the crushing test have been carried out. Meanwhile, the upsetting process of crankshaft forging for heavy diesel engine has been realized successfully.

Key words：TR device; crankshaft; mechanical analysis

作者簡(jiǎn)介：萬鵬(1982—)，男，碩士研究生，工程師，從事鍛壓生產(chǎn)。電話：13795720777，E-mail:ekinpeng@163.com

收稿日期：2015—08—12

中圖分類號(hào)：TG316

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B