一種六缸錯拐曲軸模鍛件的工藝研究及應用

本文根據錯拐曲軸的產品形狀，結合零件的尺寸及結構特點，分析其在鍛錘上的成形工藝，并制定成形工藝方案。通過DEFORM-3D模擬軟件對鍛打工藝用料及成形過程進行了數值模擬，從動態模擬過程中觀察模鍛過程中金屬的流動及填充情況。在模擬及實際批量生產中，此套錯拐曲軸的工藝方案合理，為其他同類型的錯拐曲軸實際工藝的制定提供了參考。

曲軸簡介

曲軸是發動機中承載最復雜、最重要的部件之一，廣泛應用于內燃機、活塞式壓縮機、通用機械等領域，對整機性能有著重要的影響。近幾年，我廠設計開發了一系列曲軸，有單缸曲軸、六缸曲軸、八缸曲軸等，其中以六缸曲軸最為常見。我們常見的六缸曲軸連桿頸之間的相位角多為90°和120°，我廠開發的六缸曲軸，連桿頸相位角以30°、90°來排布，產品特點比較典型，稱之為六缸錯拐曲軸。下文對其模鍛成形工藝的確定展開詳細的分析。

模鍛工藝成形分析

產品形狀及特點分析

圖1 產品示意圖

圖2 產品三維模型

圖1、圖2分別為該產品的二維示意圖和三維模型，該產品同樣是一個六缸曲軸，只是相位角排布不同于常規，為一個錯拐曲軸，產品長度為663mm，共有九個曲柄，六個連桿頸。從小頭看，第1、3、7、9曲柄需要安裝配重塊，第4、6曲柄為常規平衡塊，寬度均為23.5mm，第2、5、8曲柄為橢圓形形狀，形狀比較簡單，但曲柄寬度僅有7mm。第一連桿頸與第二連桿頸之間的相位角為30°，第二連桿頸與第三連桿頸之間的相位角為90°，第四、五、六連桿頸也以此為規律排布。第一、二連桿頸之間形成一處錯拐，第三、四連桿頸與第五、六連桿頸之間為其余兩處錯拐。九個曲柄除連桿頸背錐外均需要加工。

圖3 連桿頸增加工藝補充及內側分模面

模鍛工藝分析

依據產品特點，結合我廠的實際情況，采用錘上模鍛成形工藝進行開發。通過計算成形時各個錯拐處的大體用料情況，決定用最簡單的方式——棒料加熱后直接終鍛成形。這種方式一火加熱、經濟實惠、生產效率高，鍛件表面質量較好。該產品的開發工藝流程為：下料→加熱→終鍛成形→切邊→熱校正。

模鍛工藝設計

鍛件圖設計

⑴加工余量的確定。針對產品圖中顧客對各個加工面表面質量的不同要求及我廠鍛錘的使用性能，確定各加工面的加工余量。第1、3、4、6、7、9曲柄兩側面余量確定為單側1.5mm，第2、5、8錯拐曲柄由于產品圖中的寬度只有7mm，如果兩側面按照1.5mm來放加工余量的話，曲柄寬度也僅為10mm。在模鍛成形時，由于型腔特別窄，坯料不容易填充，會造成曲柄充不滿，同時也影響模具壽命。綜合考慮后，這三處錯拐曲柄兩側面的加工余量確定為單邊4.5mm，保證曲柄寬度為16mm，可以滿足坯料填充的需求。連桿頸、主軸頸及軸肩臺、大小頭法蘭處的余量按照我廠錘上成形常規曲軸鍛件所需的余量執行。

⑵分模方式的確定。最簡單的成形方式一般是最實用的，為減少成形工序，提高生產效率，該曲軸采用立體分模方式，一火單工序成形。分模的難點在于第2、5、8錯拐曲柄處的分模，如何滿足坯料填充，如何與相鄰曲柄銜接。經過仔細分析與討論，確定了分模面的具體形式，以第一連桿頸為例，如圖3、圖4所示。

⑶拔模角的確定。由于是鍛錘上成形，為方便鍛打后鍛件順利出模，拔模角不能太小，該曲軸的拔模角最終確定為5°，淺處交于分模面(保證型腔最深的地方出模角為5°）。

⑷工藝補充。因為曲柄、軸肩臺側面增加余量和拔模斜度后，連桿頸的寬度減小，經過分析和討論后，確定該曲軸錯拐處需要增加工藝補充用于增強模具強度和提高模具使用壽命。以第1連桿頸為例，拔模后第1、2曲柄之間的寬度在20.8mm左右，此部分形狀反映在模具上為窄條凸起形狀。?？趫A角做出后，凸起部分的寬度會更小，模具強度下降，在鍛打過程中，很容易被打塌，一旦打塌，需要停止鍛打，人工修模，不僅降低了工作效率，更嚴重降低了模具的使用壽命，在一定程度上增加了模具投入的成本。為了解決這個問題，借助相鄰曲柄形狀對連桿頸增加了工藝補充，加強該處的模具強度。增加工藝補充添量后的連桿頸為圖3剖面線部分，該方案得到了客戶的認可。同時客戶也提出了一個要求，將曲軸大頭法蘭一側加長80mm，直徑做到φ110mm以滿足加工時裝卡等需要。經過加工余量、分模方式、拔模斜度等的確定完成鍛件圖的設計（圖4）。

圖4 鍛件視圖

模具設計

錘鍛模設計

⑴鍛錘噸位的確定。該曲軸鍛件重量為91.4kg，通過計算鍛打力，我廠13t設備可以滿足鍛打需要，但與13t配套的切邊壓床為800t，壓床的最大行程為400mm。由于鍛件豎直方向高點到低點的落差為265mm，當壓床升到最高極限時，沖頭導面高點與凹模導面高點之間的距離已經不足265mm，空間受限。切邊時鍛件無法順利的自上而下放入凹模里，同時也很容易刮傷鍛件，操作工操作起來難度也比較大。針對這種情況，該產品最終確定在我廠16t設備上鍛打。16t錘所配備的壓床為1250t壓床，行程500mm，可以滿足切邊時的需要。

⑵熱鍛件圖的設計。產品材質為42CrMoA。根據材質，確定熱收縮系數，將鍛件圖轉換為熱鍛件圖，該曲軸采用收縮系數為1.5%。

查閱《鍛工手冊》計算在16t上鍛打時需要的最小承擊面，結合鍛件長、寬、高等尺寸，確定模塊外形尺寸。借助三維建模軟件，確定該曲軸在錘上的打擊中心。模具設計時，鍛模模具中心（燕尾中心線與定位鍵中心線的交點）要與打擊中心（錘桿中心線）重合。

⑶鎖扣的設計。為了防止鍛件在鍛打過程中產生錯差，也為了模具安裝調整方便，在錘鍛模模體上設計了四處角鎖扣。為了避免氧化皮粘附在鎖扣上，吹風時不好清理，將凸鎖扣設計在下模，凹鎖扣設計在上模。吹風時操作方便，氧化皮也不會在凹鎖扣里堆積。

⑷橋部及飛邊槽的設計。該曲軸形狀比較復雜，為便于型腔充滿，將橋部設計在下模。按照標準所查，橋部高度為6～9mm，但由于所用16t設備力量偏大，為避免鍛錘打擊力量過大，將坯料打跑，鍛件充不滿，將橋部高度減小到5mm，采用雙倉，并進行加深，單側深度為25mm（圖5）。模具上局部做出傾斜45°的處理則是為了增強背錐處的模具強度，設計圖如圖6所示。

圖5 飛邊槽及外側導面

圖6 背錐做出45°處理

⑸定位凹槽的設計。該曲軸導面高差大，在下模模具型腔第1、3，7、9曲柄內側開檔處設計了兩處深5mm的放料圓弧凹槽，凹槽直徑和熱坯料直徑一樣。凹槽邊緣采用圓角過渡，便于坯料定位且不影響終鍛成形，操作工可以很方便的將加熱后的坯料放在定位凹槽中而不用來回擺放坯料。

⑹切邊模的設計。切邊模主要的組成部件是模板、凹模、沖頭、沖頭夾。底座和沖頭夾選用我廠標準件，一般曲軸切邊后，鍛件掉入底座落料孔后會扭轉一個角度或者傾斜，不會卡在凹模下端。但這類曲軸受相位角影響，鍛件進入落料孔后，傾斜的角度會比較小，最高面容易卡在凹模底部，造成取件困難。需要人工借助工具將鍛件扭轉后，才能由轉序小車夾持運走，在一定程度上增加了人工勞動強度，降低生產效率。為了避免此種情況出現，防患于未然，在保證模板強度情況下，在模板底部做出高度為30mm的通凹槽，以此來增加落料空間，方便取件（圖7）。凹模設計時，考慮到毛邊會卡在凹模導面上，鍛件放不平穩，切邊時造成切邊變形。凹模導面做出5mm，連桿頸開檔處做出10mm的間隙（圖8）。

圖7 模板底部做出空開

圖8 凹模導面間隙

⑺熱校正的設計。熱校正模主要用來校正鍛件厚度，消除切邊變形，為防止擠壓鍛件，造成鍛件二次變形，型槽做出軸向間隙1.5mm來讓開鍛件。所有圓形形狀均在分模面方向做了60°斜面讓開，設計圖如圖9所示。

圖9 側向空開

工藝模擬

為了驗證模具設計的合理性，了解坯料的填充情況，進一步驗證坯料規格，降低開發成本，利用DEFORM-3D軟件對工藝方案進行了模擬驗證，確定了本工藝方案理論上的可行性。針對模擬后的情況，對模具進行了一些細節上的完善。

圖10為坯料放置情況，圖11為坯料在變形初期，圖12為坯料成形過程，圖13為鍛件打靠，成形結果。從上所述：上模凸出部位先與坯料接觸，在變形初期，坯料接觸模具部位，金屬發生局部流動，變形速度比較小；在成形過程中，金屬流動沿坯料軸線方向逐漸加強；成形后期，金屬在軸線方向的流動趨勢漸弱，模具型腔已經充填滿。金屬流動主要從坯料的局部向毛邊槽方向流動，直至鍛件打靠，鍛造過程結束。從模擬結果來看，最終成形時，鍛件流線符合工藝要求，金屬流動穩定，無折紋、折疊、充不滿等現象。

圖14為實際鍛打后的毛邊，圖15為噴丸后的鍛件。從毛邊的情況的看，與模擬狀態基本一致。

注意事項

⑴料溫要控制在1150±30℃。料溫過低，鍛件打不靠，局部會充不滿；料溫過高，坯料會過燒，造成報廢。

圖10 坯料放置情況

圖11 坯料變形初期

圖12 坯料成形過程

圖13 成形結果

圖14 鍛打的毛邊

圖15 噴丸后的鍛件

⑵鍛打時前幾錘不能用重錘，防止把料打跑，要先輕后重，輕錘5～6錘，重錘5～6錘，平均錘數11～12錘。

⑶切邊后要及時取下毛邊，可以使用撬杠等工具,讓毛邊在沖頭上傾斜一定角度，毛邊就能很容易取出。

結論

通過分析該六缸錯拐曲軸錘上模鍛工藝，制定成形工藝方案，完成鍛模設計。并用DEFORM-3D模擬軟件對金屬的變形過程進行模擬，根據模擬情況完善細節。結合實際生產情況，采用該種工藝方案鍛打時，坯料在模具型腔里流動順利，鍛件各個部位成形效果良好，沒有出現充不滿、折紋、折疊等缺陷。本文所述可為類似結構的產品模具設計和實際生產工藝制定提供有效指導。