NTR法曲軸工藝及配套模具

文/閻達(dá)生，李立·天津二七康庫(kù)得曲軸有限公司

張振純·天津大學(xué)

NTR法曲軸工藝及配套模具

文/閻達(dá)生，李立·天津二七康庫(kù)得曲軸有限公司

張振純·天津大學(xué)

閻達(dá)生，天津二七康庫(kù)得曲軸有限公司設(shè)計(jì)部部長(zhǎng)，工程師，主要從事NTR法曲軸鐓鍛機(jī)的設(shè)計(jì)及曲軸工藝工作，主持完成了二七康庫(kù)得60MN NTR法曲軸鐓鍛機(jī)成套設(shè)備設(shè)計(jì)制造，5MN曲軸校直機(jī)的設(shè)計(jì)制造。

曲軸是柴油機(jī)最重要的部件之一，大型船用柴油主機(jī)曲軸約占整機(jī)價(jià)值的15%～20%，在鐵路機(jī)車、風(fēng)力發(fā)電、油田上也有廣泛的應(yīng)用。曲軸的工作情況極其復(fù)雜，承受著扭轉(zhuǎn)和彎曲的復(fù)雜應(yīng)力及產(chǎn)生的附加應(yīng)力，這就要求曲軸具有足夠的疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。面對(duì)大中型柴油機(jī)、燃?xì)鈾C(jī)行業(yè)的需求，提高曲軸的鍛造精度，減少機(jī)加工余量，提高金屬纖維連續(xù)程度，提高曲軸質(zhì)量已成為曲軸鍛造行業(yè)的主要任務(wù)。為了從根本上解決這一問題，天津二七康庫(kù)得曲軸有限公司自主研發(fā)了全新NTR法曲軸鐓鍛設(shè)備及配套工藝模具。

鍛造設(shè)備及工作原理

圖1 NTR法曲軸鐓鍛彎曲液壓機(jī)

目前，國(guó)際上通常在水壓機(jī)上配備專用裝置和模具，采用全纖維彎曲鐓鍛法制造大型全纖維曲軸，常用的有RR法與TR法。在此基礎(chǔ)上，天津二七康庫(kù)得曲軸有限公司自主研發(fā)了NTR法曲軸鐓鍛彎曲設(shè)備與配套模具。圖1所示為NTR法曲軸鐓鍛彎曲液壓機(jī)，該設(shè)備采用自主研發(fā)的雙軸桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)水平鐓鍛力增力，在液壓機(jī)中間設(shè)置獨(dú)立彎曲缸用于曲拐的錯(cuò)拐，同時(shí)曲軸的鐓鍛彎曲過程中，鐓鍛與彎曲的速度可獨(dú)立調(diào)整也是NTR法工藝所獨(dú)有的技術(shù)，這樣可更好的完善其工藝，使得曲軸成形精度更高。

NTR法曲軸鐓鍛彎曲液壓機(jī)主要由主機(jī)、液壓控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)幾部分組成。主機(jī)機(jī)身采用整體焊接式框架結(jié)構(gòu)，在機(jī)身的上橫梁上安裝有鐓鍛柱塞缸、鐓鍛回程缸、彎曲柱塞缸和彎曲回程缸；在機(jī)身的上下橫梁間安裝有活動(dòng)橫梁，且活動(dòng)橫梁上部與鐓鍛柱塞缸和鐓鍛回程缸相連，使其可沿機(jī)身上下滑動(dòng)；在機(jī)身的下橫梁上安裝有滑軌及移動(dòng)工作臺(tái)，移動(dòng)工作臺(tái)下部裝有滾輪，由電機(jī)進(jìn)行傳動(dòng)；在移動(dòng)工作臺(tái)上還安裝有頂出工件用的頂出缸及調(diào)整模具位置的調(diào)整缸。設(shè)備配備的模具為上下兩部分對(duì)合模具，上模具固定在活動(dòng)梁中，下模具固定在移動(dòng)工作臺(tái)的下模箱中。

NTR法鐓鍛彎曲工藝配合專用設(shè)備及模具，可使鍛件曲軸輪廓與粗加工曲軸輪廓極其吻合，中速級(jí)曲軸最大單邊余量?jī)H為10mm，圖2所示為NTR法曲軸鍛件與粗加工曲軸余量對(duì)比。NTR法曲拐拐柄為橢圓形截面且桃尖的30?；剞D(zhuǎn)斜面直接成形。與傳統(tǒng)RR法制造工藝相比，NTR鐓鍛彎曲成形的曲軸具有以下優(yōu)點(diǎn)：⑴形狀尺寸接近成品零件，加工余量小；⑵鍛造纖維按曲軸形狀合理分布，與受力情況相適應(yīng)，質(zhì)量大大提高；⑶節(jié)省了大量金屬，減少了切削加工工時(shí)，提高了生產(chǎn)效率。

圖2 NTR法曲軸鍛件與粗加工曲軸余量對(duì)比

模具結(jié)構(gòu)及鍛造工藝

圖3 所示為NTR法鐓鍛彎曲曲軸工藝圖，紅色部分為加熱變形區(qū)。由于曲軸一般坯料都很長(zhǎng)，放入模具中時(shí)易彎曲變形，故在模具后面增加支撐塊防止曲軸彎曲變形。鐓鍛開始時(shí)，左右推塊抱緊曲軸的定位環(huán)或法蘭，由此產(chǎn)生作用力推動(dòng)曲軸熱變形區(qū)（圖a中紅色部分），使其圓棒料鐓粗變形，同時(shí)上下沖頭下行使坯料向下彎曲，達(dá)到圖3b所示位置，單拐成形完畢。待該拐柄冷卻后，加熱下一拐柄位置繼續(xù)鐓鍛，以此類推。曲軸鐓鍛過程中的向下脹模力由左右型腔下部承受，也就是由壓機(jī)框架本身承受；向上脹模力由上沖頭來承受，這樣分配脹模力可使其向下鐓鍛力損失達(dá)到最小且不會(huì)對(duì)上下模箱閉合造成影響。

模具設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮法蘭與曲柄的位置，圖3所示的右型腔就采用后部掏空的形式避讓開右側(cè)法蘭。當(dāng)鍛造曲軸其他拐柄時(shí)，右側(cè)型腔及右推塊應(yīng)避讓前面已鍛造好的拐柄，由于每個(gè)拐柄的角度不同，導(dǎo)致了一根曲軸每個(gè)單拐在鍛造過程中都需要更換不同的右側(cè)型腔及右推塊，所以每個(gè)規(guī)格的曲軸模具數(shù)量繁多。左右型腔及上下沖頭在鍛造過程中均與熱鍛件直接接觸，大型曲軸的熱膨脹變形會(huì)很大，因此，在進(jìn)行左右型腔和上下模設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際曲軸的熱變形量，給予模具的一定放量。圖4所示為NTR法曲軸鍛制現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖，可看出由此套工藝模具成形的曲軸飛邊余量較小，曲軸成形最困難的桃圓圓角成形良好，無(wú)缺肉塌角等缺陷。

圖3 NTR法鐓鍛彎曲曲軸工藝圖

圖4 NTR法曲軸鍛制現(xiàn)場(chǎng)

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，我廠通過長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，成功開發(fā)了NTR法曲軸鐓鍛壓機(jī)與配套工藝，自2009年研發(fā)成功至今，天津二七康庫(kù)得累計(jì)用NTR法工藝生產(chǎn)曲軸9000多支，平均每支曲軸相比傳統(tǒng)TR法與RR法工藝節(jié)材25%左右，從而降低了材料占比，大幅提高了曲軸的利潤(rùn)，增加了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。