曲軸自動(dòng)線模具結(jié)構(gòu)及翻新工藝研究

文／岳鎮(zhèn)，王丹丹，王洪興，蔡宏偉·一汽鍛造（吉林）有限公司

曲軸自動(dòng)線模具結(jié)構(gòu)及翻新工藝研究

文／岳鎮(zhèn)，王丹丹，王洪興，蔡宏偉·一汽鍛造（吉林）有限公司

一汽鍛造4000t曲軸自動(dòng)線于2014年9月正式投產(chǎn)，主要生產(chǎn)EA211 1.2T、1.4T，EA888 gen3 1.8T、2.0T等德系鍛鋼曲軸，年產(chǎn)量80萬(wàn)件以上。

自動(dòng)線主機(jī)為韓國(guó)JAEWOO制造的4000t熱模鍛壓力機(jī)，上、下料采用機(jī)器人，主機(jī)四工位：壓扁→預(yù)鍛→終鍛→切校，各工位間采用6軸步進(jìn)梁傳遞，鍛打節(jié)拍12～15s。圖1所示為4000t曲軸自動(dòng)線。

圖1 4000t曲軸自動(dòng)線

量產(chǎn)以來(lái)，由于模具制造及翻新工藝不成熟，平均模具壽命僅3470件，單件模具成本超過(guò)15元，落后于行業(yè)水平。同時(shí)由于修模次數(shù)多，換模頻繁，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，平均班產(chǎn)僅500件。

基于上述原因，在與國(guó)內(nèi)外同行充分交流之后，一汽鍛造公司于2016年1月在一汽集團(tuán)正式立項(xiàng)攻關(guān)，旨在通過(guò)曲軸自動(dòng)線模具結(jié)構(gòu)及翻新工藝研究解決模具壽命低、成本高、調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，從而提高生產(chǎn)效率、降低模具成本、提高曲軸產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

此課題的研究不僅可提升現(xiàn)有4000t曲軸自動(dòng)線的產(chǎn)出，同時(shí)也可為規(guī)劃中的新自動(dòng)線進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備。

原因分析

以下將從模具成本和模具壽命兩方面入手分析。單件模具成本=模具成本/模具壽命。

模具成本高

⑴新制模具成本高。

曲軸自動(dòng)線一、二、三工位模具均為整體式厚模塊（圖2），模塊單體尺寸620mm×350mm×250 mm。模塊體積大導(dǎo)致新制模具材料成本及模具加工（含熱處理）成本高。

⑵翻新模具成本高。

一汽鍛造公司采用的曲軸模具翻新方式為堆焊翻新（圖3）。堆焊翻新成本高主要體現(xiàn)在以下幾方面：①翻新前需徹底清除疲勞紋、裂紋、變形等缺陷；②堆焊工藝復(fù)雜，需要多次加熱，多次焊接；③需要消耗大量?jī)r(jià)格不菲的焊材；④焊接部分硬度值偏高，加工周期長(zhǎng)，成本高。

翻新模具壽命低

據(jù)統(tǒng)計(jì)，量產(chǎn)以來(lái)投入的新制模體平均壽命5000件以上，而翻新模具的壽命則極不穩(wěn)定，平均壽命只有1932件（圖4）。由此可見(jiàn)，提高翻新模具壽命是解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

使用魚(yú)骨圖對(duì)堆焊翻新模具異常失效進(jìn)行分析（圖5），真因有三：①焊補(bǔ)工藝不穩(wěn)定；②焊材成分波動(dòng)大；③焊接硬度不

合格。三點(diǎn)均指向堆焊翻新工藝，也就是說(shuō)堆焊翻新工藝本身的不穩(wěn)定是導(dǎo)致翻新模具壽命偏低的真因。

圖2 整體式曲軸模具裝配簡(jiǎn)圖

方案制定

以分塊式結(jié)構(gòu)取代整體式結(jié)構(gòu)

圖6所示為分塊式結(jié)構(gòu)與整經(jīng)驗(yàn)證明能夠徹底清除模具表面缺陷，翻新難度顯著降低，可節(jié)省大量加工費(fèi)用及焊材費(fèi)用；⑶下落翻新模具可以進(jìn)行表面氮化等表面處理，處理后的翻新模體式結(jié)構(gòu)對(duì)比簡(jiǎn)圖。

圖3 整體式曲軸模具堆焊翻新

圖4 堆焊翻新模具壽命統(tǒng)計(jì)

圖5 堆焊翻新模具異常失效根因分析

以下落翻新工藝取代堆焊翻新工藝

分塊式下落翻新工藝相比整體式堆焊翻新工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：①分塊式結(jié)構(gòu)相比整體式結(jié)構(gòu)模塊材料減少70%以上（圖7），新制模具材料成本及加工成本大幅降低；⑵下落翻新2次，每次下落10mm，具壽命與新制模具壽命相當(dāng)。

圖6 分塊式結(jié)構(gòu)與整體式結(jié)構(gòu)對(duì)比簡(jiǎn)圖

圖7 分塊式下落翻新與整體式堆焊翻新對(duì)比

圖8 分塊式結(jié)構(gòu)裝配方式改進(jìn)前后對(duì)比

實(shí)施及改進(jìn)過(guò)程

現(xiàn)在就實(shí)施過(guò)程中出現(xiàn)的兩個(gè)典型問(wèn)題進(jìn)行分析并介紹解決方案。

錯(cuò)差不穩(wěn)

⑴原因分析。

將整體式厚模塊分割為分塊式鑲塊與鑲塊座兩部分，鑲塊與鑲塊座之間通過(guò)特定方式實(shí)現(xiàn)定位及緊固，即為分塊式結(jié)構(gòu)。

實(shí)施初期，分塊式模具頻繁出現(xiàn)錯(cuò)差不穩(wěn)問(wèn)題，每班調(diào)整時(shí)間2h以上，嚴(yán)重制約產(chǎn)能提升，影響鍛件質(zhì)量。

對(duì)此問(wèn)題原因分析如下：鑲塊與鑲塊座之間采用圓柱銷(xiāo)定位（圖8，綠色代表定位基準(zhǔn)），在鑲塊受到水平分力作用時(shí)，限制鑲塊位移的限位面是線型的，限位功能弱，圓柱銷(xiāo)受力大，易發(fā)生變形（硬度低時(shí)）或斷裂（硬度高時(shí)），從而導(dǎo)致分塊式模具錯(cuò)差不穩(wěn)。

⑵解決方案。

通過(guò)對(duì)班組錯(cuò)差調(diào)整數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)差不穩(wěn)均發(fā)生在鍛件左右方向，前后方向幾乎沒(méi)有。由此推斷鑲塊受左右水平分力要遠(yuǎn)大于前后水平分力。

將裝?？臻g、定位可靠性、加工工藝性等各方因素綜合考慮后，決定將定位方式由圓柱銷(xiāo)定位改為左右方向止口定位，前后方向使用長(zhǎng)鍵定位（圖8）。經(jīng)過(guò)數(shù)套模具生產(chǎn)驗(yàn)證，改進(jìn)后的定位方式完美解決了分塊式模具錯(cuò)差不穩(wěn)的問(wèn)題，每套模具生命周期內(nèi)錯(cuò)差調(diào)整次數(shù)≤1次，總調(diào)整時(shí)間＜0.5h。

異常開(kāi)裂

EA888曲軸分塊式模具應(yīng)用初期，連續(xù)出現(xiàn)終鍛模下鑲塊異常開(kāi)裂情況，開(kāi)裂源為W1平衡塊與曲柄臂過(guò)渡處圓角，開(kāi)裂方向?yàn)檠豔1型腔橫向開(kāi)裂。

問(wèn)題出現(xiàn)后，我公司迅速行動(dòng)，從鍛造工藝、模具材料等方面查找原因并尋求解決措施。以下僅從鍛造工藝角度出發(fā)，分析鑲塊異常開(kāi)裂的相關(guān)因素。

⑴模具應(yīng)力大。

1)原因分析。

通過(guò)模具應(yīng)力分析結(jié)果（圖9）可見(jiàn)：①最大位置應(yīng)力值超過(guò)2000MPa,已經(jīng)超出模具本身強(qiáng)度；②模具應(yīng)力值出現(xiàn)在W1平衡塊與曲柄臂過(guò)渡處，與鑲塊實(shí)際開(kāi)裂位置相符。

將EA888曲軸預(yù)、終鍛件W1外輪廓線用坐標(biāo)系擬合后進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)預(yù)鍛件在平衡塊與曲柄臂過(guò)渡處（圖10涂黃色位置）存料過(guò)多，終鍛模具在該位置與金屬接觸時(shí)間長(zhǎng)，變形抗力大，導(dǎo)致易開(kāi)裂。

圖9 EA888終鍛鑲塊模具應(yīng)力分析結(jié)果

圖10 EA888預(yù)、終鍛件W1輪廓線對(duì)比

2)解決方案。

用正交試驗(yàn)法快速驗(yàn)證出最優(yōu)更改方案：預(yù)鍛件W1過(guò)渡處圓角由R30更改為R20。從終鍛模擬結(jié)果看，應(yīng)用該方案時(shí)不僅應(yīng)力減低了，而且打擊力、充滿(mǎn)等均較更改前得到了不同程度的改善（表1）。

表1 更改前后EA888曲軸模擬結(jié)果對(duì)比

⑵強(qiáng)度不足。

1)原因分析。

型腔外側(cè)安全壁厚理論上應(yīng)≥1.5倍型腔深度。EA888曲軸終鍛鑲塊W1型腔外側(cè)壁厚約等于0.9倍型腔深度（圖11），鑲塊本身強(qiáng)度的不足增加了開(kāi)裂幾率。

圖11 EA888終鍛鑲塊開(kāi)裂情況

解決方案

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪所得的數(shù)據(jù)分析，在不影響裝配、步進(jìn)梁安裝、鉗指動(dòng)作等前提下，將EA888終鍛鑲塊W1外側(cè)壁厚增加至大于1.5倍型腔深度（圖12）。

圖12 EA888曲軸終鍛鑲塊更改前后對(duì)比

效果驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)為期4個(gè)月的實(shí)施及改進(jìn)，2016年6月實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)。統(tǒng)計(jì)2016年6月至10月期間使用的19套分塊式下落翻新模具數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)平均壽命達(dá)到5453件，單件模具成本降至6.39元（圖13），達(dá)到行業(yè)先進(jìn)水平。僅模具費(fèi)用一項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)年降成本700萬(wàn)。受益于該項(xiàng)目的實(shí)施，自動(dòng)線平均班產(chǎn)由500件提升到1200件以上。

隨著分塊式結(jié)構(gòu)方案、加工工藝、下落翻新模具表面氮化工藝的日趨穩(wěn)定，自動(dòng)線曲軸模具壽命及單件模具成本未來(lái)仍有較大改進(jìn)空間。

圖13 兩種工藝的主要指標(biāo)對(duì)比

結(jié)束語(yǔ)

本文以一汽鍛造4000t曲軸自動(dòng)線模具結(jié)構(gòu)及翻新工藝研究項(xiàng)目為例，比較了分塊式下落翻新工藝與整體式堆焊翻新工藝的差異，介紹了前者在實(shí)際應(yīng)用中的一些常見(jiàn)問(wèn)題、原因分析及解決方案。希望藉此文拋磚引玉，在自動(dòng)線曲軸模具結(jié)構(gòu)及翻新工藝選擇這一課題上為行業(yè)同仁提供一些思路。