8L5864型曲軸鐓鍛工藝設計研究

樊志江　孫丹鳳

(1.北京賽瑞斯國際工程咨詢有限公司，北京100070；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300452)

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8L5864型曲軸鐓鍛工藝設計研究

樊志江1孫丹鳳2

(1.北京賽瑞斯國際工程咨詢有限公司，北京100070；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300452)

摘要：介紹了在100 MN液壓機上采用TR鐓鍛法生產8L5864型曲軸的工藝設計和工藝參數，以及模具的設計方法，有助于曲軸的鐓鍛成形。

關鍵詞：8L5864型曲軸；鐓鍛；工藝設計；模具

8L5864型曲軸主軸頸500 mm，中心錯移值為320 mm，最大回轉半徑565 mm，在100 MN油壓機上采用TR法進行模鍛，材料選用35CrMo。8L5864型曲軸三維模型如圖1所示。

圖1　8L5864曲軸三維模型Figure 1　3D model of 8L5864 type crankshaft

1鐓鍛工藝設計

1.1鐓鍛坯料確定

曲軸加工采用TR模鍛法，加工精度高，成品切削量小，考慮上、下、左、右四個方向的累計誤差，選取鍛造余量為10 mm，鍛造公差為軸向±3 mm ，徑向±5 mm。通過計算機三維模擬技術，精確計算后加工參數見表1。

另外，考慮到鐓鍛過程中的燃燒損耗等原因，選用坯料直徑500 mm，拐軸直徑470 mm，拐柄坯料長696.5 mm，自由端坯料長249.5 mm，法蘭端坯料長544.7 mm，鍛件金屬燒損率選取0.05%。

表1　鐓鍛坯料加工參數Table 1　Machining parameters for upsetting blank

1.2工步設計及火次確定

1.2.1工步設計

第一工步：鐓鍛合模。該工步是為鐓鍛工步做定位準備，工件加熱部位由模具限位，原材料外徑應與模具尺寸保持一致。

第二工步：預鐓。要獲得拐柄外形，首先要將坯料進行預鐓，以得到更大的徑向截面積。

第三工步：彎曲。為防止平衡塊塌角，預先將坯料預上彎，使上部坯料集中，然后下錯拐軸頸得到指定的中心距。如圖2所示。

第四工步：終鐓成形。完全合模，軸向尺寸急劇縮小，坯料徑向擴散，充滿整個型腔，得到所需要的形狀和尺寸。

圖2　曲軸預鐓彎曲示意圖Figure 2　Sketch of pre-upsetting process for crankshaft

1.2.2鐓鍛火次順序

TR法采用雙向鐓鍛，鐓鍛火次依序為5→4→6→3→7→2→8→1→自由端→法蘭。

1.3計算變形量和鐓鍛力

(1)變形量計算

拐柄：f0=πd2/4=3.14×5002/4=1.96×105mm2

f1=5.58×105mm2

鐓鍛比：k=f1/f0≈2.85

法蘭端：f0′=πd2/4=3.14×5002/4=1.96×105mm2

f1′=V/H=1.06×108/170=6.29×105mm2

鐓鍛比：k=f1′/f0′≈3.2

式中f0，f0′——變形前坯料截面積；

f1，f1′——變形后坯料截面積；

d——變形前坯料直徑；

V——坯料體積；

H——變形后坯料軸向長度。

(2)鐓鍛力計算

初始鐓鍛力：P=pA=pF0=50×1.96×105=9.81×106N

拐柄最大鐓鍛力：P1=pA=pF1=50×5.58×105=2.79×107N

法蘭最大鐓鍛力：P2=pA=pF1′=50×6.29×105=3.14×107N

式中p——單位面積變形抗力，p=50 MPa。

圖3為曲軸鐓鍛過程的變形量和鐓鍛力時間曲線。

圖3　變形量與鐓鍛力隨時間變化曲線

2鐓鍛模具設計

全纖維曲軸彎曲鐓鍛一般是在液壓機上配備專用模具進行生產，鐓鍛裝置通常左右各一套，而且以分模面為中心上下對稱排列，大致可以分為模座、模塊和沖頭三部分。圖4為100 MN液壓機配套下沖頭式樣。

圖4　曲軸鐓鍛模具下沖頭Figure 4　Lower punch of upsetting die for crankshaft

模座的上下兩個箱體相互間凹凸配合，內設多個圓環狀模槽，用以排布不同的模塊。壓機工作時，模座將壓機垂直力轉變為水平力，并推動模塊一起運動。TR法是將活動梁與上模座用肘桿連接起來，利用肘桿的轉動轉化成水平鐓粗力。在鐓鍛過程中，隨著肘桿與豎直方向的夾角A的逐漸增大，水平鐓粗力不斷增大。

模塊按作用可以分為成型模塊、定位模塊和支撐塊。成型模塊放置于模座前側，主要用來限制鍛件金屬的流動，能夠促進成形；另外還提供鐓鍛中后期的水平鐓鍛力。定位模塊的作用是控制曲軸坯料的長度和位置，從而控制單拐的坯料量和準確入模，并提供鐓鍛初期的水平鐓粗力。

沖頭主要用來進行彎曲錯拐，并對曲柄平衡塊的形狀加以控制。

2.1模膛設計

模膛形狀與尺寸按鍛件圖進行設計，分模面選擇在截面最大尺寸處。

飛邊槽橋部寬度：b=(3～5)H=40 mm

模膛壁厚：S=(1～2)H

式中f1——變形后坯料軸向投影面積；

H——模膛深度；

鍛件收縮率取1.5%。

2.2模具材料及外形尺寸

熱模具材料選用5CrMnMo或3Cr2W8V，冷模具材料選用35CrMo或45。模具外形尺寸應根據模箱內腔進行設計。

2.3確定各火次工藝參數

(1)第1～8火次鐓鍛開檔尺寸1 709 mm，終鐓合模尺寸770 mm，錯移中心距320 mm。

(2)自由端開檔尺寸775 mm，終鐓合模尺寸

400 mm，工藝余料尺寸300 mm。

(3)法蘭端終鐓開檔尺寸775 mm，終鐓合模尺寸400 mm。

2.4加熱溫度與潤滑

坯料采用中頻加熱，加熱溫度為1 150～1 200℃。熱脫模劑選用水基石墨。

3結束語

大型全纖維曲軸的鍛造質量受工藝和模具的影響很大，工藝不合理或模具尺寸偏差都會導致鍛造尺寸不精確，甚至無法成形。通過對8L5864曲軸鍛造工藝的設計和工藝參數制定以及模具設計，對大型曲軸的制造提供借鑒。

參考文獻

[1]張志文.鍛造工藝學.北京：機械工業出版社，1983: 5.

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

編輯杜敏

Research on Upsetting Process Design of 8L5864 Type Crankshaft

Fan Zhijiang,Sun Danfeng

Abstract：The process design and process parameters of 8L5864 type crankshaft manufactured by means of upsetting process on 100 MN hydraulic press have been introduced,as well as the design method of die,so as to be contributed to the upset forging process of crankshaft.

Key words：8L5864 type crankshaft;upsetting;process design;die

收稿日期：2015—12—30

作者簡介：樊志江(1982—)，機電工程師、注冊監理工程師，從事大型全纖維曲軸鍛造研究和曲軸鐓鍛模具設計。電話：13820229968

中圖分類號：TG316

文獻標志碼：B