整体曲轴镦锻液压机坯料轴向定位装置

文/梁伟立·天锻压力机有限公司

赵精凤·天津市康库得机电技术有限公司

整体曲轴镦锻液压机坯料轴向定位装置

文/梁伟立·天锻压力机有限公司

赵精凤·天津市康库得机电技术有限公司

目前，国际上曲轴的镦锻技术主要有RR法、TR法、NRR法、卧式专机、NTR法。

RR法的特点是：在大型自由锻水压机上，加装了带有对向侧楔式镦锻机构的专用镦锻装置，其弯曲与镦锻行程参数不能单独控制，不能实现工艺优化。

TR法的特点是：应用了一种带有对向肘杆增力机构的新型曲轴弯曲镦锻装置，肘杆增力机构可使终镦力增大2.5倍。

NRR法的特点是：在RR法装置上增设了可单均加工有轴向定位环槽的棒坯，将毛坯预制成“糖葫芦”状，然后在专用的镦弯模内将两侧拐颈部分镦出，并将拐颈错移，弯曲成拐柄，如图1所示。其锻造过程如图2所示，坯料加热后放在模具中夹紧（液压夹紧和机械夹紧），当压力机下压时，冲头向下错移，左右卡模向中间移动，坯料在垂直和水平两个方向受力，产生弯曲与镦粗的复合变形，每次行程成形一个曲拐。

这些镦锻方法生产的锻件表面金属纤维流线被切断，因而锻件的性能低，单边加工独控制的弯曲缸，采用了曲轴顶镦工艺，为了增大镦锻力，增设了辅助镦锻缸。

卧式专机是美国National Forge公司研制的、在NTR法之前国际上惟一一台卧式曲轴弯曲镦锻专用液压机，其外形尺寸为34m×26m×24m，体积庞大。

NTR法在TR法与NRR法的基础上，应用了TR法中对向肘杆的增力原理和NRR法中曲轴顶镦工艺，并研发了预上弯工艺，使曲轴成形更好，镦锻的精度更高。

现有曲轴镦锻技术的不足

图1 RR法、NRR法及TR法糖葫芦状阶梯棒料示意图

图2 糖葫芦状阶梯棒料锻造过程示意图

无论是RR法、NRR法还是TR法，它们的工艺特点都是：在主轴颈和拐轴颈位置处，余量很大；卧式专机虽然可实现无预先加工定位环槽的光棒坯料锻造，但因设备体积庞大，仅20MN/36.2MN的设备体积就达到了34m×26m×24m，设备投资巨大，没有普及成功。

NTR法在研制初期进行锻造时，比RR法、NRR法和TR法先进了一步,在拐轴颈位置处加工定位环槽，而主轴颈处不加工定位环槽,如图3所示。其锻造过程如图4所示，坯料加热后放在下模箱中，在下模箱中预先安装好坯料轴向模具定位块，当压力机下压时，通过肘杆机构，压力机的压力分解为垂直弯曲力和水平镦锻力。随着肘杆倾角的逐渐减小，水平镦粗力逐渐加大。到达镦锻终点时，水平分力达到最大值，其值可达到压力机公称压力的5倍以上。同时上下模箱合模，冲头根据工艺要求向上或向下错移，进行预上弯或预下弯，左右模箱向中间对向移动，坯料在垂直与水平两个方向受压，产生弯曲与镦粗的复合变形。同样，每次行程也成形一个曲拐。

图3 NTR法棒料示意图

图4 NTR法锻造过程示意图

这样获得的曲轴锻件外形与零件大致相同，重量轻，质量好，加工余量小，既节省金属，又减少了切削加工工时，提高了生产效率。但严格来说，NTR法虽然在镦锻前主轴颈处不加工定位环槽,但因其在拐轴颈处加工定位环槽，所以并非真正意义上的全纤维弯曲镦锻。

鉴于以上情况，需要研制一种坯料轴向定位装置，使得曲轴棒坯在镦锻前，无论是主轴颈处还是拐轴颈处，都不加工定位环槽，实现整体曲轴真正意义上的全纤维弯曲镦锻。

轴向定位装置结构简介

坯料轴向定位装置（图5）由拖箱（即拖箱焊接件）、拖箱液压缸、轴向导筒、拖箱支撑轮4部分组成，其中的轴向导筒分为尾部导筒、中间导筒和长导筒3种。中间导筒也叫长度调整块，是用来调整长度的，导筒之间用拉紧销连接，每个导筒上都安装有吊装螺栓；拖箱支撑轮的结构与移动工作台下方的支撑轮结构相似，其上也安装有碟簧组和定位螺杆。拖箱的右端与左下模箱左侧连接，其下部装有支撑轮，可随左下模箱一起移动、浮起与压下；在拖箱内装有拖箱缸和导筒，导筒的一端与拖箱缸的缸杆连接，随着液压缸缸杆的伸出与缩回来调节光棒坯料的位置，导筒的另一端顶在光棒坯料无角度定位孔一端的端面上，当镦锻时，由拖箱缸提供的轴向力抵消了热坯料变形抗力，实现坯料轴向定位。

工作原理

当上、下模箱合模时，光棒坯料右侧由固定在上下模箱上的二号块限制其轴向位移；光棒坯料左侧利用轴向定位装置中拖箱缸提供的力限制其轴向位移。在轴向定位装置中，拖箱的右端与左下模箱左端面连接，当上、下模箱对向移动进行镦锻时，同时带动轴向定位装置也向右移动，在镦锻过程中拖箱缸只需利用背压克服坯料向后的胀模力，缸杆无需移动，如图6所示。

图5 NTR法光棒坯轴向定位装置结构示意图

图6 NTR法第一个曲柄镦锻准备阶段示意图

图7 NTR法第一个曲柄镦锻完成和补偿示意图

第一拐镦锻完成后的结果，如图7a所示，长度调整块与拖箱的相对位置没有发生改变，拖箱缸活塞杆没有移动，这样方便与压机控制，利于成形优化。镦锻曲轴后续拐柄时，利用拖箱缸补偿其轴向长度，当拖箱缸补偿不够时，增加长度调整块（即中间导筒）的个数来进行长度补偿，如图7b所示。

这样获得的曲轴锻件外形与零件大致相同，曲拐拐柄为椭圆形截面，因此重量轻，质量好，与自由锻比较，在经济方面具有一系列的优点：形状尺寸接近成品零件，加工余量小；锻造纤维按曲轴形状合理分布且连续，和受力情况相适应，大大提高了产品质量；节省了大量金属，减少了切削加工工时，同时提高了生产效率，适应于大批量生产，实现了真正意义上的全纤维整体曲轴弯曲镦锻。

应用情况

采用NTR法全纤维曲轴弯曲镦锻专用液压机加工的高质量曲轴，正在逐步成为行业内的需求热点。目前，此类NTR法镦锻技术已经有了初步的应用。鞍山钢铁公司8000t水压机上，采用NTR法装置与半闭式模具，进行了小批量生产。但该装置仅限于利用通用液压机进行改造，而非镦锻专用液压机，因此效率低，加工范围小，不适合大批量和多规格曲轴的压制。

天津康库德机电技术有限公司开发了首台专用于大型多拐曲轴弯曲镦锻的NTR法专用液压机，目前生产的曲轴产品已经在胜利油田动力机械有限公司、中国南车集团戚墅堰机车车辆厂、洛阳河柴发动机有限责任公司等中得到了广泛应用。

NTR法全纤维曲轴弯曲镦锻专用液压机采用的是创新工艺，提高了成材率，每支曲轴可节约材料消耗300kg（以12V190曲轴为计算单位），如果按年生产8000支曲轴计算，每年可节约高合金钢2400t，折合人民币为1920万元，降低加热电耗约168万度，降低加工能耗50%以上，节约其他费用2256万元。

结束语

进入21世纪以来，我国的造船业、高速机车制造业等发展迅速，已成为我国机械制造产业的支柱产业，支撑这些支柱产业的是现代大功率柴油机制造业，高品质大型曲轴的生产是制约大功率柴油机更新换代的关键。为尽快发展我国大型高速柴油机，必须确保曲轴的质量，要求新的工艺和装备，锻造制坯这一环节显得尤为重要，应当在总结经验的基础上，不断优化工艺程序，采取最佳的液压机结构和镦弯速比，提高锻件精度。我公司开发出NTR法全纤维曲轴弯曲镦锻专用液压机，能够压制出高品质大型曲轴锻件，推动我国大功率柴油机组制造技术赶超世界先进水平。

梁伟立，工程师，技术部项目经理，主要从事液压机的本体优化设计、机械结构设计与优化、机床模拟加工仿真等方面的工作。