CW6200曲軸RR法鐓鍛工藝優化

潘明明

CW6200曲軸是我公司主要在產曲軸，截止到2012年10月底，已經累計生產了CW6200曲軸鍛件2000多支。近幾年來，該產品產量一直在200支/年，與用戶年1500支的需求量相距甚遠，CW6200曲軸我公司年產能力超500支。如降低該產品的制造成本，則一定能夠為企業創造巨大的經濟效益，同時企業的鍛造工藝水平得以提升。因此，提出CW6200曲軸RR法鐓鍛工藝優化。本次工藝優化的設計原則是減小曲軸鍛件的加工余量，減小曲軸棒料的使用規格，從而降低原材料采購重量，降低制造成本。

一、工藝優化方案

1.曲軸鍛件曲柄工藝優化方案

CW6200曲軸由1個法蘭加6個相互夾角成120°的曲拐組成，成品曲柄板非常薄，僅為60mm，主軸頸為φ161mm×74mm，連桿頸為φ141mm×87mm（見圖1）。這樣的曲軸結構導致在曲軸鐓鍛成形時參與定位的曲柄極易變形；同時主軸頸和連桿頸較細，曲軸整體剛度差，容易發生彎曲變形；主軸頸開檔和連桿頸開檔小，模具擋板薄，易變形，壽命低。

圖1 CW6200曲軸結構示意

圖2 曲柄圓周優化示意

（1）減小曲拐半徑及曲柄外圓周余量 重新設計曲柄形狀，減小曲柄外圓周加工余量。為進一步壓縮余量，通過減小鍛件曲拐半徑的設計理念，減小曲柄橢圓的長軸，從而減小曲柄圓周投影面積。優化后的曲柄更接近于正圓，曲柄成形為鐓粗成形，根據金屬最小阻力流動原理則更利于其成形飽滿。如圖2所示，外圓周粗實線為曲軸鍛件曲柄外輪廓，雙點畫線為曲柄成品尺寸線，雙點畫線和粗實線之間部分為機械加工余量設計。圖中陰影部分為曲柄外圓周優化前后消除的鍛造余塊。從圖中可以看出，通過減小曲軸鍛件曲拐半徑的設計方案，將鍛件曲拐半徑減小10mm，利用機械加工余量保證連桿頸和主軸頸成品尺寸，使得曲柄外圓周機械加工余量更加均勻，以實現“凈近”鍛造成形。使用三維造型軟件模擬對比優化前后單個曲柄消除鍛造余塊重量為6.67kg，CW6200曲軸共計12個曲柄，則曲柄減重可達6.67×12=80(kg)。

（2）減小鍛件曲柄厚度 曲軸鍛件軸向余量由原來10.5mm減小到8.5mm。CW6200曲軸成品曲柄厚度為60mm，原鍛件設計為81mm，現單邊減去2mm，將鍛件曲柄厚度設計為77mm。

綜合以上兩種優化方案使用三維造型軟件模擬對比優化前后單個曲柄減重達為77.6-67.3=10.3(kg)，則CW6200曲軸曲柄減重為10.3×12=123.6(kg)(見圖3、圖4)。

2.法蘭工藝優化方案

減小法蘭軸向余量單邊2mm，減小法蘭周向余量單邊5mm，輸出端工藝頸減去135mm，如圖4、圖5所示。通過該工藝優化，減重為31kg（見圖6）。

二、減小曲軸棒料使用規格

1.RR法全纖維曲軸鐓鍛工藝設計程序

（1）根據下工序粗加工圖樣繪制曲軸鍛件圖，根據RR鐓鍛工藝特點確定曲軸各部位余量、余塊。

（2）計算曲拐各部位體積，根據體積不變原理（考慮火耗）設計單拐曲軸試驗臺階軸，根據試驗情況最后確定臺階軸。

（3）依據曲軸鍛件結構尺寸和RR裝置結構尺寸計算相關參數。

（4）繪制RR曲軸鐓鍛工步模具使用圖及變形圖，變形圖用于指導工人操作。

圖3 優化前曲柄三維示意

（5）模具設計。從工藝設計程序可看出，曲軸鍛件的工藝尺寸是根據下工序粗加工圖來設計，粗加工工藝尺寸是依據曲軸成品圖在考慮機加工機床夾持、熱處理吊裝和熱處理變形對機加工余量的影響形成的。曲軸鍛件是在考慮余量分布、鍛件長度、曲拐角度偏差、直線度、曲拐半徑偏差及RR法成形的工藝特性來設計的。曲軸鍛造臺階軸的長度是根據體積不變原理（考慮火耗）確定，根據臺階軸長度確定光棒料長度。

2.CW6200曲軸光棒訂料尺寸確定

減少鍛造原材料最根本的途徑是在滿足鍛造工藝的情況下，盡量減小訂購棒料的體積。主要從兩方面著手：棒料直徑、長度。棒料直徑是根據鐓鍛方式和主軸頸直徑尺寸來確定的，一般棒料直徑比主軸頸直徑大20～35mm。CW6200曲軸主軸頸鍛件尺寸設計為φ185mm，選擇其棒料直徑為210，通過單拐曲軸試驗驗證，該棒料直徑滿足曲柄成形，如圖7所示。

圖4 優化后曲柄三維示意

圖5 CW6200曲軸原輸出端法蘭

圖6 優化后CW6200曲軸輸出端法蘭

考慮到原材料進廠后超聲波檢測需機械加工棒料表面滿足檢測要求，訂貨棒料直徑為213mm。根據體積不變原理（考慮燒損）計算得CW6200曲軸光棒訂料尺寸為φ213mm×4830mm，原訂料尺寸為φ228mm×4865mm，原材料采購重量減重1560-1350=210（kg）。

三、工藝優化結果

1.工藝試驗結果

工藝試驗檢查結果如圖8、圖9所示，檢查標準為曲軸成品圖，鍛件余量均勻，僅連桿頸頂部余量偏小，檢查曲拐半徑為116mm，鍛件設計為125mm，在后期投產中可以通過調整彎曲模墊片增大曲拐半徑，保證連桿頸頂部余量。

2.批量投產

批量投產過程中通過調整彎曲模墊片增大曲拐半徑，連桿頸余量均勻。使用專用曲拐加熱爐，減小定位曲柄的熱影響區，減小曲柄變形，曲軸長度得以控制，同時加熱效率提升，大幅降低燃動費。采用雙定位變形工藝，第二定位模與定位面之間考慮定位曲柄熱脹冷縮留有間隙，減小定位曲柄參與定位時的變形。同時第二定位模校正曲軸，減小了曲軸彎曲度。本次工藝革新模具均為優化前CW6200模具改制，大幅降低了該工藝優化的成本（見圖10）。模具改制摒棄原有大型腔通用定位模設計，采用與曲柄外輪廓相似的定位模型腔，增加了模具剛度，延長了模具壽命。

3.優化結果

以每年投產500支CW6200曲軸計算，CW6200曲軸材質為45鋼，目前其原材料采購價為12元/kg，每年僅原材料采購費用可節約500×210×12=126（萬元）。通過使用專用曲拐加熱爐，加熱效率提升，為原加熱時間的2/3，燃動費500支可節約31.2萬元。該工藝優化基本實現了鍛件的“凈近”成形，機械加工費用和刀具費用降低，500支約合可降低成本20萬元。該工藝優化每年可實現成本節約170萬元以上。

四、結語

圖7 CW6200曲軸單拐試驗結果

圖8 工藝試驗開檔及軸頸余量

圖9 曲柄圓周余量

圖10 批量投產減重CW6200曲軸鍛件

該工藝優化降低了CW6200曲軸制造成本，為企業創造了效益。中頻感應加熱代替天然氣加熱可降低能源消耗和提高加熱質量，可進一步優化曲軸鍛件降低制造成本。該工藝優化的成功對曲軸RR法成形工藝的優化積累了數據和經驗。但是專用曲軸鐓鍛裝置勢必成為發展方向，可進一步優化曲軸鍛件實現精密鍛造。

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