三缸曲軸扭轉成形工藝及設備開發

文/陳學慧，陳鎮·東風鍛造有限公司

近年來，隨著更加嚴格的汽車尾氣排放標準的出臺，國內外一些著名的汽車制造商，都在竭盡所能地降低尾氣排放，除了引入混合動力技術，三缸渦輪增壓發動機的復興也初現端倪。

三缸渦輪增壓發動機的主要排量區間在1.0～1.5升之間，由于采用了先進的燃油缸內直噴和成熟的渦輪增壓技術，這類三缸小排量發動機的動力輸出表現甚至可以超越傳統的1.6～2.4升四缸發動機。比起四缸、六缸發動機，三缸發動機最明顯的優勢在于減小了發動機體積和排氣量，這樣既能夠降低燃油消費，減少尾氣排放，又能獲得高輸出功率。

三缸發動機曲軸的三個曲柄均勻分布在相隔120°的圓周上，根據對三缸曲軸鍛件的結構特點，最合適的鍛造成形工藝是扭轉工藝。但對于三缸曲軸扭轉成形所需的設備, 國內相關設備制造廠家沒有相關的設計制造經驗，設備的相關力能參數也無法確定。公司決定自主設計開發專用三缸曲軸扭轉成形工藝及設備，設備外委專業廠家制造，扭轉工裝自制。

現狀及問題

東風鍛造有限公司自2003年起就開始嘗試開發468、381, 371等乘用車發動機三缸曲軸鍛件，但大都以成形困難，模具壽命低等原因開發失敗。國內其他鍛造廠家生產乘用車三缸曲軸時也遇到同樣的問題，使用的鍛造工藝方案如下：下料→加熱→制坯→預鍛→終鍛→切邊→熱校正→熱處理→清理→探傷。其鍛造分模方式：通常稱為曲面分模整體成形方式(圖1)，它也是目前生產商用車六缸曲軸最主要的分模方式（圖2）。

圖1 三缸曲軸鍛造分模方式

圖2 六缸曲軸鍛造分模方式

由于乘用車三缸曲軸形體更小，采用曲面分模整體成形的工藝方案具有以下特點：

模具壽命更低

如圖3所示，商用車六缸曲軸的連桿頸寬度通常在30mm以上，曲拐寬度90mm左右，而乘用車三缸曲軸分別在18mm和68mm左右，采用曲面分模整體成形工藝方案，則模具上相應的結構更加單薄，特別是第一、第三曲拐平衡塊開檔處（圖4，俗稱 “舌頭”），形成簡支梁結構，鍛件成形過程中該處容易倒塌而失效。

圖3 六缸曲軸與三缸曲軸曲拐尺寸比較

圖4 平衡塊開檔處模具結構

切邊困難，易變形

由于乘用車三缸曲軸尺寸更小，在曲拐處分模線斜度更大如圖5所示，切邊過程中增加了豎直方向切邊帶的厚度，切邊阻力增加，致使曲軸更容易變形。

機加工余量大

圖6是F3J12三缸曲軸按曲面分模整體成形工藝的分模線方式生產，其為中間曲拐上設計的工藝余塊的示意圖。該方式導致鍛件增重0.2～0.5kg，機加工效率低。

圖5 曲軸曲拐處分模線斜度對比圖

圖6 工藝余塊

材料利用率低

采用曲面分模整體成形工藝生產的乘用車三缸曲軸鍛件，其鍛造生產的材料利用率只有68%左右，比通常生產的曲軸材料利用率低10%左右。

動平衡性能差

乘用車三缸曲軸加工動平衡性能較差是一個共性的問題，特別是曲面分模整體成形方式生產的乘用車三缸曲軸鍛件，在第一、第三曲拐分模處，由于上下模型腔的深度不一樣如圖7所示，上下模型腔上增加的拔模工藝余塊也不規則，它對動平衡加工性能有較大的影響。商用車六缸曲軸則由于兩端對稱，動平衡加工性能比乘用車三缸曲軸好。

圖7 第一、第三曲拐曲線分模造成的不規則形狀

開發內容

乘用車三缸曲軸鍛件的開發采用扭轉成形的方案：預終鍛工步采用平面分模方式，切邊后進行扭轉，模具的扭轉角為60°（預終鍛時三個曲柄在一個平面上成形，扭轉后三個曲柄即形成120°的夾角），如圖8所示。扭轉成形設備也自主開發，要求結構簡單，移動方便，可以根據生產需要與不同的鍛造主機配套連線生產。

圖8 扭轉成形工藝示意圖

鍛造成形工步設計

⑴終鍛工步熱鍛件圖設計。

終鍛工步鍛件圖以客戶會簽的冷鍛件圖為基礎，將第一、第三曲拐分別繞主軸沿較小角度方向旋轉到與第二曲拐相同的平面如圖9所示。以我公司生產的F3J12三缸曲軸為例：在扭轉前，先進行平面分模方式鍛造，即將第二曲拐固定。第一、第三曲拐分別繞主軸旋轉60°角，使三個曲拐排布在一個平面上。

圖9 終鍛工步用鍛件示意圖

制訂終鍛工步用鍛件圖，除了考慮曲拐之間的角度外，還需考慮熱收縮率的大小。熱收縮率選取的準確與否直接影響著鍛造完成后曲軸鍛件的軸向尺寸精度。通過同一種材料生產的曲軸在不同溫度下鍛打、冷卻后對軸向尺寸的測定，得出1050℃至1230℃的范圍內鍛件的熱收縮率取值見表1。

根據乘用車三缸曲軸的鍛打溫度，取終鍛件的熱膨脹系數為1.02，由此可得到終鍛工步熱鍛件圖。

⑵坯料規格估算及成形模擬分析。

根據冷鍛件的重量、長度及目前曲軸類鍛件生產的平均材料利用率，可以對三缸曲軸鍛造生產所需坯料規格進行估算，然后進行成形模擬分析，并對模具結構進行優化。圖10是通過Deform-3D軟件數值模擬，分析鍛件成形過程中金屬流動及型腔的填充情況，進而對鍛造成形工藝不斷的優化，以提高材料利用率及模具壽命的過程。

扭轉工藝設計

三缸曲軸鍛件經平面分模，終鍛成形、切邊后，放置扭轉模型腔內進行扭轉成形。其扭轉成形動作順序如下：

⑴設備初始狀態，即壓力機滑塊處于上極限位，上下頂出裝置回位，回轉裝置將上扭轉模具處于水平分模狀態、扭轉裝置將下扭轉模具處于水平分模狀態。

⑵曲軸鍛件放入模具型腔，滑塊下行，扭轉模合模壓緊鍛件。

表1 曲軸熱收縮率取值

圖10 減小坯料長度，設計合理的預鍛工步

⑶設備兩側的扭轉裝置平動提升，分別帶動曲軸第一、第三曲拐扭轉下模的扭轉臂，使扭轉模轉動，扭轉上模及上模回轉裝置隨動，從而實現對曲軸第一、第三曲拐的扭轉成形，在此過程中，第二曲拐則始終處于被壓緊狀態。

⑷滑塊快速上行回程，同時扭轉上模塊在回轉裝備的帶動下，同時回位。

⑸下頂桿頂出，將扭轉完成后的鍛件頂出下模型腔。

⑹設備扭轉裝置平動下落回位，帶動扭轉下模回位。

⑺取出鍛件，下頂出裝置下落回位，設備回歸初始狀態，扭轉動作循環結束。

液壓系統設計

在設計液壓系統原理圖時，由于在曲軸扭轉成形過程中，上扭轉模具處于隨動狀態，上扭轉?；爻谈谆钊麠U受上模拉力伸出，液壓油被負壓吸入油缸，扭轉完成后，電磁閥通電，活塞桿收回，帶動上扭轉模回位。因此，這里要求使用的是P 型隨動電磁閥。

扭轉設備相關參數的設計

⑴設備噸位及主滑塊行程等參數的確定。

設備所提供力的大小，要確保上下模合模及扭轉過程中將鍛件壓緊，扭轉中心位置不變。

主滑塊行程主要根據鍛件扭轉完成后，使鍛件完全脫開上模型腔所需的最小高度來決定，主滑塊的有效行程必須大于這一最小高度。

⑵曲軸扭轉成形所需扭矩及力的計算。

根據相應計算公式和應用Deform-3D數值模擬技術（圖11），對扭轉成形的力矩大小進行模擬驗證。選取設計扭轉設備的扭轉力大小為16t，由兩個相同型號的提升油缸（16MPa時最大壓力為8t）共同提供。提升油缸的行程不得小于模具扭轉60°時，扭轉臂所需的最小提升高度。根據計算，設計的提升缸最小行程不小于410mm。

圖11 扭轉成形數值模擬

⑶扭轉機構設計。

鍛件放入扭轉模后，上滑塊下行使上下模合模。這時提升缸工作，使提升梁沿立柱向上運動，提升梁通過下扭轉模座上的扭轉臂，帶動上下扭轉模轉動。上下扭轉模座分別受兩個支撐圓柱銷和一個定位圓柱銷的限制，只能繞中心旋轉，從而實現曲拐分別繞主軸頸扭轉成形。

扭轉過程中，與上扭轉模連接的上回轉缸處于隨動狀態，活塞桿伸出。曲軸扭轉完成后，上模隨滑塊返程，同時上頂料缸動作，將鍛件從上模型腔中頂出脫模，上回轉缸工作，將上扭轉模塊拉回到初始位置。下扭轉模則在提升缸的作用下回位。上回轉缸的回程力不小于200kg，行程不小于220mm。

⑷頂料機構設計。

為了保證鍛件被平穩的頂出上下模型腔，上下模中至少需要設計兩個頂料板，且這兩個頂料板必須同時動作。為了實現兩個頂料板同時動作，在扭轉機的上下工作臺中各設計一個頂出油缸。頂出油缸的活塞桿連著一個大的法蘭盤。下模中的兩個頂料板穿過模具后，直接跟下頂出缸的法蘭盤連接。下頂出油缸活塞桿頂出時，通過法蘭盤將兩個下頂料板頂起，從而將鍛件頂出型腔。下頂出油缸活塞桿回位時，下頂料板在重力的作用下回位。

扭轉模具的設計

乘用車三缸曲軸鍛造時采用平面分模結構，一、二、三曲拐處于同一個平面，扭轉成形時保持第二曲拐不動，第一、第三曲拐分別沿相反的方向各旋轉60°，即可保證扭轉后三個曲拐互成120°的夾角。

因此，對于中間曲拐對應的模塊，則只考慮鍛件能順利放入模具型腔即可。而第一、第三扭轉模塊設計時，不僅要考慮扭轉前平面分模成形的鍛件順利放入型腔，還要考慮扭轉后的鍛件能夠順利地從模具型腔中取出。

圖12是扭轉模沿順時針旋轉60°前后的模具狀態示意圖，由于扭轉后上模沿堅直方向回位，上模型腔必須設計好出模角度。

取得的效果和效益

乘用車三缸曲軸扭轉成形工藝及設備是我公司自主研發，國內首創，具有100%知識產權。它與國內其他公司所采用的曲面分模整體成形生產的乘用車三缸曲軸鍛件對比圖如圖13所示，其先進性指標體現在以下幾個方面：

圖12 扭轉前后模具狀態

圖13 曲面分模鍛造與扭轉成形鍛造鍛件對比圖

⑴鍛件品質提升。我公司采用扭轉成形技術生產的三缸曲軸在加工余量、尺寸公差、拔模斜度、材料利用率和模具壽命等方面優勢明顯，技術水平處于領先地位。

⑵鍛件加工效率高。整體曲面分模鍛造的三缸曲軸，加工余量最大達8mm，跟相同品種的扭轉三缸曲軸鍛件相比，鍛件平均增重0.2～0.5kg。而扭轉曲軸由于鍛件加工余量的減小及對初始動平衡的設計，曲軸機加工效率平均提升12%以上。

⑶原材料消耗低。采用平面分模鍛造成形技術，使模具型腔更容易填充，材料利用率也大幅提升。

結束語

目前國內所有的曲轉扭轉機，都是以德國20世紀70年代生產的扭轉機為藍本進行復制或改制的，外形很大，不能滿足市場對小型化產品的需求，且制造周期長，造價較高。我公司自主開發制造的扭轉機具有結構緊湊，造價低，制造周期短，操作簡單等突出的優點，填補了國內三缸曲軸扭轉設備的空白。

該項目已成功開發四種乘用車三缸曲軸鍛件，每年增加生產乘用車三缸曲軸近5000件，創效70萬元，隨著產量的提升，經濟效益將進一步顯現。