曲轴的全纤维锻压工艺

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摘要：曲轴的全纤维锻压工艺最早的是在西方发达国家最先研究成功，并且在多个国家具有十分广泛的应用，其是一种十分先进的曲轴锻造工艺，本文在论述曲轴概念的基础之上，分析了如何了全纤维锻压工艺的运用。

关键词：曲轴；全纤维；锻压工艺

中图分类号：TS913文献标识码： A

引言

锻压这是制造业之中金属成形和加工的一种十分重要的生产手段，其不仅仅可以赋予产品一定的结构形状，而且能直接起到改善和提高产品组织性能的作用。随着科学的发展和工业化程度的提高，而锻压技术也获得一定程度的进步以及更新，当前不仅仅可以在常规金属材料加工之中有着十分重要的作用，同时其也可以在种种高合金钢、稀有金属合金、粉末冶金等等特种材料同产品的生产之中发挥着相当重要的作用。

1、曲轴概述

曲轴是发动机中重要的旋转件，主要功能是把各个活塞组件传来的压力转变为转矩，通过传动装置驱动车辆行驶；与此同时，还要驱动发动机的配气机构及其他辅助设备和电气装置。由于气缸内的压力作用是连续的，曲轴所受扭转则是波动的，因此旋转中伴随有较为激烈的振动。因此曲轴在工作中除了正常磨损外，还会出现其他一些损伤，影响发动机的正常工作。

全纤维曲轴是将一根圆形钢棒，放在一套专用的模具内挤压而成。由于这种曲轴具有连续不断的金属纤维，大大提高了它的抗冲击和耐疲劳性能，延长了使用寿命，并可节约一半左右的钢材，减少70%加工时间。

曲轴的全纤维锻压工艺最初是由法国R.Raede-err研究成功的，近十余年来已有许多国家先后引进此项新技术并予以采用。它是目前一种先进的曲轴锻造工艺方法。全纤维锻压工艺是利用曲轴本身的形状特点，在专用的模具内，借助墩粗和弯曲的联合工序，将一根加热了的圆形坯料分拐进行锻压。成形过程可用下面示意图(图1)来说明

图1曲拐成形过程示意图

2、曲轴的全纤维锻压工艺简介

2.1、全纤维锻造工艺模具设计

以18×64mm曲轴为例，可以看出，除了耳板两端螺栓孔之外，其余表面皆为净锻表面。拔长型槽设计(计算从略)。拔长坎部高度a=22mm，长度c=30mm，宽度B=60mm，深度h=30mm.(2)滚挤型槽设计。滚挤型槽高度计算如表2所示。滚挤型槽钳口部分尺寸:n=0.2d坯+6=12mm；m=(1～2)n=24mm、取m=25mm；R=0.1d坯+6=9mm、取R=10mm；宽度B=60mm.。切断型槽使用后切刀，其可以布排在锻模左后方，15°斜排。为了确保锻造之时错移量最小，其可以较为便捷安全操作，同时也可以尽量节省锻模材料。因为连接环材料其实20MnVB钢，而其工艺性能比较好，形状简单是对称弯曲形，也可以大批量生产，为了可以便于操作，方便模具制造，不断提升生产效率，因为使用分开式摆动凹模结构弯曲模，

2.2、全纤维锻压工艺锻成的曲轴的优势

采用全纤维锻压工艺锻成的曲轴,与普通自由锻造曲轴相比主要有下面两大优点:1.曲轴的机械性能特别是耐疲劳和耐冲击性能得到改善。这是由于金属纤维连续不断、钢锭中心部分与曲轴中心基本一致、加工后不外露以及可用较小钢锭进行锻压等特点所致；机械加工余量小,节约了大量的材料和加工工时。这主要是山于曲拐能用锻造方法成形。此外,还具有废品少、生产率高、劳动强度低等优点。它适合于具有一定批量的中、大型曲轴锻造,很多国家用来锻造内燃机车柴油机、船用发动机等曲轴。

2.3、镦锻工艺过程典型阶段

坯料的外形变化曲轴成型过程中,其塑性流动大致能分为三个不同区域,即曲柄、主轴径和曲柄销区。曲柄销区受上下冲头的夹紧作用,随冲头向下运动,基本上为无变形的刚体运动,而主轴径区也由于曲柄成型模块的夹紧作用,做水平刚体运动。曲柄区则是两刚性区间的过度去,其速度模式完全受该两区域运动的影响,在靠近曲柄销的材料以向下运动为主,并且自上向下逐渐加强;主轴径附近的材料自于该区的运动类似,并且从上往下逐渐减弱;曲柄中间区域的材料受曲柄销和主轴径运动的复合作用。随着变形过程的进行,曲柄销与主轴径逐渐形成偏心,而曲柄区域则被镦粗。曲柄区域的塑性流动能从图2清楚看出,由于两镦粗端的摩擦约束作用,曲柄部分各横截面的x向运动以中截面B-B为最大,但对于整个曲柄区沿y向下运动明显占优,这样截面由初始圆形逐渐变为椭圆。B-B截面的水平镦粗效果最大,到第594步,在该截面处首先与模腔发生接触,至此曲轴的成型过程以此时为标志分为自由成形和限制成形两个阶段。从图2看出当曲柄中截面与模腔发生接触时,由于接触部位的约束作用,使得该截面的塑性流动分为上下两部分,上部的材料向上流动明显加大,而下部的向下流动略有增加,但是因为材料向下运动速度比向上运动要快得多,所以模具的下腔首先充满。同时,由于此时曲柄销与主轴径之间的偏心也较大,曲柄部分的材料受曲柄销与主轴径运动的影响也越来越小,开始向尚未充满的区域流动,直至变形过程结束。

图2不同阶段的A-A,B-B,C-C截面网格图和纵向剖面网格图

2.4、高温结构材料的锻压

加工钛铝合金因具有低密度、高刚性及良好的高温强度、抗蠕变和抗氧化能力等特点而作为高温结构材料已得到广泛应用,且近年来不断开发出新的品种。锻压加工在提高此类材料性能方面发挥着重要的作用,如对Ti-10V-2Fe-3Al,可通过在其α+β区进行50%的锻压形变和适当的热处理,使原β相粒子沿锻压延伸的纵向伸长,而初生的α相则均匀分布,从而使合金实现强度和韧性的有效组合;对含Nb8.5%且具双相组织(DP)的TANB合金(Ti-45Al-8.5Nb-0.3W-0.3B-0.05Y)和TANM合金(Ti-45Al-8.5Nb-0.3Mo-0.05Y),经1 280℃/2 h保温处理后进行变形量约为78%的锻压加工,由于Nb原子的固溶强化及高温稳定性的发挥,其室温和高温强度均明显高于普通钛铝合金。又如对在含少量Mo、V及Ti的基础上再添加微量Nb所形成的第三代微合金钢,可通过一定的模锻工艺及随后的迅速冷却而获得细晶组织,其间氰化铌的弥散沉积取代了模锻过程中钢的再结晶,而快速冷却则有利于均布碳化物的马氏体结构的形成。目前,瑞典的沃尔沃汽车公司生产的模锻件已有50%采用这种微合金钢。

2.4、滑座和底座

材料均为55号铸钢，滑座每只重4吨，底座重4.5吨。左、右滑座在上压模斜面的作用下，沿着底座上的导轨向中间移动，产生水平压力，对坯料进行徽粗。上压模和滑座间，滑座和底座间的接触面，是高压下的滑动面，在材料和制作上要求较高。在上压模和滑座之间先采用球铁和45号钢作为摩擦面，因材料太软都伤很大，以致于受力不均，发生过滑座和底座导轨咬合不能滑动的现象丫后来一律采用55号铸钢，刮伤现象大大减轻。滑座和痛担导轨也同样一律采用55号铸钢，情况良好。

2.5、坯料的加热

在专用的加热炉中分段加热，加热一次压一个曲拐。在专用的加热炉中分段加热，加热一次压一个曲拐。入和取出。燃料为柴油，油泵压力1.6公斤/厘米2，压缩空气通过减压阀后喷出，压力为2公斤/厘米2。油压和风压均可调节。耗油量每小时约巧公斤。坯料采用快速加热法，从室温加热到锻造温度(1250℃)需45分钟。

2.6、吊具

坯料是由吊具来操纵的，坯料一端放入吊具孔内，用螺钉固紧，吊具上有三个互成120“的吊环，通过吊钩吊在横架上的一端，横架的另一端挂一吊钩，吊住坯料，其部位视实际情况而定，只要使坯料处于水平和不妨碍操作。横架吊在天车上。吊具上三个互成120。的吊孔是为了使被吊的坯料在入模内前处于比较正确的位置以便于操作。

2.7、校验

由于坯料长而重(坯料长4059毫米，锻好后长2442毫米，重700多公斤)；工艺上是局部加热，分段多次锻造；再加上吊运和锻压时的一些因素，因此锻件有弯曲。据测量，主轴颈弯曲最大有7到8毫米，所以需要校直。校直工序是把锻件加热到700oC左右，在校直模中对主轴颈进行校直。校直模如图12所示。下模放在水压机工作台上，上模由天车吊起进行局部校直。

3、结语

全纤维锻造工艺合理控制流线分布，使纤维分布与应力方向一致，加工过程中尽量不切断流线，使连接环以全纤维状态承受工作载荷从而大大提高使用寿命。该工艺已得到工厂应用验证。

参考文献

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