NTR法曲轴工艺及配套模具

文/阎达生，李立·天津二七康库得曲轴有限公司

张振纯·天津大学

NTR法曲轴工艺及配套模具

文/阎达生，李立·天津二七康库得曲轴有限公司

张振纯·天津大学

阎达生，天津二七康库得曲轴有限公司设计部部长，工程师，主要从事NTR法曲轴镦锻机的设计及曲轴工艺工作，主持完成了二七康库得60MN NTR法曲轴镦锻机成套设备设计制造，5MN曲轴校直机的设计制造。

曲轴是柴油机最重要的部件之一，大型船用柴油主机曲轴约占整机价值的15%～20%，在铁路机车、风力发电、油田上也有广泛的应用。曲轴的工作情况极其复杂，承受着扭转和弯曲的复杂应力及产生的附加应力，这就要求曲轴具有足够的疲劳强度和结构强度。面对大中型柴油机、燃气机行业的需求，提高曲轴的锻造精度，减少机加工余量，提高金属纤维连续程度，提高曲轴质量已成为曲轴锻造行业的主要任务。为了从根本上解决这一问题，天津二七康库得曲轴有限公司自主研发了全新NTR法曲轴镦锻设备及配套工艺模具。

锻造设备及工作原理

图1 NTR法曲轴镦锻弯曲液压机

目前，国际上通常在水压机上配备专用装置和模具，采用全纤维弯曲镦锻法制造大型全纤维曲轴，常用的有RR法与TR法。在此基础上，天津二七康库得曲轴有限公司自主研发了NTR法曲轴镦锻弯曲设备与配套模具。图1所示为NTR法曲轴镦锻弯曲液压机，该设备采用自主研发的双轴杆机构来实现水平镦锻力增力，在液压机中间设置独立弯曲缸用于曲拐的错拐，同时曲轴的镦锻弯曲过程中，镦锻与弯曲的速度可独立调整也是NTR法工艺所独有的技术，这样可更好的完善其工艺，使得曲轴成形精度更高。

NTR法曲轴镦锻弯曲液压机主要由主机、液压控制系统和电气控制系统几部分组成。主机机身采用整体焊接式框架结构，在机身的上横梁上安装有镦锻柱塞缸、镦锻回程缸、弯曲柱塞缸和弯曲回程缸；在机身的上下横梁间安装有活动横梁，且活动横梁上部与镦锻柱塞缸和镦锻回程缸相连，使其可沿机身上下滑动；在机身的下横梁上安装有滑轨及移动工作台，移动工作台下部装有滚轮，由电机进行传动；在移动工作台上还安装有顶出工件用的顶出缸及调整模具位置的调整缸。设备配备的模具为上下两部分对合模具，上模具固定在活动梁中，下模具固定在移动工作台的下模箱中。

NTR法镦锻弯曲工艺配合专用设备及模具，可使锻件曲轴轮廓与粗加工曲轴轮廓极其吻合，中速级曲轴最大单边余量仅为10mm，图2所示为NTR法曲轴锻件与粗加工曲轴余量对比。NTR法曲拐拐柄为椭圆形截面且桃尖的30。回转斜面直接成形。与传统RR法制造工艺相比，NTR镦锻弯曲成形的曲轴具有以下优点：⑴形状尺寸接近成品零件，加工余量小；⑵锻造纤维按曲轴形状合理分布，与受力情况相适应，质量大大提高；⑶节省了大量金属，减少了切削加工工时，提高了生产效率。

图2 NTR法曲轴锻件与粗加工曲轴余量对比

模具结构及锻造工艺

图3 所示为NTR法镦锻弯曲曲轴工艺图，红色部分为加热变形区。由于曲轴一般坯料都很长，放入模具中时易弯曲变形，故在模具后面增加支撑块防止曲轴弯曲变形。镦锻开始时，左右推块抱紧曲轴的定位环或法兰，由此产生作用力推动曲轴热变形区（图a中红色部分），使其圆棒料镦粗变形，同时上下冲头下行使坯料向下弯曲，达到图3b所示位置，单拐成形完毕。待该拐柄冷却后，加热下一拐柄位置继续镦锻，以此类推。曲轴镦锻过程中的向下胀模力由左右型腔下部承受，也就是由压机框架本身承受；向上胀模力由上冲头来承受，这样分配胀模力可使其向下镦锻力损失达到最小且不会对上下模箱闭合造成影响。

模具设计时要充分考虑法兰与曲柄的位置，图3所示的右型腔就采用后部掏空的形式避让开右侧法兰。当锻造曲轴其他拐柄时，右侧型腔及右推块应避让前面已锻造好的拐柄，由于每个拐柄的角度不同，导致了一根曲轴每个单拐在锻造过程中都需要更换不同的右侧型腔及右推块，所以每个规格的曲轴模具数量繁多。左右型腔及上下冲头在锻造过程中均与热锻件直接接触，大型曲轴的热膨胀变形会很大，因此，在进行左右型腔和上下模设计时，应结合实际曲轴的热变形量，给予模具的一定放量。图4所示为NTR法曲轴锻制现场实物图，可看出由此套工艺模具成形的曲轴飞边余量较小，曲轴成形最困难的桃圆圆角成形良好，无缺肉塌角等缺陷。

图3 NTR法镦锻弯曲曲轴工艺图

图4 NTR法曲轴锻制现场

结束语

综上所述，我厂通过长期的生产实践，不断总结经验，成功开发了NTR法曲轴镦锻压机与配套工艺，自2009年研发成功至今，天津二七康库得累计用NTR法工艺生产曲轴9000多支，平均每支曲轴相比传统TR法与RR法工艺节材25%左右，从而降低了材料占比，大幅提高了曲轴的利润，增加了市场竞争力。