WP12油底殼工藝試驗與模具開發設計

王躍臻，劉建新，張新國

（1.山東科技職業學院機械工程系，261053；2.濰柴重機股份有限公司,山東 濰坊 261001）

WP12歐三藍擎發動機的油底殼原設計深度為320mm,生產工藝是：分為上、下兩段進行拉深，上油底殼拉深180mm，下油底殼拉深160mm，兩個油底殼套在一起套合20mm并采用專用點焊機點焊后，再采用縫焊機縫焊，焊縫長度1.5米以上。油底殼不僅外觀質量差，而且滲漏率高、生產工藝復雜，造成生產成本增加及環境空氣污染，迫切需要進行改進。

1 現狀及存在的問題

WP12柴油機的油底殼的傳統生產工藝是采用上、下兩段分別進行拉深，然后進行整形、切邊、沖孔、翻邊等后續工序，再將上、下油底殼套合后采用專用點焊機點焊，最后采用縫焊機縫焊的方式進行生產，工序較多。這種生產方式主要存在以下幾個方面的問題：

（1）外觀質量差。兩段拼接造成配合不夠嚴密，焊縫外露，再加上焊補后形成的焊瘤，影響整機的外觀質量。

（2）滲漏率高。由于焊縫長度過長，達1.5米左右，廠內零部件一次密封試驗滲漏率達80%之高，裝機試車過程中出現的滲漏率在10%左右；更為嚴重的是市場客戶，如三一重工反饋WP12油底殼在市場漏油嚴重，如圖1所示。

（3）生產工藝復雜，增加制造成本。由于原設計612630010300油底殼需要分上、下兩段分別進行拉深，然后分別進行整形、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焊機點焊，之后采用縫焊機縫焊。為保證強度、防止滲漏，油底殼縫焊后采用CO2保護焊進行加固。可見，其制造流程多達數十道工序，生產制造成本非常高，如圖2所示。

（4）環境污染嚴重，采用上下兩段拼焊的結構，焊縫長，而且要在點焊、縫焊之后進行CO2保護焊重新焊接，過多的焊接煙塵廢氣對操作者及生產環境產生嚴重危害。

圖1 客戶反饋油底殼漏油嚴重

鑒于以上所述，對該油底殼的生產工藝進行創新改進已經迫在眉睫。

圖2 油底殼采用兩段拼焊結構

2 工藝分析及計算

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都是在拉應力與切向壓應力的作用下產生拉深變形而存在著變形區產生的拉應力與傳力區的承載能力之間的關系問題。不同之處是盒形件變形的應力狀態和所產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。

WP12油底殼深度為320mm，寬度為280mm，高寬比達1.14。按照以往經驗判斷，整體拉深難以實現，而且經過詳細分析計算后得知，拉深深度已經遠超過拉深所能達到的理論極限。經過反復論證及實驗驗證，項目組工程技術人員與設計部門進行溝通研究分析，改進零件結構，以實現整體拉深的改進思路。

該大深度油底殼的整體成形工藝的沖壓工藝設計包括拉深毛坯落料、拉深、整形、切邊沖孔、翻邊、沖側孔六道工序，相應需要設計六套沖壓模具。毛坯拉深落料工序試模過程中需要對毛坯具體尺寸進行試驗修整，所以拉深毛坯落料模具的設計要放到拉深試模成功后進行。在進行拉深模具試驗時使用的落料毛坯臨時采用激光下料。六道沖壓工序中關鍵的工序是拉深工序，拉深工序能否順利進行是該大深度油底殼整體成形工藝成功的關鍵。拉深工藝的設計具體需要側重以下幾點進行設計研究：

（1）在保證柴油機性能的前提下，與設計人員進行溝通，在不影響零件使用性能的前提下，對零件結構進行改進，提高拉深的工藝性能，將該油底殼的深度進行適當調整，具體調整為305mm，以實現整體一次成形。

（2）盡管油底殼的整體高度有所降低，但該油底殼作為不規則的非軸對稱深盒形件，拉深時各處變形不均勻，最寬的兩圓角及臺階斜面的材料難以得到有效的補充，對整個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提出了挑戰。經過細致的分析研究和大量的工藝實驗，對拉深工藝參數進行了調整和改進：

①毛坯。毛坯尺寸的計算原則,遠離四角圓弧尺寸按彎曲成形計算長與寬（實際中可能稍小）。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行調整。

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、凸模圓角半徑應較大。試模驗證的過程中尤其需要對四邊圓角部位的凸模、凹模圓角半徑進行適當修磨放大。

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。設料厚為t，單邊間隙一般取（1.15～1.2）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新改進：采用固體潤滑劑和液體潤滑劑相結合的潤滑方式，即聚氯乙烯薄膜潤滑和拉延油潤滑同時進行。

⑤壓邊力采用曲線封料，屬國內油壓機此項技術的首創。

3 工藝方案驗證實施

拉深模具的設計采用一模兩腔壓邊結構，在1030噸雙動薄板液壓機上進行拉深。試模的過程中出現的拉深缺陷集中在油底殼較深部位底部的四個圓角稍向上的危險斷面破裂，以及兩側直壁的皺褶現象。通過采用對毛坯的局部結構進行修整、調節壓邊力、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行合理控制等措施，項目組成員幾經修正拉深參數、反復進行拉深試驗，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，拉深系數達到1.18，實現了拉深技術的新突破，目前處于國內領先水平，達到國際先進水平。

整體拉深的WP12油底殼如圖3所示。

圖3 創新前后的效果對比

油底殼整體拉深的工藝實行后，取得了理想的效果，工作達到了預期目標，主要創新效果有以下三點：

（1）實行整體拉深工藝后，WP12油底殼的滲漏得到徹底解決，油底殼外觀質量和產品性能明顯提高，避免了柴油機滲油現象的發生，使藍擎柴油機更具市場競爭力；

（2）采用整體拉深，油底殼成形工藝減少至四道工序，生產效率提高30%，材料利用率提高30%，節約制造成本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環境產生的危害。

兩段拼焊成形與整體拉深的油底殼實物對比如圖4所示。

圖4 兩段拼焊成形與整體拉深的油底殼實物對比

該項藍擎發動機大深度油底殼拉深工藝的成功，不但節能減排、有利環保減少污染，更大大提高了生產效率和材料利用率，節約了制造成本，使藍擎柴油機更具市場競爭力。此項技術創新成果是公司拉深技術的新突破，在沖壓領域達到國內領先，國際先進水平。同時給企業帶來了較大的經濟效益和社會效益。

[1]吳迎凱.發動機油箱底殼拉伸成形工藝及模具設計 [J].模具工業，2002.1.

[2]肖祥芷，王孝培.中國模具設計大典第3卷[M].江西：江西科學技術出版社，2003.10.