文／高潔·遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院

★項(xiàng)目支持：高職院校“雙師型”教師能力提升策略研究，JYLX2020010

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的零件之一，它輸出發(fā)動(dòng)機(jī)的全部功率，將活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，用來驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)其他零件進(jìn)行工作。曲軸的工作環(huán)境非常惡劣，在工作時(shí)不僅承受活塞連桿組往復(fù)運(yùn)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性力作用，還承受著周期性變化的爆發(fā)壓力，使曲軸長(zhǎng)期處于彎曲、扭轉(zhuǎn)、壓力等循環(huán)應(yīng)力的作用下，極易發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，導(dǎo)致曲軸產(chǎn)生疲勞和裂紋，甚至斷裂。

圖1 曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生

曲軸容易產(chǎn)生疲勞及裂紋部位

連桿是連接曲軸及活塞的零件，將活塞承受的力傳遞給曲軸，并將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖1 所示。從圖1 可以看到連桿連接在曲軸連桿頸處，曲軸在連桿頸處受力大，極易產(chǎn)生疲勞及裂紋。拋開使用時(shí)產(chǎn)生疲勞及裂紋，在鍛造時(shí)連桿頸處也易出現(xiàn)裂紋，圖2 所示為曲軸連桿頸處剖切后顯示的裂紋，此處裂紋若不消除，極易造成曲軸斷裂報(bào)廢。

六缸曲軸連桿頸處鍛造裂紋分析

裂紋位置

在鍛造時(shí)曲軸連桿頸處易出現(xiàn)裂紋的位置如圖3所示，一般位于連桿頸的檔部。

圖2 連桿頸剖切后顯示的裂紋

高潔材料成型專業(yè)群主任，高級(jí)工程師，獲得省級(jí)優(yōu)秀科技成果獎(jiǎng)1項(xiàng)、省級(jí)質(zhì)量科技成果獎(jiǎng)1 項(xiàng)、市級(jí)科學(xué)技術(shù)研究成果獎(jiǎng)1項(xiàng)、市級(jí)科學(xué)技術(shù)研究成果獎(jiǎng)1 項(xiàng)，擁有1 項(xiàng)專利。

原因分析

⑴六缸曲軸及模具結(jié)構(gòu)。

圖4 所示為某六缸曲軸鍛件三維立體圖，其連桿頸互成120°，如圖5 所示，曲柄半徑為65mm，主軸頸直徑為86mm，連桿頸直徑為75mm。

六缸曲軸鍛造時(shí)可采用整體式鍛造或扭拐式鍛造，當(dāng)然采用扭拐式鍛造需要有扭拐機(jī)。扭拐式鍛造原理是將曲軸連桿軸頸鍛造成180°夾角，在扭拐機(jī)上將連桿軸頸扭成120°夾角。使用扭拐設(shè)備會(huì)增加較大成本，只有整體鍛造成形困難時(shí)才考慮使用扭拐設(shè)備，如生產(chǎn)斯太爾曲軸。由于該曲軸有12 個(gè)較大的平衡塊，如圖6 所示，在不具備扭拐設(shè)備前提下平衡塊很難鍛造飽滿。整體模鍛此六缸曲軸時(shí)連桿頸檔部預(yù)鍛模具結(jié)構(gòu)如圖7 所示，將檔部?jī)?chǔ)存8mm 左右高度的余料，以便終鍛時(shí)該處有足夠的材料填充平衡塊及連桿頸檔部，以減少連桿頸裂紋并使平衡塊飽滿成形。

圖3 曲軸連桿頸處易出現(xiàn)裂紋的位置

圖5 互成120°角的曲軸連桿頸

圖6 有12 個(gè)較大平衡塊的斯太爾曲軸

圖7 連桿頸檔部預(yù)鍛模具結(jié)構(gòu)

⑵裂紋產(chǎn)生原因。

此六缸曲軸即使預(yù)鍛模具連桿頸檔部臍子下降，高度達(dá)到10mm，鍛后連桿頸檔部仍存在裂紋。該六缸曲軸鍛造工藝為感應(yīng)加熱-預(yù)鍛-終鍛-切邊-校正，下料規(guī)格為φ118mm×880mm，預(yù)鍛及終鍛位于同一臺(tái)壓力機(jī)上。裂紋產(chǎn)生的主要原因有二：一是連桿頸檔部余料不足，在鍛造時(shí)該處上模凸起處首先與棒料毛坯接觸，致使毛坯在該處材料減少過多；二是曲柄半徑過大，造成連桿頸外部與毛坯料距離較遠(yuǎn)，成形困難，如圖8 所示尺寸L。以上兩個(gè)原因使連桿頸檔部成形時(shí)材料流動(dòng)劇烈，材料由預(yù)鍛向外流動(dòng)到終鍛向內(nèi)流動(dòng)，極易產(chǎn)生裂紋。該裂紋若在鍛造時(shí)沒有解決，在熱處理前則需要酸洗修磨，不僅降低產(chǎn)品質(zhì)量、提高成本，還存在較大的安全隱患，因?yàn)槿斯ば弈チ鸭y并不能保證完全將其修磨掉，且有的裂紋酸洗后可能難以發(fā)現(xiàn)。

裂紋解決

產(chǎn)生裂紋的主要原因中，第二個(gè)原因曲柄半徑較大是不能改變的，只能在造成裂紋的第一個(gè)原因上想辦法，即修改預(yù)鍛模具結(jié)構(gòu)，使預(yù)鍛時(shí)該處儲(chǔ)存足夠多的材料，以解決曲柄半徑過大連桿頸成形困難的問題。經(jīng)過不斷的修改，最終連桿頸檔部預(yù)鍛模具結(jié)構(gòu)如圖9 所示，其連桿頸檔部上模凸起處基本完全削掉，并增大連桿頸處圓角半徑至12mm(原為R5mm），以儲(chǔ)存更多的材料。

結(jié)束語

在預(yù)鍛模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般要考慮預(yù)鍛后的毛坯滿足終鍛成形優(yōu)良，避免因預(yù)鍛坯料不足使鍛件出現(xiàn)折疊等缺陷，即預(yù)鍛時(shí)要在終鍛難以充滿部位儲(chǔ)存足夠多的材料以滿足終鍛鍛件成形。在設(shè)計(jì)中為了使預(yù)鍛模具儲(chǔ)存一定的材料，常用的設(shè)計(jì)方法為：降低預(yù)鍛模具臍子的高度，減小臍子寬度，并增大臍子圓角，同時(shí)將預(yù)鍛分型面圓角增大，以儲(chǔ)存更多的材料，利于終鍛成形。