整體曲軸鐓鍛液壓機坯料軸向定位裝置

文/梁偉立·天鍛壓力機有限公司

趙精鳳·天津市康庫得機電技術有限公司

整體曲軸鐓鍛液壓機坯料軸向定位裝置

文/梁偉立·天鍛壓力機有限公司

趙精鳳·天津市康庫得機電技術有限公司

目前，國際上曲軸的鐓鍛技術主要有RR法、TR法、NRR法、臥式專機、NTR法。

RR法的特點是：在大型自由鍛水壓機上，加裝了帶有對向側楔式鐓鍛機構的專用鐓鍛裝置，其彎曲與鐓鍛行程參數不能單獨控制，不能實現工藝優化。

TR法的特點是：應用了一種帶有對向肘桿增力機構的新型曲軸彎曲鐓鍛裝置，肘桿增力機構可使終鐓力增大2.5倍。

NRR法的特點是：在RR法裝置上增設了可單均加工有軸向定位環槽的棒坯，將毛坯預制成“糖葫蘆”狀，然后在專用的鐓彎模內將兩側拐頸部分鐓出，并將拐頸錯移，彎曲成拐柄，如圖1所示。其鍛造過程如圖2所示，坯料加熱后放在模具中夾緊（液壓夾緊和機械夾緊），當壓力機下壓時，沖頭向下錯移，左右卡模向中間移動，坯料在垂直和水平兩個方向受力，產生彎曲與鐓粗的復合變形，每次行程成形一個曲拐。

這些鐓鍛方法生產的鍛件表面金屬纖維流線被切斷，因而鍛件的性能低，單邊加工獨控制的彎曲缸，采用了曲軸頂鐓工藝，為了增大鐓鍛力，增設了輔助鐓鍛缸。

臥式專機是美國National Forge公司研制的、在NTR法之前國際上惟一一臺臥式曲軸彎曲鐓鍛專用液壓機，其外形尺寸為34m×26m×24m，體積龐大。

NTR法在TR法與NRR法的基礎上，應用了TR法中對向肘桿的增力原理和NRR法中曲軸頂鐓工藝，并研發了預上彎工藝，使曲軸成形更好，鐓鍛的精度更高。

現有曲軸鐓鍛技術的不足

圖1 RR法、NRR法及TR法糖葫蘆狀階梯棒料示意圖

圖2 糖葫蘆狀階梯棒料鍛造過程示意圖

無論是RR法、NRR法還是TR法，它們的工藝特點都是：在主軸頸和拐軸頸位置處，余量很大；臥式專機雖然可實現無預先加工定位環槽的光棒坯料鍛造，但因設備體積龐大，僅20MN/36.2MN的設備體積就達到了34m×26m×24m，設備投資巨大，沒有普及成功。

NTR法在研制初期進行鍛造時，比RR法、NRR法和TR法先進了一步,在拐軸頸位置處加工定位環槽，而主軸頸處不加工定位環槽,如圖3所示。其鍛造過程如圖4所示，坯料加熱后放在下模箱中，在下模箱中預先安裝好坯料軸向模具定位塊，當壓力機下壓時，通過肘桿機構，壓力機的壓力分解為垂直彎曲力和水平鐓鍛力。隨著肘桿傾角的逐漸減小，水平鐓粗力逐漸加大。到達鐓鍛終點時，水平分力達到最大值，其值可達到壓力機公稱壓力的5倍以上。同時上下模箱合模，沖頭根據工藝要求向上或向下錯移，進行預上彎或預下彎，左右模箱向中間對向移動，坯料在垂直與水平兩個方向受壓，產生彎曲與鐓粗的復合變形。同樣，每次行程也成形一個曲拐。

圖3 NTR法棒料示意圖

圖4 NTR法鍛造過程示意圖

這樣獲得的曲軸鍛件外形與零件大致相同，重量輕，質量好，加工余量小，既節省金屬，又減少了切削加工工時，提高了生產效率。但嚴格來說，NTR法雖然在鐓鍛前主軸頸處不加工定位環槽,但因其在拐軸頸處加工定位環槽，所以并非真正意義上的全纖維彎曲鐓鍛。

鑒于以上情況，需要研制一種坯料軸向定位裝置，使得曲軸棒坯在鐓鍛前，無論是主軸頸處還是拐軸頸處，都不加工定位環槽，實現整體曲軸真正意義上的全纖維彎曲鐓鍛。

軸向定位裝置結構簡介

坯料軸向定位裝置（圖5）由拖箱（即拖箱焊接件）、拖箱液壓缸、軸向導筒、拖箱支撐輪4部分組成，其中的軸向導筒分為尾部導筒、中間導筒和長導筒3種。中間導筒也叫長度調整塊，是用來調整長度的，導筒之間用拉緊銷連接，每個導筒上都安裝有吊裝螺栓；拖箱支撐輪的結構與移動工作臺下方的支撐輪結構相似，其上也安裝有碟簧組和定位螺桿。拖箱的右端與左下模箱左側連接，其下部裝有支撐輪，可隨左下模箱一起移動、浮起與壓下；在拖箱內裝有拖箱缸和導筒，導筒的一端與拖箱缸的缸桿連接，隨著液壓缸缸桿的伸出與縮回來調節光棒坯料的位置，導筒的另一端頂在光棒坯料無角度定位孔一端的端面上，當鐓鍛時，由拖箱缸提供的軸向力抵消了熱坯料變形抗力，實現坯料軸向定位。

工作原理

當上、下模箱合模時，光棒坯料右側由固定在上下模箱上的二號塊限制其軸向位移；光棒坯料左側利用軸向定位裝置中拖箱缸提供的力限制其軸向位移。在軸向定位裝置中，拖箱的右端與左下模箱左端面連接，當上、下模箱對向移動進行鐓鍛時，同時帶動軸向定位裝置也向右移動，在鐓鍛過程中拖箱缸只需利用背壓克服坯料向后的脹模力，缸桿無需移動，如圖6所示。

圖5 NTR法光棒坯軸向定位裝置結構示意圖

圖6 NTR法第一個曲柄鐓鍛準備階段示意圖

圖7 NTR法第一個曲柄鐓鍛完成和補償示意圖

第一拐鐓鍛完成后的結果，如圖7a所示，長度調整塊與拖箱的相對位置沒有發生改變，拖箱缸活塞桿沒有移動，這樣方便與壓機控制，利于成形優化。鐓鍛曲軸后續拐柄時，利用拖箱缸補償其軸向長度，當拖箱缸補償不夠時，增加長度調整塊（即中間導筒）的個數來進行長度補償，如圖7b所示。

這樣獲得的曲軸鍛件外形與零件大致相同，曲拐拐柄為橢圓形截面，因此重量輕，質量好，與自由鍛比較，在經濟方面具有一系列的優點：形狀尺寸接近成品零件，加工余量小；鍛造纖維按曲軸形狀合理分布且連續，和受力情況相適應，大大提高了產品質量；節省了大量金屬，減少了切削加工工時，同時提高了生產效率，適應于大批量生產，實現了真正意義上的全纖維整體曲軸彎曲鐓鍛。

應用情況

采用NTR法全纖維曲軸彎曲鐓鍛專用液壓機加工的高質量曲軸，正在逐步成為行業內的需求熱點。目前，此類NTR法鐓鍛技術已經有了初步的應用。鞍山鋼鐵公司8000t水壓機上，采用NTR法裝置與半閉式模具，進行了小批量生產。但該裝置僅限于利用通用液壓機進行改造，而非鐓鍛專用液壓機，因此效率低，加工范圍小，不適合大批量和多規格曲軸的壓制。

天津康庫德機電技術有限公司開發了首臺專用于大型多拐曲軸彎曲鐓鍛的NTR法專用液壓機，目前生產的曲軸產品已經在勝利油田動力機械有限公司、中國南車集團戚墅堰機車車輛廠、洛陽河柴發動機有限責任公司等中得到了廣泛應用。

NTR法全纖維曲軸彎曲鐓鍛專用液壓機采用的是創新工藝，提高了成材率，每支曲軸可節約材料消耗300kg（以12V190曲軸為計算單位），如果按年生產8000支曲軸計算，每年可節約高合金鋼2400t，折合人民幣為1920萬元，降低加熱電耗約168萬度，降低加工能耗50%以上，節約其他費用2256萬元。

結束語

進入21世紀以來，我國的造船業、高速機車制造業等發展迅速，已成為我國機械制造產業的支柱產業，支撐這些支柱產業的是現代大功率柴油機制造業，高品質大型曲軸的生產是制約大功率柴油機更新換代的關鍵。為盡快發展我國大型高速柴油機，必須確保曲軸的質量，要求新的工藝和裝備，鍛造制坯這一環節顯得尤為重要，應當在總結經驗的基礎上，不斷優化工藝程序，采取最佳的液壓機結構和鐓彎速比，提高鍛件精度。我公司開發出NTR法全纖維曲軸彎曲鐓鍛專用液壓機，能夠壓制出高品質大型曲軸鍛件，推動我國大功率柴油機組制造技術趕超世界先進水平。

梁偉立，工程師，技術部項目經理，主要從事液壓機的本體優化設計、機械結構設計與優化、機床模擬加工仿真等方面的工作。