摘要:討論了采用楔橫軋精密制坯,摩擦壓力機精密模鍛成形生產摩托車曲柄的新工藝,此工藝具有生產效率高、鍛件質量好、節材等諸多優點,值得在該領域推廣應用。
關鍵詞:楔橫軋;精密鍛造;曲柄
一、前言
近年來,我國摩托車行業獲得了長足的發展,1996年摩托車產量已達1000萬輛,成為世界上最大摩托車生產國。曲柄是摩托車發動機內的關鍵傳動部件,對其性能要求較高,只有采用鍛造的方法,才能滿足其性能要求。
舊的曲柄生產工藝多為:火焰爐加熱、空氣錘手工制坯、摩擦壓力機成形。由于采用空氣錘手工制坯,普遍存在生產效率低、鍛件質量不容易保證、工人勞動強度大等缺點,難以滿足當前行業的需求,迫切需要一種新的高效生產工藝提供高質量的鍛坯。
楔橫軋是高效成形精密階梯軸類件的新工藝,與傳統模鍛相比,生產率是傳統模鍛的2~5倍,材料利用率提高10%~35%,模具壽命提高10倍以上。自60年代興起以來,經過眾多學者的研究與生產廠家的應用,其技術已日臻完善,近年來在汽車、摩托車、內燃機等行業得到了廣泛的應用,顯示出了綜合技術經濟優越性。
二、楔橫軋精密制坯工藝設計
摩托車曲柄的規格很多,本文以TB50曲柄為例,討論其成形過程及設計技術。根據TB50曲柄的鍛件圖(如圖1所示),經體積計算設計如圖2的楔橫軋毛坯圖。由于楔橫軋工藝可以有較高的精度,桿部可以由楔橫軋直接成形,頭部由模鍛成形,從而可以大大提高材料利用率。
圖1曲柄鍛件圖
該楔橫軋工藝采用一模兩件軋制,這樣可以保證軋制具有良好的工藝性,且有較高的生產效率。
圖2曲柄楔橫軋毛坯圖
軋件最大的斷面縮減率為η=1-(d/D)2=1-(16.5/40)2=83%,已超過楔橫軋工藝的一次軋制的極限斷面縮減率75%,故應分兩次軋制。第一次軋制后的中間直徑取Φ28,其斷面縮減率為51%,第二次軋制分別成形Φ23處圓柱部分(斷面縮減率為33%)和Φ16.5處的圓錐部分(33%~65%)。由于左右曲柄利用一副模具生產,故楔橫軋模具為非對稱模具。第一次軋制Φ28段時可以采用對稱軋制,第二次軋制時采用不同的成形角以平衡軸向力,利用楔入分料點偏置的方法保證左右變形的同步。楔橫軋制坯模具簡圖如圖3所示。
考慮到左邊的瞬時壓下量大于右邊的瞬時壓下量,所以兩邊采用不同的成形角以平衡軸向力,左邊的成形角取28°,右邊的成形角取30°。
圖3楔橫軋模具簡圖
在楔橫軋工藝設計中,如果采用兩次軋制工藝,必然在第一次軋制的基圓與第二次軋制的基圓間存在一過渡臺肩。臺肩設計不合理,可能會使此臺肩對第一次軋制時留下的頭部造成擠壓,從而在頭部和桿部聯接處產生折疊。如果折疊嚴重,會使模鍛時在該部位產生折疊缺陷,形成廢品。因此,這一臺肩的正確設計可以確保在軋制過程中此臺肩與頭部不發生干涉。
圖4二次軋制時過渡臺肩的設計
臺肩的設計(圖4)原則為臺肩的展寬量應與第二次楔展量相協調。由于楔入段的展寬效果不明顯,故可忽略此段的影響。這一臺肩的起點從展寬起點對應的A點開始。在某一瞬時位置:

由于dy=dx.cotβx

積分可得:

忽略第二項,可以認為展寬線為直線,從而可以導出,

當第二次軋制時工件的中間形狀為賀柱時,有:

就是說當第二次軋制工件的中間形狀為圓柱體時,展寬線為一斜率為cotβ的直線,兩基圓件的過渡臺肩為以

為斜率的直線,

為第二次軋制的斷面縮減率。
在實際的模具設計中,上述的計算方法可能導致模具加工困難,因此為保證模具具有良好的機加性,只要使臺肩的斜率小于計算的斜率即可。
三、經濟技術分析
楔橫軋成形的鍛件精度很容易達到GB12361-12362-90《鋼質模鍛件》國家標準中的精密級,因此,桿部的尺寸精度很容易得到保證,從而鍛件可以留有較少的機加工余量,節約了原材料和后續機加工工時,材料利用率可達95%。桿部和頭部的同軸度也有較高的精度、可以控制在0.5mm以內,而空氣錘制坯采用胎模鍛拔長桿部,對工人的技能要求較高。工人操作時要特別認真,即使這樣也難免桿部和頭部的同軸度出現較大的偏差,從而導致在模鍛時,圓盤的個別部位出現缺肉等缺陷,造成廢品。胎膜鍛拔長桿部時,在桿部的尾端常出現凹心,圓盤桿部連接處產生折疊的缺陷,楔橫軋制坯工藝可以完全避免這些缺陷的產生。楔橫軋制坯的生產節拍可達12件/min,班產按6h計,可達4320件/班,年產可達100萬件以上,具有很高的生產效率。
四、結論
采用楔橫軋工藝生產摩托車曲柄中間毛坯是目前較為先進的生產工藝,具有高效、節材、自動化程度高、產品質量好、工人勞動條件好、生產噪音小等諸多優點,具有綜合技術經濟優越性,值得在行業推廣應用。
作者單位:徐春國任廣升北京機電研究所(100083);李興國張松云青島天鴻精鍛公司
參考文獻
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