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單拐曲軸多向擠壓模具的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2019-1-17 來(lái)源：北京機(jī)電研究所作者：劉麗英，石一磬，徐春國(guó)，陳鈺金，鄭建，等

摘要: 單拐曲軸多向擠壓成形較傳統(tǒng)生產(chǎn)方式大大縮短了工藝流程，實(shí)現(xiàn)了單拐曲軸的全流線(xiàn)成形，且批量生產(chǎn)對(duì)其模具設(shè)計(jì)也提出了更高的要求，針對(duì)單拐曲軸多向擠壓工藝模具的特點(diǎn)，從模具的服役環(huán)境出發(fā)，對(duì)多向模具結(jié)構(gòu)中鑲塊部分進(jìn)行分析和優(yōu)化。根據(jù)鑲塊分模面的位置不同，設(shè)計(jì)了 “窄鑲塊”和 “寬鑲塊”兩種類(lèi)型，通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，進(jìn)行了較深入的分析和對(duì)比。研究結(jié)果表明: 采用鑲塊方式設(shè)計(jì)模具具有可行性， “寬鑲塊”模具結(jié)構(gòu)具有較高強(qiáng)度和剛度;實(shí)驗(yàn)中窄鑲塊易出現(xiàn) “折痕”缺陷，而采用寬鑲塊結(jié)構(gòu)有效避免了該類(lèi)缺陷。鑲塊結(jié)構(gòu)有助于降低單拐曲軸模具制造成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞: 單拐曲軸; 多向擠壓; 鑲塊設(shè)計(jì); 鑲塊分模面; 模具設(shè)計(jì)

單拐曲軸是動(dòng)力機(jī)械中重要的傳動(dòng)構(gòu)件，主要應(yīng)用于農(nóng)用機(jī)械、小型動(dòng)力機(jī)械、園林機(jī)械等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的輸出。曲軸在工作過(guò)程中受連桿傳遞的壓力、慣性力及慣性力矩的作用，且承受交變載荷，因此，要求曲軸具有足夠的剛度和疲勞強(qiáng)度以及良好的沖擊性能。

目前，國(guó)內(nèi)外單拐曲軸主要生產(chǎn)商仍采用預(yù) 鍛、終鍛、切邊等一系列工序進(jìn) 行生產(chǎn)，該工藝材料利用率低，材料浪費(fèi)達(dá) 30% ，綜合成本較高。然而，單拐曲軸多向擠壓工藝是近年來(lái)新興的成形方法，該工藝采用楔橫軋預(yù)制坯實(shí)現(xiàn)坯料的高效精確成形，采用彎曲工藝實(shí)現(xiàn)軸頸材料的轉(zhuǎn)移，采用閉式雙向擠壓工序?qū)崿F(xiàn)最終鍛件形狀的成形，該成套工藝具有易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、產(chǎn)品精度高、材料利用率高等明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和良好的應(yīng)用前景。

1 、單拐曲軸多向擠壓成形工藝

單拐曲軸可分為主軸頸、連桿頸、平衡塊 3 個(gè)組成部分，如圖 1 所示。

主軸頸主要用來(lái)支撐曲軸，連桿頸用來(lái)安裝連桿的大頭一端，是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為循環(huán)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，連桿頸通常被制成中空，目的是為了減輕曲拐旋轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量，以減小離心力; 平衡塊的作用是平衡曲軸的離心力和離心力矩。

單拐曲軸多向擠壓成形新工藝由下料、楔橫軋制坯、壓彎、閉式擠壓工序組成，如圖 2 所示。其中，楔橫軋制坯和壓彎工序主要實(shí)現(xiàn)材料的體積分配和轉(zhuǎn)移，即楔橫軋工序精確地預(yù)分配了兩端平衡塊所需的金屬體積，并完成了主軸頸臺(tái)階軸的精確成形，壓彎工序?qū)崿F(xiàn)了平衡塊部分和連桿頸相對(duì)位置的偏心特征，閉式擠壓工序完成了兩側(cè)平衡塊部分的最終成形以及主軸頸和連桿頸部分的精整，整個(gè)工藝只有楔橫軋料頭的材料損失，材料利用率高達(dá) 90% 以上。

整個(gè)鍛造成形過(guò)程由高剛度楔橫軋機(jī)和多向模鍛液壓機(jī)兩臺(tái)設(shè)備完成，楔橫軋機(jī)的進(jìn)料、軋制、出料等自動(dòng)完成，該工藝的生產(chǎn)線(xiàn)易于實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)

2 、單拐曲軸多向擠壓模具設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，單拐曲軸多向擠壓模具主要采用上下分模，方便鍛件的放入和取出，以平衡塊形狀為基礎(chǔ)，通過(guò)左右沖頭的雙向擠壓成形兩側(cè)的平衡塊，從而實(shí)現(xiàn)單拐曲軸鍛件的少無(wú)飛邊成形。

如圖 3 所示，采用整體式上下模具的方式，該方式有效地保證了該區(qū)域模具強(qiáng)度，但由于模具磨損不可避免，需更換整體上下模具。連桿頸和左右平衡塊部分金屬流動(dòng)較為復(fù)雜，是模具磨損和熱應(yīng)力產(chǎn)生的重要區(qū)域，也是模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。

考慮到經(jīng)濟(jì)性，將平衡塊內(nèi)側(cè)部分采用鑲塊結(jié)構(gòu)代，如圖 4 所示。當(dāng)磨損嚴(yán)重時(shí)，只需更換鑲塊部分模具，從而降低模具成本。

從單拐曲軸鍛件的形狀可以看出，該零件的左右部分 ( 包括平衡塊) 是非對(duì)稱(chēng)的，連桿頸和平衡塊沿軸線(xiàn)也是非對(duì)稱(chēng)的，而從上下合模方向來(lái)看，是對(duì)稱(chēng)的。因此，設(shè)計(jì)鑲塊結(jié)構(gòu)需兼顧考慮通用和防錯(cuò)裝。

上下對(duì)稱(chēng)部分設(shè)計(jì)為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，在連桿頸和平衡塊的非對(duì)稱(chēng)方向上，連桿頸一側(cè)設(shè)計(jì)出一個(gè)寬度不一致的臺(tái)階形狀，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)防錯(cuò)安裝，如圖 5 所示。單拐曲軸多向擠壓工藝的上下模具、中間的平衡塊內(nèi)襠和連桿頸部分形成凸塊，該部位的金屬流動(dòng)劇烈，是整個(gè)模具最主要的受力區(qū)域，也是模具磨損的重點(diǎn)區(qū)域，因此，將該凸塊部位設(shè)計(jì)為鑲塊結(jié)構(gòu)，該鑲塊的寬度基本與左右方向的分模面重合，如圖 5a 示。

綜合考慮鑲塊的強(qiáng)度和鍛件的成形質(zhì)量，可將鑲塊適當(dāng)加寬，使鑲塊的寬度大于最終成形的單拐曲軸鍛件的平衡塊寬度，使平衡塊的最大輪廓部分的金屬充填過(guò)程完全在鑲塊內(nèi)完成，加寬后鑲塊部分的剛性更好，如圖 5b 所示。

前者鑲塊質(zhì)量小，加工方便，節(jié)約較昂貴的模具材料，后者強(qiáng)度和剛度較好，鍛件成形質(zhì)量更好。

3 、鑲塊的有限元分析

3. 1 模擬條件

根據(jù)上述問(wèn)題對(duì)模具鑲塊部分強(qiáng)度和剛度進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分別對(duì)窄鑲塊和寬鑲塊進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其強(qiáng)度和剛度。鑲塊采用 H13 模具鋼，200 ℃ 下材料彈性模量為 210 GPa，泊松比為 0. 3，屈服強(qiáng)度Ｒe L為 520 MPa，抗拉強(qiáng)度Ｒm為 808 MPa。由于多向模鍛液壓機(jī)兩側(cè)缸存在一定的同步誤差，故設(shè)置鑲塊與坯料接觸面的壓力為 200 k N，設(shè)置另一側(cè)的鑲塊與模具接觸為完全固定約束，底面限制一個(gè)方向的自由度，如圖 6 所示，將其離散為三維四面體二次實(shí)體單元進(jìn)行模擬。

3. 2 模擬對(duì)比結(jié)果

3. 2. 1 等效應(yīng)力對(duì)比分析

窄鑲塊和寬鑲塊的等效應(yīng)力云圖如圖 7 所示。由圖 7 可知，窄鑲塊的最大等效應(yīng)力為 765 MPa，寬鑲塊的最大等效應(yīng)力為 507 MPa。根據(jù)應(yīng)力分布區(qū)域可知，窄鑲塊的大部分區(qū)域尤其是成形連桿頸部位應(yīng)力較大，而寬鑲塊因周?chē)牧系募s束而應(yīng)力有所改善。因此，寬鑲塊強(qiáng)度較好，有效地改善了應(yīng)力分布。

3. 2. 2 鑲塊剛度分析

圖 8 為窄鑲塊和寬鑲塊的等效應(yīng)變?cè)茍D。由圖8 可知，兩者應(yīng)變分布區(qū)域相似，成形連桿頸處模具的等效應(yīng)變值較大，窄鑲塊的最大等效應(yīng)變值為0. 011，寬鑲塊的最大等效應(yīng)變?yōu)?0. 0025。為考察鑲塊在厚度方向的變形，圖 9 為鑲塊 X 方向 ( 即寬度方向) 位移圖，窄鑲塊最大位移為 0. 057 mm，寬鑲塊最大位移為 0. 0567 mm，變形量相差甚微。

圖10 為鑲塊受力面示意圖。黑色陰影部分為鑲塊與坯料接觸部分的投影，由窄鑲塊的受力可以看出，坯料在成形時(shí)，由于左右側(cè)缸不同步，產(chǎn)生的位移量為 0. 057 m，會(huì)增大模具間隙，從而會(huì)在曲軸平衡塊位置留下痕跡。對(duì)于寬鑲塊而言，由于與坯料接觸部分的投影，包含在整個(gè)鑲塊的投影范圍內(nèi)，故雖然產(chǎn)生一定的彈性變形量，但不會(huì)在平衡塊位置留下痕跡。

綜上分析可知，窄鑲塊的剛度較差，而采用寬鑲塊結(jié)構(gòu)有效地改善了剛度，且改善了單拐曲軸平衡塊位置的成形質(zhì)量。

4 、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與討論

4. 1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與模具

單拐曲軸實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用多向模鍛液壓機(jī)，其主缸最大成形力為 4000 k N，左右側(cè)缸成形力為 4000 k N，分別采用窄鑲塊和寬鑲塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)鑲塊對(duì)比如圖 11 所示。

4. 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖 12 為采用鑲塊結(jié)構(gòu)成形出的樣件。由圖 12可知，樣件成形質(zhì)量較好，驗(yàn)證了采用鑲塊結(jié)構(gòu)具有可行性，比整體式模具結(jié)構(gòu)具有綜合優(yōu)勢(shì)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，采用窄鑲塊成形時(shí)，鍛件連桿頸邊緣表面會(huì)產(chǎn)生 “折痕” 缺陷，如圖 13a 所示。而采用寬鑲塊成形時(shí)，該處成形較好，如圖13b 所示。根據(jù)有限元分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，鑲塊成形桿頸位置處的變形較大，鑲塊壓縮變形，且窄鑲塊在平衡塊內(nèi)側(cè)為接縫位置，綜合影響下，產(chǎn)生了較大的模具間隙，該間隙導(dǎo)致了 “折痕” 缺陷。而寬鑲塊變形較小，且其接縫位置遠(yuǎn)離平衡塊一段距離，包含了整個(gè)連桿頸和平衡塊部分，避免了“折痕”缺陷的產(chǎn)生。

5 、結(jié)論

( 1) 采用鑲塊結(jié)構(gòu)代替整體式模具結(jié)構(gòu)具有可行性，具有加工成本低、壽命高等綜合優(yōu)勢(shì)。

( 2) 寬鑲塊比窄鑲塊具有更高的強(qiáng)度和剛度。

( 3) 實(shí)驗(yàn)中 “折痕”缺陷主要是由于窄鑲塊寬度方向變形較大和模具接縫間隙綜合原因?qū)е拢瑢掕倝K結(jié)構(gòu)可以有效避免 “折痕”缺陷的產(chǎn)生。

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