橢圓型曲柄臂A系列曲軸鍛件鐓鍛工藝優化

文/杜紹貴，何正?！ぶ袊熊囐Y陽機車有限公司

橢圓型曲柄臂A系列曲軸鍛件鐓鍛工藝優化

文/杜紹貴，何正海·中國中車資陽機車有限公司

A系列曲軸材料利用率偏低，通過分析有四個原因：鍛件加工余量偏大且不均勻、曲柄臂分模方式欠優、鍛前坯料耗損大、曲柄臂外輪廓相似度差。通過制定鐓鍛工藝優化方案，包括調整加工余量、優化分模方式、精化曲柄臂外形、減小坯料規格等。經模擬分析、成形試驗及生產驗證，曲軸光坯平均減重10.4%，曲軸材料利用率平均達到61.7%。

A系列曲軸包括A6、A8、AG6、AG8四項產品，其曲柄臂全部為橢圓型，是我公司與國內某柴油機制造企業合作研發的曲軸產品的簡稱，該系列曲軸全部為粗加工狀態交貨。由于柴油機市場競爭激烈，合作方希望我們能夠提升曲軸制造工藝，降低曲軸制造成本，共同迎接挑戰，擴大市場份額。為此，我公司內部積極開展工藝優化、改進曲軸鍛件鐓鍛以及熱處理、機械加工工藝。

本文以A6曲軸鍛件鐓鍛工藝作為對象，針對曲軸鍛件材料利用率偏低這個突出問題，結合現有工藝裝備，實施鐓鍛工藝優化，提出了調整加工余量，減小坯料直徑，采用折線分模，減小主軸頸環槽深度，優化曲柄臂外輪廓形狀并鍛出平衡塊安裝面的鐓鍛工藝優化方案，通過有限元軟件模擬、兩拐鐓鍛成形試驗，驗證了優化方案的可行性、合理性，鐓鍛工藝優化后的A6曲軸鍛件實現了批量鐓鍛生產、交付，工藝穩定，鍛件質量優良。

原有鐓鍛工藝

A6曲軸材料為合金結構鋼，鋼錠開坯鍛造比≥5。A6曲軸鍛件于2005年3月完成鐓鍛工藝設計，經試驗、驗證并于2005年10月批量生產，通過細致分析可發現鐓鍛工藝有以下不足。

⑴加工余量偏大、不均勻。由于每個企業所采用的鐓鍛工藝和裝備不同，所采用的熱處理、機械加工工藝也不同，較難統一加工余量的加放標準，工藝師需結合本企業的實際情況并根據自己的經驗來進行鐓鍛工藝設計。按交貨狀態計算，A6曲軸鍛件曲柄臂厚度加工余量為11mm，曲柄臂外圓周最大加工余量為49.6mm，最小加工余量為22.6mm；曲柄臂平衡塊安裝面最大加工余量為40mm，最小加工余量為20.8mm。

⑵曲柄臂直線分模。鐓鍛工藝設計將曲柄臂的分模線與連桿頸分模線位于同一平面稱之為直線分模。圖1為A6曲軸鍛件曲柄臂，彎曲上下模組合。從圖1可以看出直線分模有以下缺點：①彎曲模型腔分配不合理。彎曲上模型腔深335mm，彎曲下模型腔深146mm，型腔深度比值達到2.29，平衡塊安裝面鐓鍛成形困難，極易在鐓鍛時出現塌角(缺肉、充不滿等）缺陷；②曲柄臂外圓周加工余量不均勻，最大加工余量與最小加工余量相差27mm；③曲柄臂重量增加，材料消耗多。A6曲軸鍛件一個曲柄臂的重量為127kg。

圖1 直線分模存在的缺點

⑶鍛前坯料耗損大。鐓鍛前對曲軸光坯進行兩次機械加工以獲得符合要求的坯料。A6曲軸光坯的重量為3303kg，鍛前坯料耗損為227.4kg，占光坯重量的6.9%。

⑷曲柄臂外輪廓重合度較差。曲柄臂外輪廓形狀的設計，在充分考慮曲柄臂鐓鍛成形過程中的難度、曲柄臂是否產生較大的飛邊、脫模是否順暢的基礎上，應盡可能讓曲柄臂外輪廓形狀與交貨狀態相重合。從圖1a中可以看出A6曲軸鍛件曲柄臂外輪廓重合度較差，其重合度系數（即曲柄臂鍛件重量與曲柄臂交貨狀態重量之比）為1.75。

⑸材料利用率偏低。以上四個方面的問題，最終都會增加原材料的消耗，都會通過材料利用率這個指標體現出來，材料利用率是檢驗曲軸鐓鍛工藝水平最具說服力的指標。A6曲軸交貨狀態的重量為1818.9kg，毛坯重量為3303kg，材料利用率為55.1%。

鐓鍛工藝優化

通過上述分析，針對原有鐓鍛工藝提出以下工藝優化方案。

⑴調整加工余量。根據交貨狀態圖，結合下道工序提供的鍛件交驗標準，調整徑向軸向加工余量，優化曲柄臂外輪廓形狀，對A6曲軸鍛件進行全方位“瘦身”。圖2為鐓鍛工藝優化后A6曲軸鍛件三維圖，該鍛件一個曲柄臂的重量為116.4kg，較改進前減少了10.6kg。

圖2 鐓鍛工藝優化后A6曲軸鍛件三維圖

圖3 折線分模的優勢

⑵改進分模方式、鍛出平衡塊安裝面，提高曲柄臂外輪廓重合度。采用折線分模，不僅可以合理分配上下模型腔深度，有利于曲柄臂鐓鍛成形，而且曲柄臂外輪廓加工余量分布均勻。此外，將曲柄臂頂部鍛成平面，可以減少平衡塊安裝面的加工余量，也有利于曲柄臂鐓鍛成形，特別是有利于平衡塊安裝面“肩膀”位置的鐓鍛成形。這樣，曲柄臂外輪廓重合度得以大幅提高。圖3為鐓鍛工藝優化后的A6曲軸鍛件曲柄臂及其彎曲上下模組合。根據圖3可計算出：①其曲柄臂外輪廓重合度系數為116.4÷72.56=1.60，較改進前減小了0.15；②彎曲上、下模型腔深度比值僅為204÷245=0.83，較改進前減小了1.46。

⑶減小坯料規格。坯料直徑是在鍛件主軸頸直徑的基礎上加上主軸頸環槽深度得以確定的，但這是基于經驗的方法，所確定的坯料直徑往往偏大，增加不必要的材料消耗。如何確定合理的坯料直徑，在工藝設計中引入“當量圓”的概念。曲柄臂鐓鍛成形過程，包括水平鐓粗和水平鐓粗+垂直彎曲兩個連續的工步，第一階段水平鐓粗結束時坯料呈鼓形，其最大截面投影稱之為“當量圓”，為使曲柄臂充填飽滿又不產生過大的飛邊，“當量圓”的半徑略大于平衡塊安裝面高度為佳。工藝優化后A6曲軸鍛件用料規格初選為φ270mm，鍛前坯料尺寸為φ270mm×265mm。

⑷減少工藝用料。減少工藝用料從兩個方面著手：一是精化光坯訂料尺寸，直接按鍛前使用尺寸訂料；二是減小主軸頸環槽深度，即采用淺環槽坯料，減少鍛前坯料耗損。鐓鍛工藝優化后毛坯重量為2966kg，鍛前坯料耗損為89kg，占毛坯重量的3%，比工藝優化前減少3.9%。

為了驗證A6曲軸鍛件鐓鍛成形工藝優化的可行性、可靠性，采用有限元軟件對鐓鍛成形過程進行模擬成形仿真分析，模擬成形結果見圖4，單拐模擬結果充填飽滿，沒有任何外觀缺陷。通過兩拐鐓鍛成形試驗和A6曲軸鍛件鐓鍛生產來進一步驗證工藝方案的可行性、合理性。兩拐鐓鍛成形試驗結果見圖5。

圖4 模擬成形結果

圖5 兩拐鐓鍛成形試驗結果

A6曲軸鍛件批量生產驗證。我廠采用該工藝已經生產A6曲軸鍛件59支，曲軸鍛件完全滿足工藝標準要求，一次性交檢合格。圖6為鐓鍛工藝優化后的A6曲軸鍛件。

圖6 鐓鍛工藝優化后的A6曲軸鍛件

工藝優化效果

可通過以下幾個工藝技術參數來對A6曲軸鍛件工藝優化的效果進行綜合評價，見表1。

表1 A6曲軸鍛件鐓鍛成形工藝優化效果

A6曲軸鍛件鐓鍛成形工藝優化獲得了滿意的結果，有效地解決了平衡塊安裝面塌角、充不滿的問題，精化了曲軸鍛件外形，減小了用料規格，顯著減小了光坯重量和鍛前坯料耗損，提高了材料利用率，鍛件一次性投產成功，工藝穩定，質量優良，具有非常好的推廣價值。借用A6鐓鍛工藝優化成功的經驗，將該系列其余3種曲軸鍛件也實施了同樣的鐓鍛工藝優化并批量生產。截止2015年8月30日，已完成A6、AG6、A8、AG8曲軸鍛件138支的生產。四種曲軸鍛件光坯采購重量平均每支減重378.8kg，平均減重10.4%，平均材料利用率達到61.7%。2015年四種鍛件實際采購光坯146支，合計節省材料消耗378.8kg×146=55.3048（t），隨著產量的增加，其經濟效益也將逐漸顯現出來。

結論

⑴提升了曲軸鍛件幾何尺寸精度，重點在于精化曲柄臂鍛件外形輪廓尺寸，應選擇折線分模，鍛出平衡塊安裝面，最大限度提高曲柄臂外輪廓重合度。

⑵減小坯料規格，可減少鍛前坯料耗損，有利于提高曲軸材料利用率，減小坯料主軸頸環槽深度是減小坯料規格的有效途徑。經驗表明，可將坯料主軸頸環槽深度控制在8mm（單邊）以內。

⑶坯料直徑大小選擇是否適當，可以通過計算“當量圓”直徑來進行判斷。

⑷按鍛前坯料直徑、長度訂料是減少工藝用料的有效方法之一。