三缸曲軸鍛造工藝

文／楊金成·上海納鐵福傳動系統(tǒng)有限公司武漢二廠

三缸曲軸鍛造工藝

文／楊金成·上海納鐵福傳動系統(tǒng)有限公司武漢二廠

三缸發(fā)動機(jī)部件少，結(jié)構(gòu)緊湊、自重輕，相對油耗也要低一些，隨著我國轎車和微車產(chǎn)量的上升，以及汽車自重輕量化要求，三缸曲軸的市場會越來越大，因此我們有必要對三缸曲軸生產(chǎn)鍛造工藝進(jìn)行探索和研究，以提高我們的技術(shù)水平，提高產(chǎn)品競爭能力。表1為目前調(diào)試過的幾種三缸曲軸數(shù)據(jù)。

表1 幾種三缸曲軸測量數(shù)據(jù)

三缸曲軸的特點(diǎn)和鍛件設(shè)計(jì)

三缸曲軸的特點(diǎn)

曲軸鍛件一般由主軸頸、連桿頸、平衡塊（曲拐）、法蘭和輸出軸組成。三缸曲軸鍛件的特點(diǎn)是：

①三個(gè)連桿頸呈120°分布，不在一個(gè)平面上，如直接鍛造成形，需要采用曲面分模。

②受三缸曲軸自身形狀影響，為滿足鍛造出模需要，需要對三缸曲軸產(chǎn)品平衡塊形狀進(jìn)行一定更改，或者增加比較大的工藝余塊。

③受鍛件自身形狀影響，鍛件分模后，平衡塊形狀在分模面一側(cè)形狀較深，如JH371曲軸中間兩個(gè)平衡塊深96mm，高寬比達(dá)5.5，鍛造時(shí)充滿比較困難；E10曲軸平衡塊在分模后，型腔較深一面高80mm，高寬比為4.2。同時(shí)在鍛打時(shí)，模具平衡塊中間型腔也容易倒。為保證平衡塊能夠充滿，需要較大規(guī)格坯料，整體鍛造成形時(shí)材料利用率較低。

④三缸曲軸需要采用壓彎或者成形擠壓工步，以利于鍛打時(shí)擺放坯料和平衡塊充滿。

⑤根據(jù)三缸曲軸以上特點(diǎn)，采用平面分模鍛造成形后，通過扭轉(zhuǎn)工藝將三個(gè)連桿頸角度扭轉(zhuǎn)到所需要角度，能夠提高材料利用率和模具壽命，提高產(chǎn)品競爭能力。

三缸曲軸鍛造成形鍛件圖設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)方法基本同四缸曲軸，鍛件圖涉及如下幾個(gè)方面：分模面、工藝余塊、軸向徑向定位基準(zhǔn)余量、模鍛斜度、圓角半徑、尺寸及公差、技術(shù)條件（材料、熱處理、直線度、預(yù)平衡要求、表面缺陷、切邊毛刺）。鍛件加工余量為：主軸頸2mm ，連桿頸2.5mm，平衡塊側(cè)1.5mm，小頭等易變形部位，需局部加大加工余量。

由于三個(gè)連桿頸呈120°分布，需要采用曲面分模，平衡塊連桿頸內(nèi)側(cè)分模面選在連桿中心與曲柄最大截面連線位置；為利于中間兩個(gè)平衡塊能夠充滿，將中間連桿頸增加余塊，使分模面下降。分模后為保證鍛件能夠出模，需要看鍛件是否有不能出模地方，中間平衡塊不能出模，還需要增加工藝余塊。圖1所示為E10曲軸平衡塊拔模更改示意圖。

圖1 平衡塊拔模更改示意圖

三缸曲軸工藝過程及模具設(shè)計(jì)

對于三缸曲軸的鍛造成形方案，即加熱→成形擠壓→預(yù)鍛→終鍛→切邊→熱校正。E10曲軸采用成形擠壓制坯，較371曲軸壓彎工藝具有很明顯的優(yōu)勢，但如果制坯工位沒有頂料，應(yīng)用有一定的難度。

成形擠壓

成形擠壓工藝的目的是成形鍛件的大致形狀，要求非常模糊，不要形成大而明顯的飛邊。對于本田PPA曲軸的擠壓件，飛邊很小，在水平方向，以平衡塊的最遠(yuǎn)處為一個(gè)近似的長方形（L軸部位除外）。

預(yù)終鍛設(shè)計(jì)

受三缸曲軸自身形狀影響，三缸曲軸平衡塊形狀較深，在鍛打時(shí)，模具平衡塊中間型腔也容易倒，在調(diào)試生產(chǎn)371曲軸時(shí)，生產(chǎn)60多件，模具平衡塊中間型腔中間變形最大處達(dá)4mm；在調(diào)試生產(chǎn)E10曲軸時(shí)，將模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為鑲塊式結(jié)構(gòu)，將第一、三連桿處平衡塊中間型腔容易倒部位設(shè)計(jì)為鑲塊，采用壓板和螺釘固定。在此處模具型腔倒時(shí)，再更換一個(gè)鑲塊生產(chǎn)。圖2所示為鑲塊模具示意圖。

⑴鎖扣設(shè)計(jì)。

由于轎車曲軸的錯(cuò)差一般為小于等于1.0mm，為保證批量生產(chǎn)的穩(wěn)定性，采用四角鎖扣進(jìn)行導(dǎo)向，同時(shí)平衡鍛模錯(cuò)移力。因?yàn)榍S鍛造過程中瞬時(shí)變形載荷中心與鍛模模塊中心不能完全重合，模具易產(chǎn)生錯(cuò)移，又考慮到設(shè)備、夾持器經(jīng)長期使用導(dǎo)向精度差，若要保證鍛件的精度，需采用能夠抗偏載的直鎖扣結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在鎖扣結(jié)構(gòu)、尺寸已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，鎖扣長寬高設(shè)計(jì)為65mm×65mm×35mm。

圖2 鑲塊模具示意圖

⑵排氣孔設(shè)計(jì)。

在型腔中金屬最后充滿處開設(shè)排氣孔。由于模膛平衡塊較深，金屬在滑塊的一次行程中成形時(shí)，聚積在深腔內(nèi)的空氣受到壓縮無法排出而產(chǎn)生很大壓力，阻止金屬充滿型腔的深處。排氣孔一般設(shè)計(jì)為直徑φ2mm，考慮到二次翻新問題，有效深度為20mm，后端由φ6mm的通孔與模塊底部的橫向φ6mm排氣槽相連。

⑶預(yù)鍛模成形設(shè)計(jì)。

①軸向尺寸設(shè)計(jì)。常規(guī)的橫向尺寸減小，高度尺寸加大，以便終鍛以鐓粗方式成形的設(shè)計(jì)方法同樣適用。為保證終鍛時(shí)平衡塊有足夠的料，也為了預(yù)鍛時(shí)更有利于該部分金屬的填充，橫向尺寸內(nèi)縮的量控制在0.2～0.4mm范圍內(nèi)。

②劈料臺設(shè)計(jì)。舌頭部位橫向剖面的斜度設(shè)計(jì)是預(yù)鍛件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，角度設(shè)計(jì)太大，成形阻力減小不利于金屬充填預(yù)鍛型腔；斜度設(shè)計(jì)太小，成形阻力增大同樣不利于金屬充填預(yù)鍛型腔。

③預(yù)鍛件圓角的設(shè)計(jì)。預(yù)鍛件圓角要比終鍛件大，目的是減小金屬流動阻力，同時(shí)防止產(chǎn)生折疊。在打擊方向，預(yù)鍛件未注凹圓角(預(yù)鍛型腔凸圓角)一般在終鍛件圓角上加3mm，水平面上拐角處圓角半徑也適當(dāng)增大。

④預(yù)鍛件的拔模斜度與終鍛件一致。

⑤預(yù)鍛偏心量e的設(shè)計(jì)同樣十分重要，一般以預(yù)鍛的成形力應(yīng)控制在終鍛成形力的80%左右為宜，使得終鍛模與預(yù)鍛模同步磨損。

⑷終鍛件圖的設(shè)計(jì)。

終鍛件圖的設(shè)計(jì)是三缸曲軸開發(fā)過程中非常重要的步驟，在各工步熱鍛件圖中，終鍛成形工步的熱鍛件圖設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵，直接決定了鍛件的最終質(zhì)量。這里重點(diǎn)介紹幾個(gè)重要參數(shù)。

①熱收縮率取值。轎車曲軸加工余量，軸向尺寸公差小，熱收縮率取值至關(guān)重要，甚至影響加工平衡性能。在我公司現(xiàn)有生產(chǎn)線布局的情況下，E10曲軸熱收縮率取1.85%，調(diào)試結(jié)果軸向尺寸比較合適。但奇瑞曲軸熱收縮率取1.85%調(diào)試后樣件軸尺寸短，熱收縮率取1.85%偏小，經(jīng)計(jì)算熱收縮率取2.1%左右。結(jié)合不同生產(chǎn)線的設(shè)備間布局引起溫度降低及加熱設(shè)備加熱溫度的透熱性、均勻性等情況，可以適當(dāng)調(diào)整。

②軸頸尺寸。由于三缸曲軸需要鍛造力較小，鍛件飛邊厚度小，平衡塊充滿又較為困難，根據(jù)調(diào)試生產(chǎn)情況，在終鍛設(shè)計(jì)時(shí)，需要將軸頸尺寸設(shè)計(jì)在正公差，使鍛打后平衡塊充滿時(shí)，軸頸尺寸也合格。

切邊和熱校正

切邊和熱校正都在壓床上完成，采用聯(lián)合模的結(jié)構(gòu)形式。切邊部分切邊凹模與鍛件輪廓之間留有0.5mm間隙，避免鍛件“切肉”問題出現(xiàn)；模具制造上偏差取決于模具的制造水平，取0.2mm左右。對于復(fù)雜形狀的鍛件，一定要采用數(shù)控線切割方式加工，因目前的用樣板控制的加工方式存在切邊輪廓樣板的計(jì)算與終鍛實(shí)際輪廓局部相差較大的問題；校正壓字采用抽屜式壓字結(jié)構(gòu)，方便字頭的更換。

鍛造過程的常見質(zhì)量問題分析

在三缸曲軸的調(diào)試過程中，遇到的問題有平衡塊充不滿、折紋、軸頸厚度尺寸小、軸向尺寸小等問題。

⑴平衡塊充不滿。

三缸曲軸平衡塊的相對深度（平衡塊深度/寬度）較大，如371曲軸中間兩個(gè)平衡塊高寬比達(dá)5.5，E10曲軸平衡塊在分模后，高寬比4.2，平衡塊面積大，且平衡塊不允許堆焊，質(zhì)量要求較高。導(dǎo)致平衡塊充不滿的原因很多，如鍛造溫度、坯料大小、模具設(shè)計(jì)是否合理、模具磨損情況、鍛件的鍛打厚度、模具溫度、模具錯(cuò)差和操作擺放等。E10曲軸中間平衡塊增加余塊后，采用φ98mm的坯料，才使鍛件充滿。

⑵軸向尺寸小。

E10曲軸樣件兩端面油環(huán)出現(xiàn)的軸向尺寸小問題，鍛件圖設(shè)計(jì)可以，鍛件軸向尺寸小1mm。對于平衡塊的軸向尺寸，除上述原因外，還存在一定的切邊變形。

⑶軸頸尺寸小。

E10曲軸在調(diào)試時(shí)軸頸尺寸小，現(xiàn)場加大模具型腔后生產(chǎn)，在終鍛設(shè)計(jì)時(shí)，需要將軸頸尺寸設(shè)計(jì)在正公差，避免此類問題。

結(jié)束語

⑴對于三缸曲軸的鍛造方法，本文作了較簡要的說明，但對具體的工藝參數(shù)，如各斜面的角度的最佳值，擠壓和預(yù)鍛的成形參數(shù)的最佳值等，還有待進(jìn)一步研究。對于鑲塊模具結(jié)構(gòu)可行性還需要批量生產(chǎn)時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證。

⑵三缸曲軸成形擠壓制坯，已進(jìn)行了一些嘗試，效果較好。但還存在一定問題：一是現(xiàn)有模架制坯工位大多沒有頂料，影響了鍛件的出模。

⑶三缸曲軸鍛造成形，并且已經(jīng)批量生產(chǎn)，市場競爭激烈。根據(jù)三缸曲軸特點(diǎn)，采用平面分模鍛造成形后，采用扭轉(zhuǎn)工藝生產(chǎn)，能夠提高材料利用率和模具壽命，提高產(chǎn)品競爭能力。

勘誤說明：

《鍛造與沖壓》雜志2016年第21期第67頁，文章標(biāo)題為《傳動軸圓盤突緣叉鍛造缺陷分析》，由于排校失誤，第一作者“郭艷”應(yīng)為“郭艷珺”。特此說明。