六缸曲軸鍛造模具的改進與優(yōu)化

文／潘海江，武絡，周擁軍，趙鵬·富成鍛造有限責任公司

隨著“節(jié)能降耗”、“精益化管理”等全價值鏈體系化精益管理不斷實施，作為發(fā)動機關鍵零部件之一的曲軸產品成為了主要的產品優(yōu)化與改進的目標。我公司通過對D2876曲軸產品模具進行改進優(yōu)化，最終實現(xiàn)該產品的質量與材料利用率的同步提升。

D2876曲軸（圖1）是我公司2012年開發(fā)的一項民品曲軸，從試生產到批生產至今已歷經5年多時間，鍛件質量仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，存在不同程度的頑固性問題，導致大量產品報廢。在此期間針對固有的問題及缺陷也進行了相當一部分的工藝工裝改進，但效果不夠理想。2017年在公司民品市場仍處于蕭條狀態(tài)的情況下，為保市場提高鍛件品質，公司對該產品重新立項研究，針對該曲軸存在的問題，展開了相關的研究內容。

圖1 曲軸鍛件三維模型

改進前狀態(tài)及產生因素

鍛件厚度尺寸超差嚴重

D2876曲軸鍛件各軸頸與切邊痕垂直方向的尺寸超差嚴重；鍛件要求的主軸頸尺寸為，而實際生產出的鍛件通過測量統(tǒng)計主軸頸尺寸一般在φ119mm左右，超上差最大為3mm。

通過不斷跟蹤生產現(xiàn)場，測量切邊后的毛邊厚度尺寸，確定造成鍛件各軸頸與切邊痕垂直方向的尺寸超差的主要原因為：⑴模具成形導軌間隙為2mm，間隙過小易導致鍛件打不靠（圖2）；⑵部分曲柄處的原材料過大；⑶大小頭處的毛邊過大。以上三點造成鍛件無法打靠，從而導致鍛件切邊痕垂直方向的尺寸超差嚴重。

圖2 成形導軌間隙

曲軸柄塊不易充滿

如圖1所示，該曲軸為六缸八平衡塊結構，而平衡塊形狀如圖3所示，平衡塊寬度為24mm，總高度已達到164mm。因此，其平衡塊在單扇模具的模膛高寬比約為3.5。

圖3 柄塊寬度與高度

模膛高寬比已達到3.5，將很大程度上影響平衡塊最后能否充滿模膛；而對于六缸八配重塊曲軸來說，最中間的6、7平衡塊最難充填，在整個曲軸鍛打的過程中6、7平衡塊最后充滿模膛。在實際生產過程中，為使曲軸6、7平衡塊能夠充滿，每件曲軸所鍛打的錘數(shù)在45錘左右，嚴重影響模具的使用壽命。

材料利用率低

該曲軸的工藝路線為下料→鍛造→熱處理→清理。因年需求量較大，此曲軸采用倍尺定料。其鍛件重量為137kg，而下料重量為183kg。據(jù)此計算，該曲軸的材料利用率為74.8%。與同結構曲軸鍛件相比，材料利用率屬于偏低，造成這種結果的主要原因為：⑴客觀原因。鍛件平衡塊半徑過大已達到R120mm；⑵主觀原因。直棒料加熱后直接鍛造成形工藝，造成3、4、9、10曲柄處料過多，多余的原材料轉化為毛邊。

鍛件連桿頸易出折疊傷

該曲軸的回轉半徑為R83mm，此前公司開發(fā)的所有民品曲軸其回轉半徑都不超過R70mm，其連桿頸也不過為φ102mm，因此原材料的規(guī)格大小直接影響1、3、4、6拐連桿頸能否充滿型腔，同時也影響到在材料運動過程中能否避免出現(xiàn)折疊傷。

如圖4所示，當上模向下移動時，原材料的一部分料充滿連桿頸型腔。在充滿型腔的過程中，材料會先向無阻力的方向上流動（圖4中標記位置），而不是沿著模膛形狀流動，連桿頸內側產生空腔，當受到外側模膛阻力后，才開始充滿連桿頸內側空腔。故原材料規(guī)格過小，連桿頸內側產生的空腔會過大而產生折疊傷。

圖4 產生折疊傷機理

改進過程及改進后狀態(tài)

調整模具過橋及倉部結構

根據(jù)曲軸鍛件在終鍛時無法打靠，從生產的鍛件厚度尺寸超上差的實際情況入手，采取以下兩點措施：

⑴將各平衡塊及曲柄處的成形導軌的間隙2mm調整至4mm（圖5）。加大成形導軌間隙的主要作用是鍛件在鍛打的過程中，金屬在充滿模膛后，根據(jù)最小阻尼定律多余金屬易向倉部流動，減少鍛件的鍛打錘數(shù)，有效地解決了鍛件無法打靠的問題。

⑵將大小頭處的倉部深度尺寸加大（圖6）。優(yōu)化前單扇模具的整體倉部高度尺寸為15mm，因大小頭原材料過大，在鍛件鍛打后期，大小頭的毛邊充滿倉部，甚至有的鍛件打到分模面上，使得鍛件無法打靠；為此特將大小頭的倉部高度尺寸更改為22mm，局部加深大小頭倉部尺寸。

圖5 改后成形導軌間隙

圖6 局部加深倉部

通過以上兩點優(yōu)化模具，在生產過程中測量各軸頸尺寸，完全符合圖紙要求，有效解決了鍛件打不靠，軸頸超差影響曲軸動平衡問題。

優(yōu)化模具邊緣圓角

在鍛件生產過程中，生產班組總是反映鍛件6、7平衡塊不易充滿模膛，造成大量的補焊。通過觀察坯料溫度、操作方法、模具狀態(tài)及鍛件的充滿過程等，排除其他因素后，最終確定是模具局部邊緣圓角過小所致，故現(xiàn)場直接打磨模具后繼續(xù)生產，觀察鍛打出的曲軸鍛件6、7平衡塊能夠很好的充滿模膛。后續(xù)對圖紙和三維數(shù)模進行了固化，改后模具檔部圓角如圖7所示。

圖7 更改后的檔部沖頭

增加輥鍛制坯工序

此項曲軸的材料利用率與同結構曲軸鍛件相比偏低，故需增加輥鍛制坯工序來提高其材料利用率，達到降低原材料成本的目的。

為了保證工人的可操作性、工藝的可行性、生產的安全性、產品的穩(wěn)定性等要求，由于下料規(guī)格較大，人工不易操作，須采用翻料機進行翻料。若采用軍品曲軸輥鍛及壓彎等模膛形式，必須增加剁頭工序，不僅增加了原材料的長度、降低了產品的材料利用率，同時，增加了剁頭工序，也降低了生產效率。為此，該曲軸的輥鍛模不能按傳統(tǒng)的輥鍛模膛進行設計，必須打破固有的設計思路，一方面保證產品終鍛時的要求，另一方面保證產品的材料利用率和生產效率。

圖8 輥鍛模

針對上述問題最終設計的輥鍛模具如圖8所示，并應用Deform三維數(shù)值模擬軟件進行驗證，為使模擬結果最大可能的體現(xiàn)實際生產的真實性，在模擬時設置和選用的參數(shù)為錘上模擬參數(shù)，模擬過程如圖9所示。

圖9 輥鍛模擬結果

為驗證輥鍛模膛設計是否正確，同樣需要應用Deform三維數(shù)值模擬軟件進行驗證，為節(jié)省模擬時間和計算工步，特選取該曲軸具有代表性的一節(jié)進行模擬，模擬時設置和選用的參數(shù)也為錘上模擬參數(shù)，模擬結果如圖10所示。

圖10 終鍛模擬結果

局部優(yōu)化連桿頸結構

曲軸鍛件在充滿型腔的過程中，材料根據(jù)最小阻尼定律首先會向無阻力的方向上流動，而不是沿著模膛形狀流動，連桿頸內側產生空腔，當受到外側模膛阻力后，才開始充滿連桿頸內側空腔。故原材料規(guī)格過小，連桿頸內側產生的空腔會過大而產生折疊傷。

為了使金屬盡可能的沿模膛形狀流動，所采取的措施是在生產D2876曲軸時，將連桿頸與檔部沖頭連接處的圓角磨大，并跟蹤后續(xù)生產的曲軸。經磁粉探傷后，個別仍有折疊傷，將裂紋垂直方向打斷后，裂紋深度有1.5mm左右。因此，需對此處做進一步調整。

經過幾次調整，將連桿頸上模的檔部沖頭改為圖11結構：連桿頸與檔部沖頭采用大斜面過渡，此結構主要是為了在鍛造曲軸過程中，坯料在充滿模膛之時，坯料的流動方向盡可能沿著模膛壁方向流動，使上模坯料與模膛之間的空腔最小化，從而減小鍛造折疊傷的出現(xiàn)。

圖11 連桿頸處改后結構

結論

通過一段時間的工藝工裝和模具制造等方面的準備，本文所述曲軸采用優(yōu)化后的鍛造工藝進行生產時，對試生產的過程進行全程跟蹤，觀察到金屬完全能夠充滿預鍛模膛。對鍛件成品進行全尺寸測量，證實鍛件能夠滿足圖紙要求。證明該輥鍛模設計合理、可操作性強，能夠完全滿足生產，有效的解決了連桿頸產生鍛造折疊傷的頑固性缺陷。