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）

曲軸是汽車發動機的主要運動部件[1]，工作情況極其復雜，性能優劣直接影響發動機的可靠性和壽命。隨著經濟全球化融合，信息時代的深入發展，促進汽車工業、船舶工業以及航空航天業的高速發展，帶動世界鍛造業總體呈上升趨勢。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，提高了生產效率及材料利用率，降低了生產的成本。本文通過在高能螺旋壓力機上設計三個工步以實現四缸發動機曲軸（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，其優勢是設備滑塊在任意位置都能充分發揮出規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

根據計算公式[3]，模鍛力

P=k1·k2·F≈36000（kN）

式中：k1為鋼種系數，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，即鍛件形狀復雜系數，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 某發動機曲軸成品圖

圖2 某發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，會產生型腔磨損和上下模錯移現象，導致鍛件尺寸出現偏差。依據經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。經過制坯的曲軸的晶粒度和機械性能都較優，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。根據設備的工作臺、滑塊參數設計出模架，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。根據實際經驗，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經驗公式[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。