全纖維曲軸RR 法減小鍛件單拐名義尺寸設計

文／匡利華，杜紹貴·中車資陽機車有限公司曲軸分公司

由于RR 法曲軸鐓鍛過程受溫度、模具、潤滑、變形速度、料重料損等諸多因素影響，在鐓鍛時不能保證100%壓靠，經常出現曲軸鍛件單拐實際尺寸大于名義尺寸的情況，引起曲軸鍛件總長超標。近三年來，因鍛件總長超標導致鍛后工序交驗合格率很低，約50%。

某型柴油機曲軸鍛件屬于典型的小型曲軸鍛件，其曲柄臂鍛造成形質量對坯料規格、坯料重量、加熱料損都非常敏感，按常規的鍛造工藝設計方法難以保證鍛件質量，因此本文提出了采用與常規不同的RR法鍛造工藝設計方法。

原理分析

某型柴油機曲軸鍛件主要技術參數

某型柴油機曲軸材質為42CrMoA，鍛件主要技術參數如表1 所示，其力學性能要求：抗拉強度Rm≥1080MPa、屈服強度Rp0.2≥930MPa、延伸率A ≥14%、斷面收縮率Z ≥50%、沖擊功AkU2≥63J。交貨狀態要保證軸向單邊余量不小于4mm，徑向單邊余量不小于5mm。

表1 某型柴油機曲軸鍛件技術參數

鍛造工藝難點分析

⑴曲柄臂鍛造成形。

由于曲柄臂體積小，原材料用料少，單個曲柄重量為36.2kg，曲柄用料規格為φ210mm×153mm，鐓鍛過程純鐓粗行程非常短，根據公式⑴、⑵和⑶可以計算出曲軸純鐓粗量為32mm。由于純鐓粗量小，水平純鐓粗和壓力機向下的行程幾乎同時進行，鍛造成形過程曲柄的成形難度大。

式中：l料—曲柄用料長度；l曲—曲柄厚度；H彎—曲拐半徑R；b全—全鐓粗量；b回—鐓粗量；b純—純鐓粗量。

⑵曲軸鍛件軸向尺寸控制。

RR 法曲軸鐓鍛，單個曲拐（即1 個曲柄臂+1 個連桿頸+1 個曲柄臂）是在由定位擋板、夾緊擋板、彎曲上下模、彎曲上下模鑲塊所組成的封閉型腔內成形的，圖1 為單曲拐示意圖。鍛造工藝設計時其鍛造彎曲上下模具的厚度等于單曲拐長度名義尺寸（即工藝設計尺寸），由于RR 法曲軸鐓鍛過程受溫度、模具、潤滑、變形速度、料重料損等諸多因素影響，定位擋板、夾緊擋板不能完全與彎曲上下模壓靠，曲軸鍛件單曲拐實際尺寸總是大于單曲拐名義尺寸，而一支曲軸鍛件又由多個曲拐按一定的角度分布構成，多個單曲拐尺寸累加導致曲軸鍛件總長超標。因此要控制曲軸鍛件總長，首要措施是控制單拐實際尺寸不超標。

圖1 曲拐示意圖

工藝方案

RR 裝置曲軸鐓鍛工藝原理分析

RR 裝置上曲軸鐓鍛工藝可以稱為“兩步法”，即預鍛鐓粗→彎鍛，如圖2 所示，a →b 階段為預鍛鐓粗階段，這一階段中彎模與上模架沒有接觸，錯拐沒有進行。坯料在夾緊模、定位模和中彎模之間鐓粗。

圖2 “兩步法”示意圖

在彎鍛階段，即圖中b →c 階段，坯料同時被鐓粗和錯拐，從而實現曲柄臂和曲拐半徑的彎曲鐓鍛成形。

在曲軸鐓鍛過程中，壓力機壓力轉換為水平鐓粗力是通過壓緊斜面來實現的，在側壓斜面角度β 為30°～45°時，其轉換效率在33%～60%之間，不同的角度其轉換效率是固定值。

在圖2 中，β 為側壓斜面角度，這個角度可以通過銅滑板來調節。在曲軸鐓鍛成形過程中，鐓粗速度Vu與錯拐速度（即壓力機下壓速度）Vo是線性關系，即Vu＝Vo×tanβ，因此，水平鐓粗和垂直錯拐之間的位移也是線性關系。這樣的線性關系使得在選定坯料直徑和長度的情況下，鐓鍛工藝是不能根據變形過程中的需要進行調整的。也就是說，在進行RR 裝置上曲軸鐓鍛工藝設計時，必須適應RR 裝置。RR 裝置上曲軸鐓鍛變形過程如圖3 所示。

圖3 RR 裝置上曲軸變形過程示意圖

減小鍛件單拐名義尺寸設計

根據上面的分析可知，曲柄臂成形難度大、鐓鍛時不能保證100%壓靠，為了解決這些難題，本文通過RR 法鐓鍛原理的研究和分析，首次提出了減小鍛件單拐名義尺寸的設計，即在設計鍛造模具時，彎曲上下模具厚度尺寸設計與常規不同。

圖4 為彎曲上下模具的組裝示意圖，某型柴油機曲軸可根據公式⑷計算出鍛件單拐名義尺寸。彎曲上下模具厚度尺寸的設計是根據鍛件單拐名義尺寸得到的，因此在設計彎曲模具時，其厚度尺寸減小3mm。鍛件曲柄厚度設計為64mm，由于減小了鍛件單拐名義尺寸，因此在計算用料規格時曲柄體積和重量按62.5mm 計算，計算得到每個曲柄用料為36.2kg，用料規格為φ210mm×153mm。

圖4 彎曲上下模具組裝示意圖

式中：l拐—單曲拐長度；l連—連桿頸長度；l曲—曲柄厚度。

實際驗證

按上述方案制造模具并準備單拐坯料進行2 拐鍛造成形試驗，圖5 為2 拐鍛件實物照片。檢測單拐鍛件幾何尺寸和外觀成形缺陷，對工藝和模具做進一步的優化改進后開展首件試制，圖6 為首件鍛件實物照片。最后通過小批量生產、批量生產驗證新設計方法的可行性。截至目前，已累計生產該型柴油機曲軸鍛件154 支，其鍛后工序交檢合格率達到100%。

圖5 2 拐鍛件實物

圖6 首件鍛件實物

目前，減小曲軸鍛件單拐名義尺寸設計法已推廣應用于部分其他RR 曲軸鍛件，且已批量穩定生產，下一步打算將其推廣應用于所有RR 法曲軸鍛件。

結束語

本文通過對某型柴油機曲軸系列鍛件RR 鍛造工藝的深入研究，形成了全纖維曲軸RR 法減小鍛件單拐名義尺寸設計，成功解決了RR 法曲軸鍛件鐓鍛時不能100%壓靠、曲軸鍛件單拐實際尺寸大于名義尺寸、曲軸鍛件總長超標、鍛件鍛后工序交檢合格率低的難題。該設計方法的推廣運用，使鍛后工序交驗合格率得到極大改善，每年可節約鍛造成本22.2萬元。