曲轴的锻造工艺分析.doc

曲轴的锻造工艺分析薛广记(济南大学 机械工程学院，山东 济南 250022）摘 要：以微车内燃机用曲轴的成形工艺开发为目的，通过对比各种曲轴加工方法，分析复杂多拐曲轴零件锻压成形可行性及工艺难点，最终确定了锻压成型工艺方案。关键词：锻压；曲轴；工艺分析中图分类号：T 文献标志码：AThe Analysis of the Technology of Crankshaft Forging XUE Guang-ji(School of Mechanical Engineering , University of Jinan, Jinan250022，China)Abstract: In internal combustion engine crankshaft minicar with the forming process of development for the purpose, by comparing the various crankshaft machining method, this paper analyzes turn more complex crankshaft parts forging forming feasibility and technology difficulty, final forging forming process program. Keywords: forging；crankshaft；process analysis 曲轴是汽车发动机中的重要零件，它与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转的动力，传给底盘的传动机构，同时，驱动配气机构和其它辅助装置。 曲轴在工作时，受气体压力，惯性力及惯性力矩的作用，受力大而且受力复杂，同时，曲轴又是高速旋转件，因此，要求曲轴具有足够的刚度和强度，具有良好的承受冲击载荷的能力，耐磨损且润滑良好。曲轴在使用过程中的主要损坏形式有如下两种：一是疲劳断裂先在轴颈和圆角处产生疲劳裂纹然后向曲柄深处发展，造成曲轴断裂也有少数曲轴先在轴颈中部的油道内壁产生裂纹发展为曲轴断裂；二是轴颈表面的严重磨损(尤以连杆轴颈为甚)。所以，曲轴主要应有较高的疲劳强度和良好的耐磨性。对于曲轴的加工可以采用铸造或锻造。相比之下，铸造可以一次成型，锻造需要锻打，他们的后续热处理方式也有区别。铸造成性相对容易，锻造成型工艺要复杂，不过近些年的技术发展，大型水压机的出现，使得200kg以内工件的锻造成为可能，自由锻和热模锻的工艺不断完善，可以使锻造成型也比较容易。从内部组织看，铸造组织没有锻造组织性能稳定，铸造会有一系列砂眼，疏松，偏析等缺陷；锻造组织能做到均匀，把原材料缺陷组织缺陷消除等等。为了得到机械性能较好的曲轴，我们采用冲压工艺来锻造曲轴。1曲轴的结构及其特点曲轴的零件图如图1所，总长约560mm。胚件经计算约为50kg。曲轴一般由主轴颈，连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成。一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐，曲轴的曲拐数目等于气缸数(直列式发动机)；V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。图1曲轴示意图主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座中。主轴承的数目不仅与发动机气缸数目有关，还取决于曲轴的支承方式。 CSiMnPSVCrMoNi0.44-0.540.15-0.600.60-1.00.0350.045-0.0650.08-0.130.300.080.040Cr + Ni+ Mo 0.0 6连杆轴颈是曲轴与连杆的连接部分，在连接处用圆弧过渡，以减少应力集中。曲柄是主轴颈和连杆轴颈的连接部分，断面为椭圆形，为了平衡惯性力，曲柄处铸有(或紧固有)平衡重块。平衡重块用来平衡发动机不平衡的离心力矩，有时还用来平衡一部分往复惯性力，从而使曲轴旋转平稳。曲轴前端装有齿轮，驱动风扇和水泵的皮带轮以及起动爪等。为了防止机油沿曲轴轴颈外漏，在曲轴前端装有一个甩油盘，在齿轮室盖上装有油封。曲轴的后端用来安装飞轮，在后轴颈与飞轮凸缘之间制成挡油凸缘与回油螺纹，以阻止机油向后窜漏。2 材料的选择及材料性能21 材料选择49MnVS3钢为中高碳、钒微合金化的含硫易切削高韧性非调质钢, 有良好的机械性能, 相当或优于中碳调质钢, 可省略淬一回火、校直、消除应力回火工序,能避免淬火废品, 节约热能。原西德Gerlaeh厂,1985年已生产非调钢曲轴70多万件, 日本丰田轿车曲轴全由非调质钢制造, 性能较好。与中碳低合金钢相比, 非调质钢具有以下优点(1) 可免去热处理工序(淬火+回火)费用。由于少一道热处理工序, 可减小变形量和脱碳层, 提高产品质量, 缩短生产周期。(2) 由于不进行热处理工序, 故可减少一道校直工序。(3) 具有较好的加工性能和较高的疲劳强度。在我国发展发动机曲轴用非调质钢, 不仅节约大量外汇, 而且也可提高技术水平。以该材料在汽车发动机曲轴的应用为先导,在国内推广此节能材料, 具有很大的意义2。2材料性能211 化学成分化学成分见表1 。 表49MnVS3钢的化学成分2.1.2机械性能把边长为86mm的方钢锻成65mm试样(加热温度1230士25, 终锻温度1125士20), 然后在静止空气中冷却。其强度为0.2450MPa ,b=780一900MPa。2.1.3金相组织金相组织为珠光体+ 铁素体。3 曲轴锻造工艺分析曲轴零件图如图1所示，对于这种复杂的多拐零件，若采用机械加工的方法来加工，不仅材料利用率低，达不到强度要求，而且生产率低。曲轴的材料为49MnVS3，这种材料无法采用铸造成型，只能用模锻的方法成型。虽然模锻生产效率较高，但对于外形如此复杂的零件，如果聚料不均，很容易产生折叠和充不满等锻造缺陷。故这种多拐类曲轴的成型工艺相对复杂，模具设计与制造的难度也较大。3.1曲轴的锻压工艺特点该曲轴除了具有一般锻压件的锻压规律外，也有它的工艺特点，主要包括形状复杂，及技术要求高，针对这些特点应采取相应的措施，分析如下：(1)形状复杂：曲轴主轴颈与连杆轴颈不在同一轴上线，偏心距有一定的尺寸要求，并且两轴有较高的位置度要求，同时主轴颈与连杆轴颈间有较大的平衡块。因此在工艺设计中应解决以下问题：为了使曲轴成型时不产生折叠，就要在弯曲前加一道滚挤工序。(2)技术要求高曲轴技术要求较高，加工面多，需要保证的尺寸、形状、位置精度较多。加工时应要解决以下问题：拐的精度，直接影响到对凸轮运动的控制，为保证零件的成型质量，在终锻前加一道预锻工序。3.2曲轴的加工工艺方案分析及确定在锻造中，常用棒材作为坯料，分模面的选择考虑到方便出模，采用上下对称的直线分模。为了使曲轴成型时不产生折叠，就要在弯曲前加一道滚挤工序，进行制胚；拐的精度，直接影响到对凸轮运动的控制，为保证零件的成型质量，在终锻前加一道预锻工序。由于开式模锻会产生毛边，最后进行切边。对于零件两头的轴有装配要求，要进行机械加工1。3.2.1 曲轴精锻注意事项采用少无氧化加热坯料, 在防氧化介质中冷却锻件, 以防止二次氧化。采用切边校正复合模,控制减小曲轴关键部位即平衡块所受的切边变形。严格控制模具温度、模具硬度、润滑条件等, 延长模具磨损失效周期。3.2.2 终锻件设计注意事项平衡块无相位角度, 故选取中部对称平面作为分模面。曲轴锻件机加工余量: 轴向3mm, 主轴颈单边2.5mm, 连杆颈单边2.5mm, 平衡块勿需机加工余量, 曲轴轴向公差0.3mm。模锻斜度一般为27, 本设计采用顶杆将锻件顶出, 故模锻斜度还可减小, 取值2.5。根据相关资料及实际使用效果确定凸凹圆角半径均为3mm。热锻件尺寸在冷锻件尺寸基础上加放热膨胀系数, 曲轴材料49MnVS3的热膨胀率1.2%1.5%。33.2.3 预锻件设计注意事项预锻件圆角要比终锻件的大, 目的是减小金属流动阻力, 同时防止产生折叠。在打击方向, 预锻件未注凹圆角( 预锻型腔凸圆角) 均在终锻件圆角上加5mm, 水平面上拐角处圆角半径也适当增大。预锻件的拔模斜度与终锻件一致。预锻件设计工艺连皮确保在终锻时有多余的金属向高度方向流动以充满模膛。连皮设计在预锻件平衡块的内侧, 设计连皮厚度15mm, 经模拟验证能够确保终锻件完全充满。33.2.4 滚挤方式选择根据滚挤方式的不同，我们有三种方案，分别为： 方案一：采用滚锻方式分料制坯图2滚锻示意图示意图如图2所示。该方案是将棒料毛坯置于与模具辊轮相垂直位置，通过辊压分料。 方案二：采用楔横轧方式分料制坯图3楔横轧示意图1. 楔块辊子 2.工件 3.定位快示意图如图3所示。该方案是将棒料毛坯置于与模具辊轮相平行位置，通过挤压分料。 方案三：采用锻压方式分料制坯图4模锻示意图示意图如图4所示。该方案是将棒料毛坯置于模膛中，工件经上下模膛锻压充满型腔进行分料。为了减模具的使用，方便将滚挤、弯曲、预锻、终锻集中在一个模具体上，减少成本，我们采用方案三。4 结论经过从产品质量、效率、设备、寿命、成本等方面综合考虑。最终确定曲轴的主图5模膛示意图要成型工艺：下料加热滚挤弯曲预锻终锻切边机械加工。其