WP12油底殼工藝試驗與模具開發(fā)設(shè)計

王躍臻，劉建新，張新國

（1.山東科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，261053；2.濰柴重機(jī)股份有限公司,山東 濰坊 261001）

WP12歐三藍(lán)擎發(fā)動機(jī)的油底殼原設(shè)計深度為320mm,生產(chǎn)工藝是：分為上、下兩段進(jìn)行拉深，上油底殼拉深180mm，下油底殼拉深160mm，兩個油底殼套在一起套合20mm并采用專用點(diǎn)焊機(jī)點(diǎn)焊后，再采用縫焊機(jī)縫焊，焊縫長度1.5米以上。油底殼不僅外觀質(zhì)量差，而且滲漏率高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜，造成生產(chǎn)成本增加及環(huán)境空氣污染，迫切需要進(jìn)行改進(jìn)。

1 現(xiàn)狀及存在的問題

WP12柴油機(jī)的油底殼的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝是采用上、下兩段分別進(jìn)行拉深，然后進(jìn)行整形、切邊、沖孔、翻邊等后續(xù)工序，再將上、下油底殼套合后采用專用點(diǎn)焊機(jī)點(diǎn)焊，最后采用縫焊機(jī)縫焊的方式進(jìn)行生產(chǎn)，工序較多。這種生產(chǎn)方式主要存在以下幾個方面的問題：

（1）外觀質(zhì)量差。兩段拼接造成配合不夠嚴(yán)密，焊縫外露，再加上焊補(bǔ)后形成的焊瘤，影響整機(jī)的外觀質(zhì)量。

（2）滲漏率高。由于焊縫長度過長，達(dá)1.5米左右，廠內(nèi)零部件一次密封試驗滲漏率達(dá)80%之高，裝機(jī)試車過程中出現(xiàn)的滲漏率在10%左右；更為嚴(yán)重的是市場客戶，如三一重工反饋WP12油底殼在市場漏油嚴(yán)重，如圖1所示。

（3）生產(chǎn)工藝復(fù)雜，增加制造成本。由于原設(shè)計612630010300油底殼需要分上、下兩段分別進(jìn)行拉深，然后分別進(jìn)行整形、切邊、沖孔、翻邊等后繼工序，再將上、下油底殼套合后采用專用點(diǎn)焊機(jī)點(diǎn)焊，之后采用縫焊機(jī)縫焊。為保證強(qiáng)度、防止?jié)B漏，油底殼縫焊后采用CO2保護(hù)焊進(jìn)行加固。可見，其制造流程多達(dá)數(shù)十道工序，生產(chǎn)制造成本非常高，如圖2所示。

（4）環(huán)境污染嚴(yán)重，采用上下兩段拼焊的結(jié)構(gòu)，焊縫長，而且要在點(diǎn)焊、縫焊之后進(jìn)行CO2保護(hù)焊重新焊接，過多的焊接煙塵廢氣對操作者及生產(chǎn)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重危害。

圖1 客戶反饋油底殼漏油嚴(yán)重

鑒于以上所述，對該油底殼的生產(chǎn)工藝進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)已經(jīng)迫在眉睫。

圖2 油底殼采用兩段拼焊結(jié)構(gòu)

2 工藝分析及計算

油底殼拉深屬于非軸對稱階梯矩形盒件拉深，盒形件的沖壓變形性質(zhì)與直壁圓筒形件有相同之處，亦有不同之處。相同之處是在變形區(qū)都是在拉應(yīng)力與切向壓應(yīng)力的作用下產(chǎn)生拉深變形而存在著變形區(qū)產(chǎn)生的拉應(yīng)力與傳力區(qū)的承載能力之間的關(guān)系問題。不同之處是盒形件變形的應(yīng)力狀態(tài)和所產(chǎn)生的拉深變形在周邊上的分布的不均勻性，由此引起和圓筒形件成形不同的特點(diǎn)。

WP12油底殼深度為320mm，寬度為280mm，高寬比達(dá)1.14。按照以往經(jīng)驗判斷，整體拉深難以實現(xiàn)，而且經(jīng)過詳細(xì)分析計算后得知，拉深深度已經(jīng)遠(yuǎn)超過拉深所能達(dá)到的理論極限。經(jīng)過反復(fù)論證及實驗驗證，項目組工程技術(shù)人員與設(shè)計部門進(jìn)行溝通研究分析，改進(jìn)零件結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)整體拉深的改進(jìn)思路。

該大深度油底殼的整體成形工藝的沖壓工藝設(shè)計包括拉深毛坯落料、拉深、整形、切邊沖孔、翻邊、沖側(cè)孔六道工序，相應(yīng)需要設(shè)計六套沖壓模具。毛坯拉深落料工序試模過程中需要對毛坯具體尺寸進(jìn)行試驗修整，所以拉深毛坯落料模具的設(shè)計要放到拉深試模成功后進(jìn)行。在進(jìn)行拉深模具試驗時使用的落料毛坯臨時采用激光下料。六道沖壓工序中關(guān)鍵的工序是拉深工序，拉深工序能否順利進(jìn)行是該大深度油底殼整體成形工藝成功的關(guān)鍵。拉深工藝的設(shè)計具體需要側(cè)重以下幾點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計研究：

（1）在保證柴油機(jī)性能的前提下，與設(shè)計人員進(jìn)行溝通，在不影響零件使用性能的前提下，對零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提高拉深的工藝性能，將該油底殼的深度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，具體調(diào)整為305mm，以實現(xiàn)整體一次成形。

（2）盡管油底殼的整體高度有所降低，但該油底殼作為不規(guī)則的非軸對稱深盒形件，拉深時各處變形不均勻，最寬的兩圓角及臺階斜面的材料難以得到有效的補(bǔ)充，對整個油底殼拉深過程的材料流動影響較大，成形難度大，拉深破裂問題不易解決。對原有的油底殼拉深技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。經(jīng)過細(xì)致的分析研究和大量的工藝實驗，對拉深工藝參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整和改進(jìn)：

①毛坯。毛坯尺寸的計算原則,遠(yuǎn)離四角圓弧尺寸按彎曲成形計算長與寬（實際中可能稍?。?。四角圓弧處屬于圓筒形和部分直邊變形的結(jié)合,比圓筒形拉伸尺寸稍小,毛坯盡量用近似圓弧方法保證拉伸流動[1]。工藝驗證的工程中本著料多易破，料少易皺的原則[2]對拉深毛坯的形狀大小進(jìn)行調(diào)整。

②凹、凸模圓角半徑的確定。由于油箱底殼四邊變形方式不同，對于四邊圓角處（或近似圓角）凹模、凸模圓角半徑應(yīng)較大。試模驗證的過程中尤其需要對四邊圓角部位的凸模、凹模圓角半徑進(jìn)行適當(dāng)修磨放大。

③凸、凹模間隙。由于油底殼長度方向兩邊流動較其它部位快,而為保證拉伸件兩邊壁部直而挺,作為一次拉伸和二次拉伸的第二道拉伸凸、凹模間隙要小些。設(shè)料厚為t，單邊間隙一般?。?.15～1.2）t,而大頭部分圓角處和短邊的凸、凹模間隙要大些,一般?。?.8～2.5）t[1]。

④拉深過程中的潤滑創(chuàng)新改進(jìn)：采用固體潤滑劑和液體潤滑劑相結(jié)合的潤滑方式，即聚氯乙烯薄膜潤滑和拉延油潤滑同時進(jìn)行。

⑤壓邊力采用曲線封料，屬國內(nèi)油壓機(jī)此項技術(shù)的首創(chuàng)。

3 工藝方案驗證實施

拉深模具的設(shè)計采用一模兩腔壓邊結(jié)構(gòu)，在1030噸雙動薄板液壓機(jī)上進(jìn)行拉深。試模的過程中出現(xiàn)的拉深缺陷集中在油底殼較深部位底部的四個圓角稍向上的危險斷面破裂，以及兩側(cè)直壁的皺褶現(xiàn)象。通過采用對毛坯的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行修整、調(diào)節(jié)壓邊力、破裂部位凹模圓角放大拋光、拉延筋拋光、改變拉延筋高度、對拉深材料的流動趨向進(jìn)行合理控制等措施，項目組成員幾經(jīng)修正拉深參數(shù)、反復(fù)進(jìn)行拉深試驗，最終取得了該大深度油底殼拉深的成功。作為階梯深盒形件拉深，拉深系數(shù)達(dá)到1.18，實現(xiàn)了拉深技術(shù)的新突破，目前處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

整體拉深的WP12油底殼如圖3所示。

圖3 創(chuàng)新前后的效果對比

油底殼整體拉深的工藝實行后，取得了理想的效果，工作達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，主要創(chuàng)新效果有以下三點(diǎn)：

（1）實行整體拉深工藝后，WP12油底殼的滲漏得到徹底解決，油底殼外觀質(zhì)量和產(chǎn)品性能明顯提高，避免了柴油機(jī)滲油現(xiàn)象的發(fā)生，使藍(lán)擎柴油機(jī)更具市場競爭力；

（2）采用整體拉深，油底殼成形工藝減少至四道工序，生產(chǎn)效率提高30%，材料利用率提高30%，節(jié)約制造成本35%；

（3）避免了油底殼拼焊造成的焊接煙塵廢氣對操作者及生產(chǎn)環(huán)境產(chǎn)生的危害。

兩段拼焊成形與整體拉深的油底殼實物對比如圖4所示。

圖4 兩段拼焊成形與整體拉深的油底殼實物對比

該項藍(lán)擎發(fā)動機(jī)大深度油底殼拉深工藝的成功，不但節(jié)能減排、有利環(huán)保減少污染，更大大提高了生產(chǎn)效率和材料利用率，節(jié)約了制造成本，使藍(lán)擎柴油機(jī)更具市場競爭力。此項技術(shù)創(chuàng)新成果是公司拉深技術(shù)的新突破，在沖壓領(lǐng)域達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先，國際先進(jìn)水平。同時給企業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

[1]吳迎凱.發(fā)動機(jī)油箱底殼拉伸成形工藝及模具設(shè)計 [J].模具工業(yè)，2002.1.

[2]肖祥芷，王孝培.中國模具設(shè)計大典第3卷[M].江西：江西科學(xué)技術(shù)出版社，2003.10.