8L5864型曲轴镦锻工艺设计研究

樊志江　孙丹凤

(1.北京赛瑞斯国际工程咨询有限公司，北京100070；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300452)



8L5864型曲轴镦锻工艺设计研究

樊志江1孙丹凤2

(1.北京赛瑞斯国际工程咨询有限公司，北京100070；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300452)

摘要：介绍了在100 MN液压机上采用TR镦锻法生产8L5864型曲轴的工艺设计和工艺参数，以及模具的设计方法，有助于曲轴的镦锻成形。

关键词：8L5864型曲轴；镦锻；工艺设计；模具

8L5864型曲轴主轴颈500 mm，中心错移值为320 mm，最大回转半径565 mm，在100 MN油压机上采用TR法进行模锻，材料选用35CrMo。8L5864型曲轴三维模型如图1所示。

图1　8L5864曲轴三维模型Figure 1　3D model of 8L5864 type crankshaft

1镦锻工艺设计

1.1镦锻坯料确定

曲轴加工采用TR模锻法，加工精度高，成品切削量小，考虑上、下、左、右四个方向的累计误差，选取锻造余量为10 mm，锻造公差为轴向±3 mm ，径向±5 mm。通过计算机三维模拟技术，精确计算后加工参数见表1。

另外，考虑到镦锻过程中的燃烧损耗等原因，选用坯料直径500 mm，拐轴直径470 mm，拐柄坯料长696.5 mm，自由端坯料长249.5 mm，法兰端坯料长544.7 mm，锻件金属烧损率选取0.05%。

表1　镦锻坯料加工参数Table 1　Machining parameters for upsetting blank

1.2工步设计及火次确定

1.2.1工步设计

第一工步：镦锻合模。该工步是为镦锻工步做定位准备，工件加热部位由模具限位，原材料外径应与模具尺寸保持一致。

第二工步：预镦。要获得拐柄外形，首先要将坯料进行预镦，以得到更大的径向截面积。

第三工步：弯曲。为防止平衡块塌角，预先将坯料预上弯，使上部坯料集中，然后下错拐轴颈得到指定的中心距。如图2所示。

第四工步：终镦成形。完全合模，轴向尺寸急剧缩小，坯料径向扩散，充满整个型腔，得到所需要的形状和尺寸。

图2　曲轴预镦弯曲示意图Figure 2　Sketch of pre-upsetting process for crankshaft

1.2.2镦锻火次顺序

TR法采用双向镦锻，镦锻火次依序为5→4→6→3→7→2→8→1→自由端→法兰。

1.3计算变形量和镦锻力

(1)变形量计算

拐柄：f0=πd2/4=3.14×5002/4=1.96×105mm2

f1=5.58×105mm2

镦锻比：k=f1/f0≈2.85

法兰端：f0′=πd2/4=3.14×5002/4=1.96×105mm2

f1′=V/H=1.06×108/170=6.29×105mm2

镦锻比：k=f1′/f0′≈3.2

式中f0，f0′——变形前坯料截面积；

f1，f1′——变形后坯料截面积；

d——变形前坯料直径；

V——坯料体积；

H——变形后坯料轴向长度。

(2)镦锻力计算

初始镦锻力：P=pA=pF0=50×1.96×105=9.81×106N

拐柄最大镦锻力：P1=pA=pF1=50×5.58×105=2.79×107N

法兰最大镦锻力：P2=pA=pF1′=50×6.29×105=3.14×107N

式中p——单位面积变形抗力，p=50 MPa。

图3为曲轴镦锻过程的变形量和镦锻力时间曲线。

图3　变形量与镦锻力随时间变化曲线

2镦锻模具设计

全纤维曲轴弯曲镦锻一般是在液压机上配备专用模具进行生产，镦锻装置通常左右各一套，而且以分模面为中心上下对称排列，大致可以分为模座、模块和冲头三部分。图4为100 MN液压机配套下冲头式样。

图4　曲轴镦锻模具下冲头Figure 4　Lower punch of upsetting die for crankshaft

模座的上下两个箱体相互间凹凸配合，内设多个圆环状模槽，用以排布不同的模块。压机工作时，模座将压机垂直力转变为水平力，并推动模块一起运动。TR法是将活动梁与上模座用肘杆连接起来，利用肘杆的转动转化成水平镦粗力。在镦锻过程中，随着肘杆与竖直方向的夹角A的逐渐增大，水平镦粗力不断增大。

模块按作用可以分为成型模块、定位模块和支撑块。成型模块放置于模座前侧，主要用来限制锻件金属的流动，能够促进成形；另外还提供镦锻中后期的水平镦锻力。定位模块的作用是控制曲轴坯料的长度和位置，从而控制单拐的坯料量和准确入模，并提供镦锻初期的水平镦粗力。

冲头主要用来进行弯曲错拐，并对曲柄平衡块的形状加以控制。

2.1模膛设计

模膛形状与尺寸按锻件图进行设计，分模面选择在截面最大尺寸处。

飞边槽桥部宽度：b=(3～5)H=40 mm

模膛壁厚：S=(1～2)H

式中f1——变形后坯料轴向投影面积；

H——模膛深度；

锻件收缩率取1.5%。

2.2模具材料及外形尺寸

热模具材料选用5CrMnMo或3Cr2W8V，冷模具材料选用35CrMo或45。模具外形尺寸应根据模箱内腔进行设计。

2.3确定各火次工艺参数

(1)第1～8火次镦锻开档尺寸1 709 mm，终镦合模尺寸770 mm，错移中心距320 mm。

(2)自由端开档尺寸775 mm，终镦合模尺寸

400 mm，工艺余料尺寸300 mm。

(3)法兰端终镦开档尺寸775 mm，终镦合模尺寸400 mm。

2.4加热温度与润滑

坯料采用中频加热，加热温度为1 150～1 200℃。热脱模剂选用水基石墨。

3结束语

大型全纤维曲轴的锻造质量受工艺和模具的影响很大，工艺不合理或模具尺寸偏差都会导致锻造尺寸不精确，甚至无法成形。通过对8L5864曲轴锻造工艺的设计和工艺参数制定以及模具设计，对大型曲轴的制造提供借鉴。

参考文献

[1]张志文.锻造工艺学.北京：机械工业出版社，1983: 5.

[2]万煦义．大中型全纤维曲轴锻造方法的探讨．大型铸锻件，2006(3)：45-52.

编辑杜敏

Research on Upsetting Process Design of 8L5864 Type Crankshaft

Fan Zhijiang,Sun Danfeng

Abstract：The process design and process parameters of 8L5864 type crankshaft manufactured by means of upsetting process on 100 MN hydraulic press have been introduced,as well as the design method of die,so as to be contributed to the upset forging process of crankshaft.

Key words：8L5864 type crankshaft;upsetting;process design;die

收稿日期：2015—12—30

作者简介：樊志江(1982—)，机电工程师、注册监理工程师，从事大型全纤维曲轴锻造研究和曲轴镦锻模具设计。电话：13820229968

中图分类号：TG316

文献标志码：B