安阳锻压

曲轴锻造缺陷分析及解决方案2018-06-20 11:17:28

 

曲轴 
图1 曲轴锻件三维模型
改进前状态及产生因素
锻件厚度尺寸超差严重
D2876曲轴锻件各轴颈与切边痕垂直方向的尺寸超差严重;锻件要求的主轴颈尺寸为φ114+2.5 -1.8mm,而实际生产出的锻件通过测量统计主轴颈尺寸一般在φ119mm左右,超上差最大为3mm。
通过不断跟踪生产现场,测量切边后的毛边厚度尺寸,确定造成锻件各轴颈与切边痕垂直方向的尺寸超差的主要原因为:⑴模具成形导轨间隙为2mm,间隙过小易导致锻件打不靠(图2);⑵部分曲柄处的原材料过大;⑶大小头处的毛边过大。以上三点造成锻件无法打靠,从而导致锻件切边痕垂直方向的尺寸超差严重。
曲轴剖图 
图2 成形导轨间隙
曲轴柄块不易充满
如图1所示,该曲轴为六缸八平衡块结构,而平衡块形状如图3所示,平衡块宽度为24mm,总高度已达到164mm。因此,其平衡块在单扇模具的模膛高宽比约为3.5。
模膛高宽比已达到3.5,将很大程度上影响平衡块最后能否充满模膛;而对于六缸八配重块曲轴来说,最中间的6、7平衡块最难充填,在整个曲轴锻打的过程中6、7平衡块最后充满模膛。在实际生产过程中,为使曲轴6、7平衡块能够充满,每件曲轴所锻打的锤数在45锤左右,严重影响模具的使用寿命。
曲轴柄块.jpg 
图3 柄块宽度与高度
材料利用率低
该曲轴的工艺路线为下料→锻造→热处理→清理。因年需求量较大,此曲轴采用倍尺定料。其锻件重量为137kg,而下料重量为183kg。据此计算,该曲轴的材料利用率为74.8%。与同结构曲轴锻件相比,材料利用率属于偏低,造成这种结果的主要原因为:⑴客观原因。锻件平衡块半径过大已达到R120mm;⑵主观原因。直棒料加热后直接锻造成形工艺,造成3、4、9、10曲柄处料过多,多余的原材料转化为毛边。
锻件连杆径易出折叠伤
该曲轴的回转半径为R83mm,此前公司开发的所有民品曲轴其回转半径都不超过R70mm,其连杆径也不过为φ102mm,因此原材料的规格大小直接影响1、3、4、6拐连杆径能否充满型腔,同时也影响到在材料运动过程中能否避免出现折叠伤。
曲轴产生折叠伤机理.jpg 
图4 产生折叠伤机理
如图4所示,当上模向下移动时,原材料的一部分料充满连杆径型腔。在充满型腔的过程中,材料会先向无阻力的方向上流动(图4中标记位置),而不是沿着模膛形状流动,连杆径内侧产生空腔,当受到外侧模膛阻力后,才开始充满连杆径内侧空腔。故原材料规格过小,连杆径内侧产生的空腔会过大而产生折叠伤。
改进过程及改进后状态
调整模具过桥及仓部结构
根据曲轴锻件在终锻时无法打靠,使得生产的锻件厚度尺寸超上差的实际情况入手,采取以下两点措施:
⑴将各平衡块及曲柄处的成形导轨的间隙2mm调整至4mm(图5)。加大成形导轨间隙的主要作用是锻件在锻打的过程中,金属在充满模膛后,根据最小阻尼定律多余金属易向仓部流动,减少锻件的锻打锤数,有效地解决了锻件无法打靠的问题。
曲轴锻造缺陷.jpg 
图5 改后成形导轨间隙
⑵将大小头处的仓部深度尺寸加大(图6)。优化前单扇模具的整体仓部高度尺寸为15mm,因大小头原材料过大,在锻件锻打后期,大小头的毛边充满仓部,甚至有的锻件打到分模面上,使得锻件无法打靠;为此特将大小头的仓部高度尺寸更改为22mm,局部加深大小头仓部尺寸。
通过以上两点优化模具,在生产过程中测量各轴颈尺寸,完全符合图纸要求,有效解决了锻件打不靠,轴颈超差影响曲轴动平衡问题。
曲轴锻造缺陷解决.png 
图6 局部加深仓部
优化模具边缘圆角
在锻件生产过程中,生产班组总是反应锻件6、7平衡块不易充满模膛,造成大量的补焊。通过观察坯料温度、操作方法、模具状态及锻件的充满过程等,排除其他因素后,最终确定是模具局部边缘圆角过小所致,故现场直接打磨模具后继续生产,观察锻打出的曲轴锻件6、7平衡块能够很好的充满模膛。后续对图纸和三维数模进行了固化,改后模具裆部圆角如图7所示。
曲轴锻造缺陷解决办法.png 
图7 更改后的裆部冲头
增加滚锻制坯工序
此项曲轴的材料利用率与同结构曲轴锻件相比偏低,故需增加滚锻制坯工序来提高其材料利用率,达到降低原材料成本的目的。
为了保证工人的可操作性、工艺的可行性、生产的安全性、产品的稳定性等要求,由于下料规格较大,人工不易操作,须采用翻料机进行翻料。若采用军品曲轴滚锻及压弯等模膛形式,必须增加剁头工序,不仅增加了原材料的长度、降低了产品的材料利用率,同时,增加了剁头工序,也降低了生产效率。为此,该曲轴的滚锻模不能按传统的滚锻模膛进行设计,必须打破固有的设计思路,一方面保证产品终锻时的要求,另一方面保证产品的材料利用率和生产效率。
针对上述问题最终设计的滚锻具如图8所示,并应用Deform三维数值模拟软件进行验证,为使模拟结果最大可能的体现实际生产的真实性,在模拟时设置和选用的参数为锤上模拟参数,模拟过程如图11所示。
曲轴辊锻制坯 
曲轴锻造制坯.png 
图8 辊锻模
曲轴锻造制坯模拟 
图9 辊锻模拟结果
为验证滚锻模膛设计是否正确,同样需要应用Deform三维数值模拟软件进行验证,为节省模拟时间和计算工步,特选取该曲轴具有代表性的一节进行模拟,模拟时设置和选用的参数也为锤上模拟参数,模拟结果如图10所示。
曲轴锻造模拟 
图10 终锻模拟结果
局部优化连杆径结构
曲轴锻件在充满型腔的过程中,材料根据最小阻尼定律首先会向无阻力的方向上流动,而不是沿着模膛形状流动,连杆径内侧产生空腔,当受到外侧模膛阻力后,才开始充满连杆径内侧空腔。故原材料规格过小,连杆径内侧产生的空腔会过大而产生折叠伤。
为了使金属尽可能的沿模膛形状流动,所采取的措施是在生产D2876曲轴时,将连杆径与裆部冲头连接处的圆角磨大,并跟踪后续生产的曲轴。经磁粉探伤后,个别仍有折叠伤,将裂纹垂直方向打断后,裂纹深度有1.5mm左右。因此,需对此处做进一步调整。
经过几次调整,将连杆径上模的裆部冲头改为图11结构:连杆径与裆部冲头采用大斜面过渡,此结构主要是为了在锻造曲轴过程中,坯料在充满模膛之时,坯料的流动方向尽可能沿着模膛壁方向流动,使上模坯料与模膛之间的空腔最小化,从而减小锻造折叠伤的出现。
曲轴锻造缺陷解决方案 
图11 连杆径处改后结构
结论
通过一段时间的工艺工装和模具制造等方面的准备,本文所述曲轴采用优化后的锻造工艺进行生产时,对试生产的过程进行全程跟踪,观察到金属完全能够充满预锻模膛。对锻件成品进行全尺寸测量,证实锻件能够满足图纸要求。证明该滚锻模设计合理、可操作性强,能够完全满足生产,有效的解决了连杆径产生锻造折叠伤的顽固性缺陷。
 
参考文献来自-《锻造与冲压》
[!--show.listpage--]