六缸曲軸鍛造模具的改進(jìn)與優(yōu)化

文／潘海江，武絡(luò)，周擁軍，趙鵬·富成鍛造有限責(zé)任公司

隨著“節(jié)能降耗”、“精益化管理”等全價(jià)值鏈體系化精益管理不斷實(shí)施，作為發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件之一的曲軸產(chǎn)品成為了主要的產(chǎn)品優(yōu)化與改進(jìn)的目標(biāo)。我公司通過(guò)對(duì)D2876曲軸產(chǎn)品模具進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品的質(zhì)量與材料利用率的同步提升。

D2876曲軸（圖1）是我公司2012年開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)民品曲軸，從試生產(chǎn)到批生產(chǎn)至今已歷經(jīng)5年多時(shí)間，鍛件質(zhì)量仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，存在不同程度的頑固性問(wèn)題，導(dǎo)致大量產(chǎn)品報(bào)廢。在此期間針對(duì)固有的問(wèn)題及缺陷也進(jìn)行了相當(dāng)一部分的工藝工裝改進(jìn)，但效果不夠理想。2017年在公司民品市場(chǎng)仍處于蕭條狀態(tài)的情況下，為保市場(chǎng)提高鍛件品質(zhì)，公司對(duì)該產(chǎn)品重新立項(xiàng)研究，針對(duì)該曲軸存在的問(wèn)題，展開(kāi)了相關(guān)的研究?jī)?nèi)容。

圖1 曲軸鍛件三維模型

改進(jìn)前狀態(tài)及產(chǎn)生因素

鍛件厚度尺寸超差嚴(yán)重

D2876曲軸鍛件各軸頸與切邊痕垂直方向的尺寸超差嚴(yán)重；鍛件要求的主軸頸尺寸為，而實(shí)際生產(chǎn)出的鍛件通過(guò)測(cè)量統(tǒng)計(jì)主軸頸尺寸一般在φ119mm左右，超上差最大為3mm。

通過(guò)不斷跟蹤生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，測(cè)量切邊后的毛邊厚度尺寸，確定造成鍛件各軸頸與切邊痕垂直方向的尺寸超差的主要原因?yàn)椋孩拍＞叱尚螌?dǎo)軌間隙為2mm，間隙過(guò)小易導(dǎo)致鍛件打不靠（圖2）；⑵部分曲柄處的原材料過(guò)大；⑶大小頭處的毛邊過(guò)大。以上三點(diǎn)造成鍛件無(wú)法打靠，從而導(dǎo)致鍛件切邊痕垂直方向的尺寸超差嚴(yán)重。

圖2 成形導(dǎo)軌間隙

曲軸柄塊不易充滿

如圖1所示，該曲軸為六缸八平衡塊結(jié)構(gòu)，而平衡塊形狀如圖3所示，平衡塊寬度為24mm，總高度已達(dá)到164mm。因此，其平衡塊在單扇模具的模膛高寬比約為3.5。

圖3 柄塊寬度與高度

模膛高寬比已達(dá)到3.5，將很大程度上影響平衡塊最后能否充滿模膛；而對(duì)于六缸八配重塊曲軸來(lái)說(shuō)，最中間的6、7平衡塊最難充填，在整個(gè)曲軸鍛打的過(guò)程中6、7平衡塊最后充滿模膛。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為使曲軸6、7平衡塊能夠充滿，每件曲軸所鍛打的錘數(shù)在45錘左右，嚴(yán)重影響模具的使用壽命。

材料利用率低

該曲軸的工藝路線為下料→鍛造→熱處理→清理。因年需求量較大，此曲軸采用倍尺定料。其鍛件重量為137kg，而下料重量為183kg。據(jù)此計(jì)算，該曲軸的材料利用率為74.8%。與同結(jié)構(gòu)曲軸鍛件相比，材料利用率屬于偏低，造成這種結(jié)果的主要原因?yàn)椋孩趴陀^原因。鍛件平衡塊半徑過(guò)大已達(dá)到R120mm；⑵主觀原因。直棒料加熱后直接鍛造成形工藝，造成3、4、9、10曲柄處料過(guò)多，多余的原材料轉(zhuǎn)化為毛邊。

鍛件連桿頸易出折疊傷

該曲軸的回轉(zhuǎn)半徑為R83mm，此前公司開(kāi)發(fā)的所有民品曲軸其回轉(zhuǎn)半徑都不超過(guò)R70mm，其連桿頸也不過(guò)為φ102mm，因此原材料的規(guī)格大小直接影響1、3、4、6拐連桿頸能否充滿型腔，同時(shí)也影響到在材料運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能否避免出現(xiàn)折疊傷。

如圖4所示，當(dāng)上模向下移動(dòng)時(shí)，原材料的一部分料充滿連桿頸型腔。在充滿型腔的過(guò)程中，材料會(huì)先向無(wú)阻力的方向上流動(dòng)（圖4中標(biāo)記位置），而不是沿著模膛形狀流動(dòng)，連桿頸內(nèi)側(cè)產(chǎn)生空腔，當(dāng)受到外側(cè)模膛阻力后，才開(kāi)始充滿連桿頸內(nèi)側(cè)空腔。故原材料規(guī)格過(guò)小，連桿頸內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的空腔會(huì)過(guò)大而產(chǎn)生折疊傷。

圖4 產(chǎn)生折疊傷機(jī)理

改進(jìn)過(guò)程及改進(jìn)后狀態(tài)

調(diào)整模具過(guò)橋及倉(cāng)部結(jié)構(gòu)

根據(jù)曲軸鍛件在終鍛時(shí)無(wú)法打靠，從生產(chǎn)的鍛件厚度尺寸超上差的實(shí)際情況入手，采取以下兩點(diǎn)措施：

⑴將各平衡塊及曲柄處的成形導(dǎo)軌的間隙2mm調(diào)整至4mm（圖5）。加大成形導(dǎo)軌間隙的主要作用是鍛件在鍛打的過(guò)程中，金屬在充滿模膛后，根據(jù)最小阻尼定律多余金屬易向倉(cāng)部流動(dòng)，減少鍛件的鍛打錘數(shù)，有效地解決了鍛件無(wú)法打靠的問(wèn)題。

⑵將大小頭處的倉(cāng)部深度尺寸加大（圖6）。優(yōu)化前單扇模具的整體倉(cāng)部高度尺寸為15mm，因大小頭原材料過(guò)大，在鍛件鍛打后期，大小頭的毛邊充滿倉(cāng)部，甚至有的鍛件打到分模面上，使得鍛件無(wú)法打靠；為此特將大小頭的倉(cāng)部高度尺寸更改為22mm，局部加深大小頭倉(cāng)部尺寸。

圖5 改后成形導(dǎo)軌間隙

圖6 局部加深倉(cāng)部

通過(guò)以上兩點(diǎn)優(yōu)化模具，在生產(chǎn)過(guò)程中測(cè)量各軸頸尺寸，完全符合圖紙要求，有效解決了鍛件打不靠，軸頸超差影響曲軸動(dòng)平衡問(wèn)題。

優(yōu)化模具邊緣圓角

在鍛件生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)班組總是反映鍛件6、7平衡塊不易充滿模膛，造成大量的補(bǔ)焊。通過(guò)觀察坯料溫度、操作方法、模具狀態(tài)及鍛件的充滿過(guò)程等，排除其他因素后，最終確定是模具局部邊緣圓角過(guò)小所致，故現(xiàn)場(chǎng)直接打磨模具后繼續(xù)生產(chǎn)，觀察鍛打出的曲軸鍛件6、7平衡塊能夠很好的充滿模膛。后續(xù)對(duì)圖紙和三維數(shù)模進(jìn)行了固化，改后模具檔部圓角如圖7所示。

圖7 更改后的檔部沖頭

增加輥鍛制坯工序

此項(xiàng)曲軸的材料利用率與同結(jié)構(gòu)曲軸鍛件相比偏低，故需增加輥鍛制坯工序來(lái)提高其材料利用率，達(dá)到降低原材料成本的目的。

為了保證工人的可操作性、工藝的可行性、生產(chǎn)的安全性、產(chǎn)品的穩(wěn)定性等要求，由于下料規(guī)格較大，人工不易操作，須采用翻料機(jī)進(jìn)行翻料。若采用軍品曲軸輥鍛及壓彎等模膛形式，必須增加剁頭工序，不僅增加了原材料的長(zhǎng)度、降低了產(chǎn)品的材料利用率，同時(shí)，增加了剁頭工序，也降低了生產(chǎn)效率。為此，該曲軸的輥鍛模不能按傳統(tǒng)的輥鍛模膛進(jìn)行設(shè)計(jì)，必須打破固有的設(shè)計(jì)思路，一方面保證產(chǎn)品終鍛時(shí)的要求，另一方面保證產(chǎn)品的材料利用率和生產(chǎn)效率。

圖8 輥鍛模

針對(duì)上述問(wèn)題最終設(shè)計(jì)的輥鍛模具如圖8所示，并應(yīng)用Deform三維數(shù)值模擬軟件進(jìn)行驗(yàn)證，為使模擬結(jié)果最大可能的體現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)的真實(shí)性，在模擬時(shí)設(shè)置和選用的參數(shù)為錘上模擬參數(shù)，模擬過(guò)程如圖9所示。

圖9 輥鍛模擬結(jié)果

為驗(yàn)證輥鍛模膛設(shè)計(jì)是否正確，同樣需要應(yīng)用Deform三維數(shù)值模擬軟件進(jìn)行驗(yàn)證，為節(jié)省模擬時(shí)間和計(jì)算工步，特選取該曲軸具有代表性的一節(jié)進(jìn)行模擬，模擬時(shí)設(shè)置和選用的參數(shù)也為錘上模擬參數(shù)，模擬結(jié)果如圖10所示。

圖10 終鍛模擬結(jié)果

局部?jī)?yōu)化連桿頸結(jié)構(gòu)

曲軸鍛件在充滿型腔的過(guò)程中，材料根據(jù)最小阻尼定律首先會(huì)向無(wú)阻力的方向上流動(dòng)，而不是沿著模膛形狀流動(dòng)，連桿頸內(nèi)側(cè)產(chǎn)生空腔，當(dāng)受到外側(cè)模膛阻力后，才開(kāi)始充滿連桿頸內(nèi)側(cè)空腔。故原材料規(guī)格過(guò)小，連桿頸內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的空腔會(huì)過(guò)大而產(chǎn)生折疊傷。

為了使金屬盡可能的沿模膛形狀流動(dòng)，所采取的措施是在生產(chǎn)D2876曲軸時(shí)，將連桿頸與檔部沖頭連接處的圓角磨大，并跟蹤后續(xù)生產(chǎn)的曲軸。經(jīng)磁粉探傷后，個(gè)別仍有折疊傷，將裂紋垂直方向打斷后，裂紋深度有1.5mm左右。因此，需對(duì)此處做進(jìn)一步調(diào)整。

經(jīng)過(guò)幾次調(diào)整，將連桿頸上模的檔部沖頭改為圖11結(jié)構(gòu)：連桿頸與檔部沖頭采用大斜面過(guò)渡，此結(jié)構(gòu)主要是為了在鍛造曲軸過(guò)程中，坯料在充滿模膛之時(shí)，坯料的流動(dòng)方向盡可能沿著模膛壁方向流動(dòng)，使上模坯料與模膛之間的空腔最小化，從而減小鍛造折疊傷的出現(xiàn)。

圖11 連桿頸處改后結(jié)構(gòu)

結(jié)論

通過(guò)一段時(shí)間的工藝工裝和模具制造等方面的準(zhǔn)備，本文所述曲軸采用優(yōu)化后的鍛造工藝進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，對(duì)試生產(chǎn)的過(guò)程進(jìn)行全程跟蹤，觀察到金屬完全能夠充滿預(yù)鍛模膛。對(duì)鍛件成品進(jìn)行全尺寸測(cè)量，證實(shí)鍛件能夠滿足圖紙要求。證明該輥鍛模設(shè)計(jì)合理、可操作性強(qiáng)，能夠完全滿足生產(chǎn)，有效的解決了連桿頸產(chǎn)生鍛造折疊傷的頑固性缺陷。