高能螺旋壓力機上曲軸鍛造工藝和模具設計

姚志強，江叔通

（南昌齒輪鍛造廠，江西 南昌 330044）

曲軸是汽車發(fā)動機的主要運動部件[1]，工作情況極其復雜，性能優(yōu)劣直接影響發(fā)動機的可靠性和壽命。隨著經(jīng)濟全球化融合，信息時代的深入發(fā)展，促進汽車工業(yè)、船舶工業(yè)以及航空航天業(yè)的高速發(fā)展，帶動世界鍛造業(yè)總體呈上升趨勢。因此，曲軸精密鍛造技術[2]是汽車曲軸鍛造成形工藝的重要趨勢。精鍛后的曲軸加工余量較少，提高了生產(chǎn)效率及材料利用率，降低了生產(chǎn)的成本。本文通過在高能螺旋壓力機上設計三個工步以實現(xiàn)四缸發(fā)動機曲軸（如圖1所示）的鍛造成形以及提高模具設計水平。

1 鍛造工藝分析

曲軸鍛件是較復雜的鍛件類型之一，鍛造工藝難度較高，為保證產(chǎn)品技術質量要求，需通過多種工序才能完成。目前國內主要采用的設備為熱模鍛壓力機，同時需輥鍛機或其他輔助設備進行制坯來完成曲軸的鍛造成形，主流工藝路線為：下料—加熱—輥鍛制坯—壓扁—預鍛—終鍛—切邊—熱校正。高能螺旋壓力機[3]是定能設備，沒有固定的下死點，鍛件尺寸精度靠模具打靠和設備、模座和模具的導向裝置來保證，其優(yōu)勢是設備滑塊在任意位置都能充分發(fā)揮出規(guī)定的能量輸出值和最大鍛打力以保證模具打靠，可以在設備上完成制坯、預鍛和終鍛等工步，經(jīng)濟上較為可行。

本文以圖1 曲軸為研究對象，在高能螺旋壓力機上進行鍛造成形工藝分析和模具設計。材料為49MnVS3 非調鋼，因此鍛造過程中主要是控制鍛件的加熱溫度，始、終鍛溫度和鍛后控冷速度，才能有效保證曲軸鍛件的綜合力學性能及加工性能。鍛造工藝[4]路線為：下料—加熱—壓扁、預鍛、終鍛—切邊（帶熱校正）—控冷。

2 終鍛工藝設計

根據(jù)計算公式[3]，模鍛力

P=k1·k2·F≈36000（kN）

式中：k1為鋼種系數(shù)，低碳合金鋼為1，高合金鋼為1.1～1.25；k2為金屬變形抗力系數(shù)，即鍛件形狀復雜系數(shù)，開式模鍛為46～73 kN/cm2，閉式模鍛為60～80 kN/cm2；F 為鍛件分模面上投影面積（含飛邊橋部寬度），cm2。

經(jīng)計算得出，選擇設備噸位為40MN（4000t 高能螺旋壓力機）。

分模面位置的選取[4]直接關系到鍛件的成形、鍛件出模，材料利用率等一系列問題。為此，曲軸鍛件分模面應該選擇在具有最大的水平投影尺寸的位置。由于其連桿頸呈180°分布，如圖1、圖2 所示，故采用水平分模[5]。

圖1 某發(fā)動機曲軸成品圖

圖2 某發(fā)動機曲軸三維造型及實物

確定鍛件的加工余量[6]，曲軸主軸頸、連桿頸、大小頭臺階軸和平衡塊單面需加工外，其他位置均為非加工面，上述部分增加所需的加工余量。在模鍛過程中，會產(chǎn)生型腔磨損和上下模錯移現(xiàn)象，導致鍛件尺寸出現(xiàn)偏差。依據(jù)經(jīng)驗和鍛件冷卻過程中收縮情況，軸向、主軸頸和連桿頸單邊余量（鍛件至成品尺寸，下同）設計為2.5mm，平衡塊單面加工位置單邊余量設計為2mm，其他位置單邊余量設計為1.5～2mm。同時由于設備屬性導致，鍛件的脫模斜度設計為1.5～2°，鍛件錯移≤0.5mm，設計1.5%的收縮率，鍛件圖和實物圖如圖3、圖4 所示。

圖3 鍛件圖三維造型

圖4 鍛件實物

3 預鍛工藝和制坯設計

相對終熱鍛件，預熱鍛件的尺寸在軸向適當縮小，徑向做適當增厚的設計。為保證平衡塊部位能夠有足夠金屬存儲，在預熱鍛型腔金屬流動較大的位置應設置阻料槽，如圖5 所示。圓角和拔模斜度盡量有利于出模和成形原則，同時應考慮足夠的料能夠在終鍛時得以填充型腔。

圖5 阻料槽

受高能螺旋壓力機打擊屬性和行程時間限制，曲軸需要設計制坯工步，若坯料不經(jīng)過制坯處理，直接放置在預鍛模膛上鍛造，預鍛的充滿性很不理想，同時終鍛打擊力過大而造成模具和設備損傷，故需設計制坯工步，讓預鍛的填充性得到保證。根據(jù)預鍛型腔的形狀結構，在設計制坯型腔時應做相應的變化，達到分料和滿足預鍛型腔的成形，如圖6 所示。經(jīng)過制坯的曲軸的晶粒度和機械性能都較優(yōu)，同時可以提高材料利用率。

圖6 制坯模

4 模具設計

4.1 模塊尺寸設計

曲軸型腔深度較深，最深處為65.5mm。而曲軸模具型腔尺寸精度要求較高，磨損到一定程度就必須更換或翻新，因此采用矩形模塊。根據(jù)設備的工作臺、滑塊參數(shù)設計出模架，由于模架內模具的最小封閉高度為270mm，按照型腔形狀和型腔最深部位的底部強度的選用原則，因此上下模塊的閉合高度選300mm。根據(jù)模壁厚度計算公式[6]S=（1.5～2.0）h＞40mm，（h 為最外的型腔深度mm）；模塊高度尺寸的主要依據(jù)模塊底厚（T）、型腔深度以及模架閉合高度（H）等。S、T、H 應滿足條件：T≥（0.6～0.65）S，2S≤（0.35～0.4）H。根據(jù)實際經(jīng)驗，下模與鍛件接觸時間長，易于磨損，壽命相對上模較低。因此，最終取模塊為：終鍛和預鍛下模尺寸為910mm×358mm×160mm，終鍛和預鍛上模尺寸為910mm×358mm×140mm。

鍛模承壓力計算及校核[5]：δ=P/F≤350MPa（P 為設備公稱壓力，N；F 為模塊底面實際承壓面積，mm2）；計算可得δ=129.09MPa＜350MPa，滿足條件。設計的曲軸終鍛模尺寸和形狀如圖7、圖8 所示，設計的曲軸預鍛模尺寸和形狀如圖9、圖10 所示。

圖7 終鍛模

圖8 終鍛模三維造型

圖9 預鍛模

圖10 預鍛模三維造型

4.2 飛邊槽設計

對形狀比較復雜的鍛件，為較好的充滿型腔必須增大金屬外流的阻力，飛邊橋部的寬度適當增大，或者厚度適當減小。飛邊橋部和飛邊槽的尺寸根據(jù)經(jīng)驗公式[4]可得，如圖11 所示。預鍛可采用終鍛飛邊槽形式和尺寸，或把橋部厚度減小或寬度加寬，使金屬更好充滿型腔。

圖11 飛邊槽結構

4.3 頂桿和排氣孔的設計

由于曲軸鍛件型腔較為復雜，需要鍛件頂出裝置以防止鍛件粘模，基于鍛件自重和拔模斜度的因素，只需要在預鍛和終鍛下模設計頂出。頂桿位置應設在飛邊槽上，以避免鍛件有頂出痕跡。頂桿孔位置布置應離最近的型腔側壁距離12mm～15mm處，頂桿與頂桿孔間隙選用0.3mm，頂桿直徑應選擇?12mm 以上。如圖7、圖9 所示。為便于終鍛時鍛件能夠被充滿，需要在曲軸型腔最深處進行排氣孔設計。

5 結束語

本文主要闡述了在高能螺旋壓力機上對發(fā)動機曲軸進行精密鍛造成形工藝和模具設計，受設備打擊屬性和行程時間限制，需要設計制坯、預鍛和終鍛三個工步完成鍛件的成形過程。終鍛為便于鍛件易于成形，需在曲軸型腔最深處做設計排氣孔。預鍛為保證平衡塊部位能夠有足夠金屬存儲，需在預鍛型腔金屬流動較大的位置應設置阻料槽。