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單拐曲軸多向擠壓模具的設計與（yǔ）優化

2019-1-17 來源：北京機電研究所作者：劉麗英，石一磬，徐春國，陳鈺金，鄭（zhèng）建，等

摘要: 單拐曲軸多向擠壓成形較傳統生產方（fāng）式大大縮短了工藝流程，實現了單（dān）拐曲軸的全流線成形，且批量（liàng）生產對其模具設計也提出了更高的要求，針對單拐曲軸多向擠壓工藝模具的特點，從模具的服役環境出發，對多向模具結構中鑲塊部分進行（háng）分析和優化。根據鑲塊分模麵的位置（zhì）不同，設計了 “窄鑲塊”和 “寬鑲塊”兩（liǎng）種類型（xíng），通過（guò）數值模擬和實驗驗證的方法，進行了較深入的分析和對比。研究結（jié）果表明: 采用鑲塊方式設計模具具（jù）有可（kě）行性， “寬鑲塊”模具結構具有較高強度和剛度;實驗中窄鑲塊易出現 “折痕”缺（quē）陷，而采用寬鑲塊結構有效避免了該類缺陷。鑲塊結（jié）構有助（zhù）於降低單拐曲軸模具製（zhì）造成本和（hé）提高產（chǎn）品質（zhì）量。

關鍵詞: 單拐曲（qǔ）軸; 多向擠壓; 鑲塊設計; 鑲塊分（fèn）模麵; 模具設（shè）計（jì）

單（dān）拐曲軸是動力機械（xiè）中重要的傳動構件，主要應用於農用機（jī）械、小型動力機械、園林（lín）機械等設備，實現動力（lì）的輸出。曲軸在工作過程中受（shòu）連杆傳遞的壓力、慣性力及慣性力矩的（de）作用，且承（chéng）受（shòu）交變載荷，因此，要求曲軸具有足（zú）夠的剛度和疲勞強度以及良好的衝擊性能。

目前，國內外單拐曲（qǔ）軸主要生產商仍采用預鍛、終鍛、切邊等一係列工序進行生產，該工藝材料利用率低，材料浪費（fèi）達 30% ，綜合成本較高。然而，單拐曲軸多向擠壓工藝是近年來新興的成形方法，該工藝采用楔橫軋預製坯實現坯料（liào）的高效精確成形（xíng），采用彎曲工藝實現軸頸材料的（de）轉移，采（cǎi）用閉式雙（shuāng）向擠壓工序實現最終鍛件形狀的成形，該成套工（gōng）藝（yì）具（jù）有易於實現（xiàn）自動化、產品精度高、材料利用率高等（děng）明（míng）顯的技術經濟優勢和良好（hǎo）的應用前景。

1 、單拐（guǎi）曲軸多向擠壓成形工藝

單拐曲軸可分為主軸頸、連杆頸、平衡塊 3 個組成部分，如圖 1 所示。

主軸頸主要用來支撐曲軸，連杆頸用來安裝連杆（gǎn）的大頭一端，是將活塞（sāi）的往複（fù）運動轉化為（wéi）循（xún）環旋轉運動，連杆頸通常被製成中空，目的是為了減輕曲拐旋轉部分的（de）質量，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（xià）料（liào）、楔橫軋製坯、壓彎、閉式擠（jǐ）壓工序組（zǔ）成，如圖 2 所示（shì）。其中，楔（xiē）橫軋製坯和壓彎工序主要實現材料的體（tǐ）積分（fèn）配和轉移，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，並完成了主軸頸台階軸的精確（què）成（chéng）形，壓（yā）彎工序實（shí）現了平衡塊（kuài）部分和連（lián）杆（gǎn）頸相對（duì）位置的偏（piān）心特征，閉式擠壓工序完成了兩側平衡塊部分的最終成形以及主（zhǔ）軸頸和（hé）連杆頸部分的（de）精整，整個工藝隻有楔橫軋料頭的材料損失，材料利用率高達 90% 以（yǐ）上。

整個鍛造成形過程由高剛度楔橫（héng）軋機（jī）和多向模鍛液壓（yā）機兩台設備（bèi）完成，楔橫軋機的進料、軋製、出料等自（zì）動完成，該工（gōng）藝的（de）生產線易於實現全自動生產

2 、單拐曲軸多向擠壓模具設計

根據產品特點，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，通過左右衝頭的雙向擠壓成形兩側的平衡塊，從（cóng）而實現單拐曲軸鍛（duàn）件的少無飛邊成形（xíng）。

如圖（tú） 3 所示，采用整體式上下（xià）模具的方式（shì），該方式有效地保證了該區域（yù）模具強度，但由於（yú）模具磨損不可避免，需更換整體上下模具。連杆頸和左（zuǒ）右平衡塊部分金屬流（liú）動較為複雜，是模具磨損和熱應力產生的重要區域，也是模具設計的關鍵部分。

考慮到經濟性，將平衡（héng）塊內側部分采用鑲塊結構代，如圖 4 所示。當磨損嚴重時，隻需更換鑲塊部分模具，從（cóng）而降低模具成本。

從單拐（guǎi）曲軸鍛件的形狀可以看出，該零件的左右部分 ( 包括平衡塊) 是非對稱的，連（lián）杆頸和平衡塊沿軸線也是非對稱的（de），而從上下合模方向來看，是對稱（chēng）的。因此，設計鑲塊結構需兼顧考慮通用和防錯裝。

上下對稱部分設計為對稱結構，在連杆頸和平衡塊的非對稱方向上，連杆頸一側（cè）設計出一個寬（kuān）度不一致（zhì）的台階形狀，以實現自動防錯安裝，如圖 5 所示。單（dān）拐曲軸多（duō）向（xiàng）擠壓（yā）工藝（yì）的上（shàng）下模具、中間（jiān）的平衡塊內襠和連杆頸部分形成凸塊，該部位的金屬流動劇烈，是（shì）整個（gè）模具最主要的受力（lì）區域，也是模具磨損的重點區域，因此，將該凸塊部位設計為鑲塊結構，該鑲塊（kuài）的寬度基（jī）本與左右方向的分模麵重合（hé），如圖 5a 示。

綜合考慮（lǜ）鑲塊的強度和鍛件（jiàn）的成形質量，可將鑲塊適當（dāng）加寬，使鑲塊的寬度大於最終成形（xíng）的單拐（guǎi）曲（qǔ）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程完全在鑲塊內完成，加寬後鑲塊部分的剛性更好（hǎo），如圖 5b 所示。

前者鑲塊質量小，加工方便，節約較昂貴的模具材料，後者強度和剛度較好，鍛件成形質量更好（hǎo）。

3 、鑲塊的有限元分析

3. 1 模擬條件

根據上（shàng）述問題對模具（jù）鑲塊部分強度（dù）和剛度進行數值模擬分析，分別對窄鑲塊和（hé）寬鑲塊進行數值模擬，分析其強度和剛（gāng）度。鑲塊采用 H13 模具鋼，200 ℃ 下材料彈性模量為（wéi） 210 GPa，泊鬆比為 0. 3，屈（qū）服強度Ｒe L為 520 MPa，抗拉強度Ｒm為 808 MPa。由於多向模鍛液壓機兩側缸存在一定的同步誤差，故設置鑲塊與坯料接觸麵的壓力為 200 k N，設置另（lìng）一側的鑲塊與（yǔ）模具（jù）接觸為完全固定約束，底麵限製一個方向的自（zì）由度，如圖 6 所示，將其離散為三維四麵（miàn）體二（èr）次實體單元（yuán）進行模擬。

3. 2 模擬對比結果

3. 2. 1 等效應（yīng）力對比分析（xī）

窄鑲塊和寬鑲塊的等效應力雲圖如圖 7 所示。由圖 7 可知，窄（zhǎi）鑲塊（kuài）的最大等效應（yīng）力為 765 MPa，寬鑲塊的最大等效應力為（wéi） 507 MPa。根據應力（lì）分（fèn）布區域可知，窄（zhǎi）鑲塊的大部分區域尤其是成形（xíng）連杆（gǎn）頸部位應力較大，而寬鑲塊因周圍材料的約束而應力有所改（gǎi）善。因此，寬鑲塊強度（dù）較好，有效地改善了應力分布。

3. 2. 2 鑲塊剛（gāng）度分析

圖 8 為窄鑲塊和寬鑲塊的等（děng）效應（yīng）變雲圖。由圖8 可知，兩者應變分布區域（yù）相似，成形連杆頸處模（mó）具的等效（xiào）應（yīng）變值較大，窄鑲塊的最大等效應變值為0. 011，寬鑲塊的最大等效應變為 0. 0025。為考察鑲（xiāng）塊在厚度方向的變形，圖 9 為鑲塊 X 方向 ( 即寬度方（fāng）向) 位移圖，窄鑲（xiāng）塊最大位移為（wéi） 0. 057 mm，寬鑲塊最大位移為 0. 0567 mm，變形量相差甚微。

圖10 為鑲塊受力麵示意圖。黑（hēi）色陰影部分為（wéi）鑲（xiāng）塊與坯料（liào）接觸部分的（de）投影，由窄鑲塊的受力可以看出，坯料在成形時，由於左右側缸（gāng）不同（tóng）步，產生的位移（yí）量為 0. 057 m，會增大模具間隙（xì），從而會在（zài）曲軸平衡塊位置留下痕跡。對於寬（kuān）鑲塊而言，由於與坯料（liào）接觸（chù）部分的投（tóu）影（yǐng），包（bāo）含在整個鑲塊的投影範圍內，故雖（suī）然產生一定的彈性變（biàn）形量，但不會在（zài）平（píng）衡（héng）塊位置留（liú）下痕跡（jì）。

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

4 、實驗驗證結果與討論

4. 1 實驗設備（bèi）與模具（jù）

單拐曲軸實驗設備采用多向模鍛液（yè）壓（yā）機，其主缸（gāng）最大成（chéng）形力為 4000 k N，左右側缸成形力為 4000 k N，分別采用窄鑲塊（kuài）和寬鑲塊進行實驗，實驗（yàn）鑲塊對比如圖 11 所（suǒ）示。

4. 2 實驗結果與討論

圖 12 為采用鑲塊（kuài）結構成形出的樣件。由圖 12可知，樣件成（chéng）形質量較好，驗證（zhèng）了采用鑲塊結構具有可行性，比整體式模具（jù）結構具有綜合優勢。

實驗過程中發現，采用窄鑲塊成形時，鍛件連杆頸邊緣表麵會（huì）產生 “折痕” 缺陷，如圖 13a 所示。而采用寬鑲塊成形時，該處成形較好（hǎo），如（rú）圖13b 所示。根據有（yǒu）限元分析和實驗驗（yàn）證可知，鑲塊成形杆頸位（wèi）置處的變（biàn）形較大，鑲塊壓（yā）縮變形，且窄鑲塊在平衡塊內側為接縫位置，綜（zōng）合影響下，產（chǎn）生了較（jiào）大的模具（jù）間隙，該間隙導致了 “折痕” 缺陷。而（ér）寬鑲塊變形（xíng）較小，且其接縫位置遠離（lí）平衡塊一段距離，包含了整個連杆頸和（hé）平衡（héng）塊部分，避免了“折痕”缺陷的產生。

5 、結論

( 1) 采用鑲塊結構代替整體式（shì）模（mó）具結構具有可行性，具有加工成（chéng）本低、壽命高（gāo）等綜合優勢。

( 2) 寬鑲塊比窄（zhǎi）鑲塊具有（yǒu）更（gèng）高的強度和剛度。

( 3) 實驗中 “折痕”缺陷主要是（shì）由於窄鑲塊寬（kuān）度方向變形較大和模具接縫間隙綜合原因導致（zhì），寬鑲塊結構可以有效避免 “折痕”缺陷的產生。

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