WP12油底殼工藝試驗(yàn)與模具開發(fā)設(shè)計(jì)

王躍臻，劉建新，張新國

（1.山東科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，261053；2.濰柴重機(jī)股份有限公司,山東 濰坊 261001）

WP12歐三藍(lán)擎發(fā)動機(jī)的油底殼原設(shè)計(jì)深度為320mm,生產(chǎn)工藝是：分為上、下兩段進(jìn)行拉深，上油底殼拉深180mm，下油底殼拉深160mm，兩個(gè)油底殼套在一起套合20mm并采用專用點(diǎn)焊機(jī)點(diǎn)焊后，再采用縫焊機(jī)縫焊，焊縫長度1.5米以上。油底殼不僅外觀質(zhì)量差，而且滲漏率高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜，造成生產(chǎn)成本增加及環(huán)境空氣污染，迫切需要進(jìn)行改進(jìn)。

1 現(xiàn)狀及存在的問題

WP12柴油機(jī)的油底殼的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝是采用上、下兩段分別進(jìn)行拉深，然后進(jìn)行整形、切邊、沖孔、翻邊等后續(xù)工序，再將上、下油底殼套合后采用專用點(diǎn)焊機(jī)點(diǎn)焊，最后采用縫焊機(jī)縫焊的方式進(jìn)行生產(chǎn)，工序較多。這種生產(chǎn)方式主要存在以下幾個(gè)方面的問題：

（1）外觀質(zhì)量差。兩段拼接造成配合不夠嚴(yán)密，焊縫外露，再加上焊補(bǔ)后形成的焊瘤，影響整機(jī)的外觀質(zhì)量。

（2）滲漏率高。由于焊縫長度過長，達(dá)1.5米左右，廠內(nèi)零部件一次密封試驗(yàn)滲漏率達(dá)80%之高，裝機(jī)試車過程中出現(xiàn)的滲漏率在10%左右；更為嚴(yán)重的是市場客戶，如三一重工反饋WP12油底殼在市場漏油嚴(yán)重，如圖1所示。

（3）生產(chǎn)工藝復(fù)雜，增加制造成本。由于原設(shè)計(jì)612630010300油底殼需要分上、下兩段分別進(jìn)行拉深，然后分別進(jìn)行整形、切邊、沖孔、翻邊等后繼工序，再將上、下油底殼套合后采用專用點(diǎn)焊機(jī)點(diǎn)焊，之后采用縫焊機(jī)縫焊。為保證強(qiáng)度、防止?jié)B漏，油底殼縫焊后采用CO2保護(hù)焊進(jìn)行加固。可見，其制造流程多達(dá)數(shù)十道工序，生產(chǎn)制造成本非常高，如圖2所示。

（4）環(huán)境污染嚴(yán)重，采用上下兩段拼焊的結(jié)構(gòu)，焊縫長，而且要在點(diǎn)焊、縫焊之后進(jìn)行CO2保護(hù)焊重新焊接，過多的焊接煙塵廢氣對操作者及生產(chǎn)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重危害。

圖1 客戶反饋油底殼漏油嚴(yán)重

鑒于以上所述，對該油底殼的生產(chǎn)工藝進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)已經(jīng)迫在眉睫。

圖2 油底殼采用兩段拼焊結(jié)構(gòu)

2 工藝分析及計(jì)算

油底殼拉深屬于非軸對稱階梯矩形盒件拉深，盒形件的沖壓變形性質(zhì)與直壁圓筒形件有相同之處，亦有不同之處。相同之處是在變形區(qū)都是在拉應(yīng)力與切向壓應(yīng)力的作用下產(chǎn)生拉深變形而存在著變形區(qū)產(chǎn)生的拉應(yīng)力與傳力區(qū)的承載能力之間的關(guān)系問題。不同之處是盒形件變形的應(yīng)力狀態(tài)和所產(chǎn)生的拉深變形在周邊上的分布的不均勻性，由此引起和圓筒形件成形不同的特點(diǎn)。

WP12油底殼深度為320mm，寬度為280mm，高寬比達(dá)1.14。按照以往經(jīng)驗(yàn)判斷，整體拉深難以實(shí)現(xiàn)，而且經(jīng)過詳細(xì)分析計(jì)算后得知，拉深深度已經(jīng)遠(yuǎn)超過拉深所能達(dá)到的理論極限。經(jīng)過反復(fù)論證及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，項(xiàng)目組工程技術(shù)人員與設(shè)計(jì)部門進(jìn)行溝通研究分析，改進(jìn)零件結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)整體拉深的改進(jìn)思路。

該大深度油底殼的整體成形工藝的沖壓工藝設(shè)計(jì)包括拉深毛坯落料、拉深、整形、切邊沖孔、翻邊、沖側(cè)孔六道工序，相應(yīng)需要設(shè)計(jì)六套沖壓模具。毛坯拉深落料工序試模過程中需要對毛坯具體尺寸進(jìn)行試驗(yàn)修整，所以拉深毛坯落料模具的設(shè)計(jì)要放到拉深試模成功后進(jìn)行。在進(jìn)行拉深模具試驗(yàn)時(shí)使用的落料毛坯臨時(shí)采用激光下料。六道沖壓工序中關(guān)鍵的工序是拉深工序，拉深工序能否順利進(jìn)行是該大深度油底殼整體成形工藝成功的關(guān)鍵。拉深工藝的設(shè)計(jì)具體需要側(cè)重以下幾點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究：

（1）在保證柴油機(jī)性能的前提下，與設(shè)計(jì)人員進(jìn)行溝通，在不影響零件使用性能的前提下，對零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提高拉深的工藝性能，將該油底殼的深度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，具體調(diào)整為305mm，以實(shí)現(xiàn)整體一次成形。

（2）盡管油底殼的整體高度有所降低，但該油底殼作為不規(guī)則的非軸對稱深盒形件，拉深時(shí)各處變形不均勻，最寬的兩圓角及臺階斜面的材料難以得到有效的補(bǔ)充，對整個(gè)油底殼拉深過程的材料流動影響較大，成形難度大，拉深破裂問題不易解決。對原有的油底殼拉深技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。經(jīng)過細(xì)致的分析研究和大量的工藝實(shí)驗(yàn)，對拉深工藝參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整和改進(jìn)：

①毛坯。毛坯尺寸的計(jì)算原則,遠(yuǎn)離四角圓弧尺寸按彎曲成形計(jì)算長與寬（實(shí)際中可能稍小）。四角圓弧處屬于圓筒形和部分直邊變形的結(jié)合,比圓筒形拉伸尺寸稍小,毛坯盡量用近似圓弧方法保證拉伸流動[1]。工藝驗(yàn)證的工程中本著料多易破，料少易皺的原則[2]對拉深毛坯的形狀大小進(jìn)行調(diào)整。

②凹、凸模圓角半徑的確定。由于油箱底殼四邊變形方式不同，對于四邊圓角處（或近似圓角）凹模、凸模圓角半徑應(yīng)較大。試模驗(yàn)證的過程中尤其需要對四邊圓角部位的凸模、凹模圓角半徑進(jìn)行適當(dāng)修磨放大。

③凸、凹模間隙。由于油底殼長度方向兩邊流動較其它部位快,而為保證拉伸件兩邊壁部直而挺,作為一次拉伸和二次拉伸的第二道拉伸凸、凹模間隙要小些。設(shè)料厚為t，單邊間隙一般?。?.15～1.2）t,而大頭部分圓角處和短邊的凸、凹模間隙要大些,一般取（1.8～2.5）t[1]。

④拉深過程中的潤滑創(chuàng)新改進(jìn)：采用固體潤滑劑和液體潤滑劑相結(jié)合的潤滑方式，即聚氯乙烯薄膜潤滑和拉延油潤滑同時(shí)進(jìn)行。

⑤壓邊力采用曲線封料，屬國內(nèi)油壓機(jī)此項(xiàng)技術(shù)的首創(chuàng)。

3 工藝方案驗(yàn)證實(shí)施

拉深模具的設(shè)計(jì)采用一模兩腔壓邊結(jié)構(gòu)，在1030噸雙動薄板液壓機(jī)上進(jìn)行拉深。試模的過程中出現(xiàn)的拉深缺陷集中在油底殼較深部位底部的四個(gè)圓角稍向上的危險(xiǎn)斷面破裂，以及兩側(cè)直壁的皺褶現(xiàn)象。通過采用對毛坯的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行修整、調(diào)節(jié)壓邊力、破裂部位凹模圓角放大拋光、拉延筋拋光、改變拉延筋高度、對拉深材料的流動趨向進(jìn)行合理控制等措施，項(xiàng)目組成員幾經(jīng)修正拉深參數(shù)、反復(fù)進(jìn)行拉深試驗(yàn)，最終取得了該大深度油底殼拉深的成功。作為階梯深盒形件拉深，拉深系數(shù)達(dá)到1.18，實(shí)現(xiàn)了拉深技術(shù)的新突破，目前處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

整體拉深的WP12油底殼如圖3所示。

圖3 創(chuàng)新前后的效果對比

油底殼整體拉深的工藝實(shí)行后，取得了理想的效果，工作達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，主要?jiǎng)?chuàng)新效果有以下三點(diǎn)：

（1）實(shí)行整體拉深工藝后，WP12油底殼的滲漏得到徹底解決，油底殼外觀質(zhì)量和產(chǎn)品性能明顯提高，避免了柴油機(jī)滲油現(xiàn)象的發(fā)生，使藍(lán)擎柴油機(jī)更具市場競爭力；

（2）采用整體拉深，油底殼成形工藝減少至四道工序，生產(chǎn)效率提高30%，材料利用率提高30%，節(jié)約制造成本35%；

（3）避免了油底殼拼焊造成的焊接煙塵廢氣對操作者及生產(chǎn)環(huán)境產(chǎn)生的危害。

兩段拼焊成形與整體拉深的油底殼實(shí)物對比如圖4所示。

圖4 兩段拼焊成形與整體拉深的油底殼實(shí)物對比

該項(xiàng)藍(lán)擎發(fā)動機(jī)大深度油底殼拉深工藝的成功，不但節(jié)能減排、有利環(huán)保減少污染，更大大提高了生產(chǎn)效率和材料利用率，節(jié)約了制造成本，使藍(lán)擎柴油機(jī)更具市場競爭力。此項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新成果是公司拉深技術(shù)的新突破，在沖壓領(lǐng)域達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先，國際先進(jìn)水平。同時(shí)給企業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

[1]吳迎凱.發(fā)動機(jī)油箱底殼拉伸成形工藝及模具設(shè)計(jì) [J].模具工業(yè)，2002.1.

[2]肖祥芷，王孝培.中國模具設(shè)計(jì)大典第3卷[M].江西：江西科學(xué)技術(shù)出版社，2003.10.