如何實現2.0L曲軸在4000t步進梁自動線上量產

文/楊成忠,王洪興·一汽鍛造（吉林）有限公司

如何實現2.0L曲軸在4000t步進梁自動線上量產

文/楊成忠,王洪興·一汽鍛造（吉林）有限公司

楊成忠，二級經理，高級工程師。工作內容：鍛造自動線產能釋放及質量保證。曾獲得獎項：“提高鍛件精度、材料利用率的研究與應用”獲2012年度中國汽車工業科學技術二等獎；2015年度獲長春市政府特殊津貼。

一汽鍛造（吉林）有限公司在2014年初新建完成一條4000t熱模鍛壓力機步進梁自動線，此生產線原設計生產10kg以下鏈軌節鍛件，如圖1所示，因此鍛壓機的設計參數針對的是鏈軌節：主機布4個工位，前3個工位是成形工位，第4個工位是切邊/沖孔工位；設備頂桿為中心布排；側窗口寬度僅1100mm；第1工位無上頂出機構；2、3工位可用的上頂出行程只有30mm。

圖1 鏈軌節

因市場變化，在此生產線的建設末期將其更改為轎車曲軸線，用于生產1.4L的轎車曲軸鍛件，如圖2所示，1.4L曲軸鍛件重11～12kg之間，因第1工位無上頂出，所以設計采用預、終鍛2工位成形（使用的是主機第2、3工位），預、終鍛的鍛打力均勻分配，在2500～2800t之間，2015年此軸在自動線上實現量產。

2016年，鍛造公司獲得2.0L曲軸的開發資格，此曲軸的形狀如圖3所示（W1～W8分別對應位置的平衡塊），鍛件重量為17kg左右，鍛件熱尺寸長度410mm左右。

17kg重的曲軸所需要的鍛打設備一般為5000t或5500t，而鍛造公司無此類設備規格，只能在4000t自動線上開發此產品。此曲軸有8個平衡塊，最大的平衡塊W2高度約139mm，為了保證鍛件的成形及鍛打力的分配，我們是按壓扁—預鍛—終鍛—切邊4工位開發的，增加了壓扁工位。

圖2 曲軸1.4L

圖3 曲軸2.0L

開發時的模擬鍛打力：預、終鍛都在3200～3400t左右，按80%～85%的設備公稱力是可以接受的，但在此產品調試生產的初期遇到了很多困難：

(1）平衡塊充不滿；

(2）粘壓扁上模；

(3）粘預、終鍛上、下模；

(4）終鍛打擊力超過3600t；

(5）步進梁鉗指卡飛邊；

(6）模具開裂。

本文主要就如何解決上述問題，使此曲軸在4000t自動生產線上實現量產采取的一些措施進行詳細地闡述。

圖4 W1充不滿

圖5 W2充不滿

圖6 W4、W5充不滿

圖7 預鍛模

圖8 終鍛模

圖9 預鍛模

圖10 終鍛模

平衡塊充不滿

平衡塊充不滿的形式如圖4、圖5、圖6所示，主要是W1、W2和W8充不滿，有時W4、W5也充不滿。

開發此曲軸時，為了降低各工位的鍛打力，坯料的直徑是按偏小的規格選取的，而坯料的體積是足夠的，分析充不滿的原因：各平衡塊處的料在壓扁、預鍛、終鍛時橫向排出時過快導致充不滿，解決方案是將各序的料封住，不讓其過快隨飛邊排出，具體措施如下：

(1）將預鍛、終鍛相應位置橋加高，如圖7、圖8中紅線位置，阻止料的過快排出。同時讓預、終鍛的橋高不一致：預鍛橋高6～7mm，終鍛多處為5～6mm，使預鍛多存料。

(2）將預鍛W1、W2及W8背側改成阻力墻的形式，如圖9；同時將終鍛的W4、W5的對側加上阻力墻，如圖10。

(3）將預鍛W1、W2、W8平衡塊加氣孔，如圖11。

圖11 預鍛模氣孔

(4）將各終鍛主軸徑正公差設計，生產中在平衡塊充不滿時能夠落車，而主軸徑厚度不薄，這是解決模具老化時平衡塊有充不滿風險時的措施。

粘壓扁上模

前文提到，此生產線的第1工位無上頂出裝置，雖然壓扁的形狀很簡單，但調試生產時還是多次粘壓扁上模，自動線生產不允許出現粘模的現象，要保證每工位第一時間頂出，否則無法實現自動化生產：步進梁抓不到件、存在碰砸噴淋臂的風險等。解決措施如下：

(1）將壓扁上模整個型腔的出模角加大（從5°改成了10°），大頭和小頭端面由10°改成15°，使工件容易脫離上模，如圖12所示。

圖12 壓扁上模

(2）同時減小壓扁下模型腔各處的出模角，并將下模的大頭和小頭端面出模角從5°改成1°，增加出模難度，讓件留在下模（壓模有頂桿，可將鍛件頂出），如圖13。

(3）保證脫模劑均勻地涂覆在上模型腔表面。

圖13 壓扁下模

粘預、終鍛的上、下模

鍛件粘預、終鍛上、下模，因有頂桿的原因，件并未完全粘死，只是不能第一時間平行頂出。因粘終鍛模，導致鍛件變形嚴重，如圖14、圖15所示。

變形嚴重的鍛件無法加工出成品，同時粘模使自動化生產效率極低，而切邊時容易切到鍛件的平衡塊造成鍛件毛刺壓入，如圖16、圖17。

解決措施如下：

(1）將預、終鍛模具頂桿往型腔側移，使頂桿更靠近型腔，頂出時不因飛邊變形而件無法頂出，保證頂桿孔與型腔是最小壁厚12mm即可，如圖18、圖19。

圖14 W1、W8變形

圖15 W4、W5變形

圖16 切邊切到平衡塊

圖17 毛刺壓入

(2）脫模劑要均勻有效地覆蓋模具的全部型腔表面。

1）保證模具噴脫模劑時的溫度在150～250℃范圍內，否則粘不上石墨。

2）尤其要使脫模劑能夠噴到平衡塊型腔內，為此，重新設計了噴臂，如圖20，圖21是當脫模劑在W1、W2處噴不好時，就會粘模。

圖18 原頂桿位置

圖19 更改后頂桿位置

終鍛打擊力超過3600t

如圖22，此軸在開發時，因要保證其在用小規格的坯料時也能夠充滿，所以多處進行了阻力墻設計，同時還降低了多處的橋高，所以在調試生產時鍛打力超過了3600t。解決此問題的措施主要是兩個：第一，使預鍛的成形更好一些，從而平均分配預、終鍛的打擊力；第二，減少預、終鍛模具的承擊面積，如圖23的更改，有效地降低了終鍛的打擊力，由原來的3600t以上降到3300～3600t之間。

圖20 驗證噴臂噴嘴位置

圖21 脫模劑未噴到的效果

圖22 原設計模具

圖23 更改后模具

圖24 步進梁行程

步進梁鉗指卡飛邊

前文提到，4000t生產線原設計生產鏈軌節，后改成曲軸線，而曲軸鍛件的總長要比鏈軌節長很多，但主機的側窗口僅1100mm，這就使步進梁鉗指的打開空間要小得多、行程最大為80mm，如圖24，這樣就要求飛邊寬度不能大于60mm，否則步進梁在運行過程中會出現卡鉗指的情況。

因此設計時要規矩兩端的飛邊長度，如圖25模具大小頭兩側都設計出了封料結構，保證飛邊的長度。另外，限制飛邊長度的同時，不能使飛邊翹起太高，否則會阻礙步進梁鉗指夾取切完邊的鍛件，也會發生卡鉗指的情況。

解決方法：

(1）工藝更改，減短坯料長度，使飛邊變窄。

(2）更改5工位鉗指設計，避免鉗指與飛邊干涉，如圖26。

(3）更改切邊凹模的結構，用切邊凹模限制飛邊的過高地翹起，如圖27。

圖25 封料位置

圖26 鉗指更改

圖27 切邊凹模更改

模具開裂

在試生產過程中，發生了幾次模具開裂，如圖28、圖29所示。

(1）圖28的開裂原因：終鍛成形時，坯料軸線方向流動速度快，給模具軸向兩端施加的是拉應力，導致模具開裂。解決措施兩個方向：1）減小拉應力；2）增加模具強度。

圖28 大頭開裂

圖29 沿排料槽開裂

圖30 預鍛模等效應力分布

圖31 終鍛模等效應力分布

(2）對圖29中沿排料槽開裂的模具進行了CAE分析，分析結果如圖30、圖31，圖30為預鍛后工件形狀與等效應力分布，可見預鍛飛邊較多，等效應力最大部分也出現在飛邊上，最大應力為157.155MPa，遠低于H13的材料值。 而圖31為終鍛后工件等效應力分布，圖中應力最大值超過2000MPa，已超出模具強度，根據此模擬結果，圖中紅色圓圈內是模具開裂的危險區域，這也和我們模具開裂的位置相符。

通過CAE分析及實際應用，采取的措施是將終鍛模上的排料槽取消，并在生產中得到驗證，模具不再開裂。

結束語

經過上述幾個工藝、模具結構及輔助結構方面的更改，終于實現了此產品在4000t鍛壓機步進梁自動生產線上的量產，圖32即此種曲軸2016年各月的班產統計。

圖32 2.0L曲軸班產曲線圖

隨著中國鍛造行業自動化的迅速發展，對各種鍛件產品在自動線上的成形特點、模具結構、適應自動化的各種要求等必須盡快掌握，才能最大發揮自動線的產能，上文中闡述的是我們在自動線生產中不斷克服困難積累的一些經驗，這些措施的實施，使自動線的產能得到釋放。通過此篇文章希望能和從事鍛壓成形的同行們開放交流、共同進步。