橢圓型曲柄臂A系列曲軸鍛件鐓鍛工藝優(yōu)化

文/杜紹貴，何正?！ぶ袊熊囐Y陽機車有限公司

橢圓型曲柄臂A系列曲軸鍛件鐓鍛工藝優(yōu)化

文/杜紹貴，何正?！ぶ袊熊囐Y陽機車有限公司

A系列曲軸材料利用率偏低，通過分析有四個原因：鍛件加工余量偏大且不均勻、曲柄臂分模方式欠優(yōu)、鍛前坯料耗損大、曲柄臂外輪廓相似度差。通過制定鐓鍛工藝優(yōu)化方案，包括調(diào)整加工余量、優(yōu)化分模方式、精化曲柄臂外形、減小坯料規(guī)格等。經(jīng)模擬分析、成形試驗及生產(chǎn)驗證，曲軸光坯平均減重10.4%，曲軸材料利用率平均達(dá)到61.7%。

A系列曲軸包括A6、A8、AG6、AG8四項產(chǎn)品，其曲柄臂全部為橢圓型，是我公司與國內(nèi)某柴油機制造企業(yè)合作研發(fā)的曲軸產(chǎn)品的簡稱，該系列曲軸全部為粗加工狀態(tài)交貨。由于柴油機市場競爭激烈，合作方希望我們能夠提升曲軸制造工藝，降低曲軸制造成本，共同迎接挑戰(zhàn)，擴大市場份額。為此，我公司內(nèi)部積極開展工藝優(yōu)化、改進(jìn)曲軸鍛件鐓鍛以及熱處理、機械加工工藝。

本文以A6曲軸鍛件鐓鍛工藝作為對象，針對曲軸鍛件材料利用率偏低這個突出問題，結(jié)合現(xiàn)有工藝裝備，實施鐓鍛工藝優(yōu)化，提出了調(diào)整加工余量，減小坯料直徑，采用折線分模，減小主軸頸環(huán)槽深度，優(yōu)化曲柄臂外輪廓形狀并鍛出平衡塊安裝面的鐓鍛工藝優(yōu)化方案，通過有限元軟件模擬、兩拐鐓鍛成形試驗，驗證了優(yōu)化方案的可行性、合理性，鐓鍛工藝優(yōu)化后的A6曲軸鍛件實現(xiàn)了批量鐓鍛生產(chǎn)、交付，工藝穩(wěn)定，鍛件質(zhì)量優(yōu)良。

原有鐓鍛工藝

A6曲軸材料為合金結(jié)構(gòu)鋼，鋼錠開坯鍛造比≥5。A6曲軸鍛件于2005年3月完成鐓鍛工藝設(shè)計，經(jīng)試驗、驗證并于2005年10月批量生產(chǎn)，通過細(xì)致分析可發(fā)現(xiàn)鐓鍛工藝有以下不足。

⑴加工余量偏大、不均勻。由于每個企業(yè)所采用的鐓鍛工藝和裝備不同，所采用的熱處理、機械加工工藝也不同，較難統(tǒng)一加工余量的加放標(biāo)準(zhǔn)，工藝師需結(jié)合本企業(yè)的實際情況并根據(jù)自己的經(jīng)驗來進(jìn)行鐓鍛工藝設(shè)計。按交貨狀態(tài)計算，A6曲軸鍛件曲柄臂厚度加工余量為11mm，曲柄臂外圓周最大加工余量為49.6mm，最小加工余量為22.6mm；曲柄臂平衡塊安裝面最大加工余量為40mm，最小加工余量為20.8mm。

⑵曲柄臂直線分模。鐓鍛工藝設(shè)計將曲柄臂的分模線與連桿頸分模線位于同一平面稱之為直線分模。圖1為A6曲軸鍛件曲柄臂，彎曲上下模組合。從圖1可以看出直線分模有以下缺點：①彎曲模型腔分配不合理。彎曲上模型腔深335mm，彎曲下模型腔深146mm，型腔深度比值達(dá)到2.29，平衡塊安裝面鐓鍛成形困難，極易在鐓鍛時出現(xiàn)塌角(缺肉、充不滿等）缺陷；②曲柄臂外圓周加工余量不均勻，最大加工余量與最小加工余量相差27mm；③曲柄臂重量增加，材料消耗多。A6曲軸鍛件一個曲柄臂的重量為127kg。

圖1 直線分模存在的缺點

⑶鍛前坯料耗損大。鐓鍛前對曲軸光坯進(jìn)行兩次機械加工以獲得符合要求的坯料。A6曲軸光坯的重量為3303kg，鍛前坯料耗損為227.4kg，占光坯重量的6.9%。

⑷曲柄臂外輪廓重合度較差。曲柄臂外輪廓形狀的設(shè)計，在充分考慮曲柄臂鐓鍛成形過程中的難度、曲柄臂是否產(chǎn)生較大的飛邊、脫模是否順暢的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能讓曲柄臂外輪廓形狀與交貨狀態(tài)相重合。從圖1a中可以看出A6曲軸鍛件曲柄臂外輪廓重合度較差，其重合度系數(shù)（即曲柄臂鍛件重量與曲柄臂交貨狀態(tài)重量之比）為1.75。

⑸材料利用率偏低。以上四個方面的問題，最終都會增加原材料的消耗，都會通過材料利用率這個指標(biāo)體現(xiàn)出來，材料利用率是檢驗曲軸鐓鍛工藝水平最具說服力的指標(biāo)。A6曲軸交貨狀態(tài)的重量為1818.9kg，毛坯重量為3303kg，材料利用率為55.1%。

鐓鍛工藝優(yōu)化

通過上述分析，針對原有鐓鍛工藝提出以下工藝優(yōu)化方案。

⑴調(diào)整加工余量。根據(jù)交貨狀態(tài)圖，結(jié)合下道工序提供的鍛件交驗標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整徑向軸向加工余量，優(yōu)化曲柄臂外輪廓形狀，對A6曲軸鍛件進(jìn)行全方位“瘦身”。圖2為鐓鍛工藝優(yōu)化后A6曲軸鍛件三維圖，該鍛件一個曲柄臂的重量為116.4kg，較改進(jìn)前減少了10.6kg。

圖2 鐓鍛工藝優(yōu)化后A6曲軸鍛件三維圖

圖3 折線分模的優(yōu)勢

⑵改進(jìn)分模方式、鍛出平衡塊安裝面，提高曲柄臂外輪廓重合度。采用折線分模，不僅可以合理分配上下模型腔深度，有利于曲柄臂鐓鍛成形，而且曲柄臂外輪廓加工余量分布均勻。此外，將曲柄臂頂部鍛成平面，可以減少平衡塊安裝面的加工余量，也有利于曲柄臂鐓鍛成形，特別是有利于平衡塊安裝面“肩膀”位置的鐓鍛成形。這樣，曲柄臂外輪廓重合度得以大幅提高。圖3為鐓鍛工藝優(yōu)化后的A6曲軸鍛件曲柄臂及其彎曲上下模組合。根據(jù)圖3可計算出：①其曲柄臂外輪廓重合度系數(shù)為116.4÷72.56=1.60，較改進(jìn)前減小了0.15；②彎曲上、下模型腔深度比值僅為204÷245=0.83，較改進(jìn)前減小了1.46。

⑶減小坯料規(guī)格。坯料直徑是在鍛件主軸頸直徑的基礎(chǔ)上加上主軸頸環(huán)槽深度得以確定的，但這是基于經(jīng)驗的方法，所確定的坯料直徑往往偏大，增加不必要的材料消耗。如何確定合理的坯料直徑，在工藝設(shè)計中引入“當(dāng)量圓”的概念。曲柄臂鐓鍛成形過程，包括水平鐓粗和水平鐓粗+垂直彎曲兩個連續(xù)的工步，第一階段水平鐓粗結(jié)束時坯料呈鼓形，其最大截面投影稱之為“當(dāng)量圓”，為使曲柄臂充填飽滿又不產(chǎn)生過大的飛邊，“當(dāng)量圓”的半徑略大于平衡塊安裝面高度為佳。工藝優(yōu)化后A6曲軸鍛件用料規(guī)格初選為φ270mm，鍛前坯料尺寸為φ270mm×265mm。

⑷減少工藝用料。減少工藝用料從兩個方面著手：一是精化光坯訂料尺寸，直接按鍛前使用尺寸訂料；二是減小主軸頸環(huán)槽深度，即采用淺環(huán)槽坯料，減少鍛前坯料耗損。鐓鍛工藝優(yōu)化后毛坯重量為2966kg，鍛前坯料耗損為89kg，占毛坯重量的3%，比工藝優(yōu)化前減少3.9%。

為了驗證A6曲軸鍛件鐓鍛成形工藝優(yōu)化的可行性、可靠性，采用有限元軟件對鐓鍛成形過程進(jìn)行模擬成形仿真分析，模擬成形結(jié)果見圖4，單拐模擬結(jié)果充填飽滿，沒有任何外觀缺陷。通過兩拐鐓鍛成形試驗和A6曲軸鍛件鐓鍛生產(chǎn)來進(jìn)一步驗證工藝方案的可行性、合理性。兩拐鐓鍛成形試驗結(jié)果見圖5。

圖4 模擬成形結(jié)果

圖5 兩拐鐓鍛成形試驗結(jié)果

A6曲軸鍛件批量生產(chǎn)驗證。我廠采用該工藝已經(jīng)生產(chǎn)A6曲軸鍛件59支，曲軸鍛件完全滿足工藝標(biāo)準(zhǔn)要求，一次性交檢合格。圖6為鐓鍛工藝優(yōu)化后的A6曲軸鍛件。

圖6 鐓鍛工藝優(yōu)化后的A6曲軸鍛件

工藝優(yōu)化效果

可通過以下幾個工藝技術(shù)參數(shù)來對A6曲軸鍛件工藝優(yōu)化的效果進(jìn)行綜合評價，見表1。

表1 A6曲軸鍛件鐓鍛成形工藝優(yōu)化效果

A6曲軸鍛件鐓鍛成形工藝優(yōu)化獲得了滿意的結(jié)果，有效地解決了平衡塊安裝面塌角、充不滿的問題，精化了曲軸鍛件外形，減小了用料規(guī)格，顯著減小了光坯重量和鍛前坯料耗損，提高了材料利用率，鍛件一次性投產(chǎn)成功，工藝穩(wěn)定，質(zhì)量優(yōu)良，具有非常好的推廣價值。借用A6鐓鍛工藝優(yōu)化成功的經(jīng)驗，將該系列其余3種曲軸鍛件也實施了同樣的鐓鍛工藝優(yōu)化并批量生產(chǎn)。截止2015年8月30日，已完成A6、AG6、A8、AG8曲軸鍛件138支的生產(chǎn)。四種曲軸鍛件光坯采購重量平均每支減重378.8kg，平均減重10.4%，平均材料利用率達(dá)到61.7%。2015年四種鍛件實際采購光坯146支，合計節(jié)省材料消耗378.8kg×146=55.3048（t），隨著產(chǎn)量的增加，其經(jīng)濟效益也將逐漸顯現(xiàn)出來。

結(jié)論

⑴提升了曲軸鍛件幾何尺寸精度，重點在于精化曲柄臂鍛件外形輪廓尺寸，應(yīng)選擇折線分模，鍛出平衡塊安裝面，最大限度提高曲柄臂外輪廓重合度。

⑵減小坯料規(guī)格，可減少鍛前坯料耗損，有利于提高曲軸材料利用率，減小坯料主軸頸環(huán)槽深度是減小坯料規(guī)格的有效途徑。經(jīng)驗表明，可將坯料主軸頸環(huán)槽深度控制在8mm（單邊）以內(nèi)。

⑶坯料直徑大小選擇是否適當(dāng)，可以通過計算“當(dāng)量圓”直徑來進(jìn)行判斷。

⑷按鍛前坯料直徑、長度訂料是減少工藝用料的有效方法之一。