内燃机曲轴锻件模具设计与数控加工∗

杨 根 林 何魏忠轩

（1.西安工程大学工程训练中心 西安 710048）（2.西安工程大学机电工程学院 西安 710048）

（3.西安北方光电科技防务有限公司 西安 710043）

1 引言

曲轴作为内燃机的重要组成零件之一，广泛应用于内燃机、汽车、船舶等行业，需求量较大。曲轴在内燃机内部主要起到传递扭矩的作用，工作环境恶劣，长期处在高压、惯性力、交变载荷冲击的工况下，主要的失效形式是连杆颈磨损、过渡处圆角裂纹以及整体的断裂和弯曲，其性能的好坏直接影响内燃机的正常运行［1～2］。因此曲轴要求应具有良好的机械性能和加工精度。

目前，曲轴锻造成形工艺的发展方向是突出精密净成形，锻造成形过程向着数字化、智能化方向发展。考虑曲轴仅主轴颈、连杆颈及台阶轴需要机械加工外，其他表面加工较少，锻造表面占到90%以上。可采用精密锻造工艺生产优质、形状复杂、高精度的曲轴锻件。此外，曲轴需要采用大批量机械自动化生产方式，这就要求曲轴锻件应具有较高的重复精度，以满足机械加工工艺的要求。UG软件在锻件模具制造方面应用包括三方面：1）锻件三维模型设计；2）锻件模具的三维造型设计；3）模具的数控加工。

考虑该曲轴锻件以上情况，该锻件采用无余量精密锻造工艺进行加工［1～2］，模具采用一模一腔的结构形式，从而获得金属流线连续且分布合理的锻件，保证曲轴具有较长的使用寿命、较高表面质量、提高材料利用率。通过UG软件完成曲轴三维模型设计、曲轴模具设计以及数控加工程序编制。借助企业现有设备，加工出满足企业要求的模具，降低模具成本，提高模具的使用寿命，保证产品的质量及生产效率［3～5］。

2 曲轴锻件三维造型及工艺分析

在UG NX10.0软件建模环境中，通过采用草图、拉伸、镜像实体等操作完成曲轴的三维造型设计，如图1所示。如图2所示为曲轴的零件图，曲轴呈轴线弯曲，细而长，且具有多拐及多个平衡块，全长截面变化较大，作为传动扭矩的重要零件，其力学性能要求高［6～7］。曲轴材料选用 49MnVS3，材质系数为M1，锻件质量为19.5kg，外形尺寸为538mm×140mm×118.1 mm。该曲轴属于水平分模的四拐曲轴，带8个平衡块，是形状较复杂的中小型曲轴，如表1所示为曲轴锻件的基本参数。

分模面位置直接关系到模具制造、锻件成形、出模及材料利用率等问题，水平分模曲轴，位置容易确定，空间分模曲轴相对就有一定难度。根据该曲轴结构形状和工艺要求，确定为水平分模，如图1所示。

图1 曲轴三维造型及分模面

为了便于锻件出模，模具需设置一定的模锻斜度，模锻斜度较小时，锻件不易取出；模锻角度较大时，增加金属的消耗和机械加工余量。因此，在保证锻件能顺利取出的前提下，模锻斜度应尽可能的取最小值。如图1所示锻件的尺寸图，可知H/B=140/118.1=1.18、L/B=583/118.1=3.22，根据表2可知该锻件模锻斜度取5°较合理。

图2 曲轴锻件图

表1 曲轴锻件基本参数

表2 模锻斜度表

锻件的复杂系数是锻件的体积与锻件外包容体的体积之比

式中Gf为锻件质量或体积；Vf为锻件外包容体的质量或体积。将表1中数据代入式（1），得到复杂系数C为0.28，根据复杂系数0.16＜C≤0.32属于较复杂锻件。此外，该零件最大宽度为140.0mm，最小宽度为24.0 mm，两者相差近5倍，突变曲面之间将阻碍金属的流动，容易产生折叠、充不满等缺陷。

3 曲轴锻模结构设计

Mold Wizard是UG NX系列软件中专门用于模具自动化设计的模块，利用该模块可以更容易、更快捷地实现产品的模具结构设计。借助Mold Wizard模块进行曲轴终锻模具的设计，其具体过程如下。

1）模具项目初始化，包括装载曲轴模型、设置收缩率、单位设置以及材料设置等；

2）设置模具装配坐标系，旋转坐标系和更改方向，保证ZC轴的正方向为开模方向，XY平面设为模具分型面；

3）设置模具收缩率，锻件冷却之后其尺寸一般小于相应模具尺寸，需将锻件收缩量补偿到模具的相应尺寸中，以得到符合设计要求的工件。

4）设置模具工件。锻模模膛应有足够的壁厚，以保证锻模在锻造强度和刚度。模具工件设计采用长方体模块，尺寸按模膛最大外形尺寸加模壁厚度确定，上下模尺寸均设置为695mm×320mm×160mm。

5）型腔布局。模膛数目及布局有一模一件、一模两件、一模多件等多种形式，根据该曲轴尺寸以及精度要求，本模具采用一模一腔的结构形式［8］，具有模膛布局紧凑，曲轴质量波动小，金属流线形好等优点。

图3 曲轴锻件的上模

图4 曲轴锻件的下模

本产品根据企业实际情况，结合产品结构特性，如图3、图4所示分别为曲轴锻件的上、下模的外形尺寸及布局形式，模具材料均为5CrNiMo。

4 锻件模具的数控加工

UG NX以CAM基础模块作为连接所有加工模块的基础，可根据现有的模具三维模型，通过选择相应的模块进行自动编程。根据点位加工编辑功能，按照用户需求进行灵活的修改和剪裁、定义标准化刀具库、加工工艺参数样板库，使用粗加工、半精加工、精加工等操作，实现数控加工。

4.1 模具加工工艺分析

模具零件在具体加工过程中，选择合适的加工工艺至关重要，其直接影响模具零件的加工精度。如图3、4所示为模具的零件图，外形尺寸为695mm×320mm×160mm，根据零件图可知零件尺寸较大、加工特征面较多、加工难度较大；同时，模具材料采用5CrNiMo，具有良好的韧性、强度和高耐磨性，属热作模具钢。加工工艺按照先粗后精、先主后次的原则，根据不同的特征面选择合适的刀具以及加工工艺参数，如表3所示为该模具加工的具体工艺路线方案［9～10］。

表3 曲轴模具数控加工工艺流程

4.2 编程及生成刀路轨迹

根据表3模具的加工工艺方案，利用UG软件的CAM模块创建加工工序，具体详细步骤如下［11～12］。

1）创建坐标系主要创建加工坐标系MCS和指定安全平面。保证加工坐标系和工作坐标系的位置和方向统一，将MCS设在毛坯上表面中心位置；安全平面设定在距离毛坯上表面20mm，避免刀具碰撞工件或夹具，如图5所示。

图5 创建MCS及安全平面

2）定义切削材料范围，包括指定部件、毛坯几何以及切削区域。

3）创建使用的刀具，定义相关刀具参数。该模具加工选用的铣刀包括 D18、D10R0.2、SD6、SD4等，创建刀具信息包括刀具类型、尺寸、材质以及刀柄尺寸等。

4）指定工艺方案，创建加工工序，生成加工轨迹。工件加工工序一般需经过粗加工→半精加工→精加工，如图6所示为上、下模型腔粗加工刀路。

5）模拟仿真加工，所有刀路轨迹生成后，通过可视化刀轨进行验证，观察刀具切除材料过程，判断切削结果是否正确、零件是否存在过切或者欠切现象，如图7所示。

图6 模具上、下模粗加工轨迹

图7 下模型腔仿真加工

4.3 后置处理过程

经NX UG10.0软件生成的刀路轨迹包含了切削刀具位置及机床控制指令的加工刀轨文件［13］，该刀轨文件不能直接驱动机床加工，需要调用专用后处理器，如图8所示。将其转换为特定机床控制器所能接受的NC程序，对刀路轨迹文件进行后置处理，自动转换为符合设备加工要求的编程代码，最后将代码程序导入对应的数控机床，加工出符合图纸要求的模具。

图8 专用后处理器及下模型腔粗加工程序

5 结语

本文结合曲轴锻件自身的结构特点，利用UG NX10.0软件的CAD建模环境完成对曲轴的三维模型设计；利用UG中的Mold Wizard模块可以快速、准确地完成曲轴锻件模具设计；利用UG软件的CAM模块完成曲轴锻件模具的数控加工，通过优化加工路线、刀路轨迹、切削参数等工艺参数，生成加工该曲轴模具的编程代码，经仿真检验无误后，直接用于指导生产实践。加工出来的模具锻造的曲轴零件性能满足使用要求，为曲轴类锻件模具设计及数控加工工艺方案提供提供一定的理论依据和参考价值，降低企业的生产成本，提高生产效率。