曲軸鍛造設(shè)計(jì)說(shuō)明書

1、曲軸鍛造設(shè)計(jì)說(shuō)明書、曲軸零件圖二、曲軸零件分析曲軸是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要零件，它與連桿配合將作用在活塞上的氣體壓力 變?yōu)樾D(zhuǎn)的動(dòng)力，傳給底盤的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)，驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)和其它輔助裝置。曲軸在工作時(shí)，受氣體壓力，慣性力與慣性力矩的作用，受力大而且受力復(fù) 雜，同時(shí)，曲軸又是高速旋轉(zhuǎn)件，因此，要求曲軸具有足夠的剛度和強(qiáng)度，具有 良好的承受沖擊載荷的能力，耐磨損且潤(rùn)滑良好。曲軸在使用過(guò)程中的主要損壞形式有如下兩種： 一是疲勞斷裂.先在軸頸和 圓角處產(chǎn)生疲勞裂紋.然后向曲柄深處開展，造成曲軸斷裂.也有少數(shù)曲軸先在 軸頸中部的油道內(nèi)壁產(chǎn)生裂紋開展為曲軸斷裂；二是軸頸外表的嚴(yán)重磨損 （尤 以連桿軸頸為甚）。

2、所以，曲軸主要應(yīng)有較高的疲勞強(qiáng)度和良好的耐磨性。三、曲軸的毛坯材料與下料方法1、曲軸的毛坯材料的選取曲軸的材料從大的方面分，主要分為鋼質(zhì)和球鐵兩大類。鋼質(zhì)曲軸材料又主要分為調(diào)質(zhì)鋼和非調(diào)質(zhì)鋼。鋼質(zhì)曲軸的主要特點(diǎn)是有著較 高的抗拉強(qiáng)度、高疲勞強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性以與好的心部韌性，但是它們對(duì) 缺口的敏感性很高，要求的加工質(zhì)量較高。鋼質(zhì)曲軸能夠適應(yīng)日益增高的強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)，現(xiàn)在高性能柴油機(jī)高壓縮比下以很大的相對(duì)速度與軸承發(fā)生滑動(dòng)摩擦，產(chǎn)生較高的溫度與磨損，在交變的沖擊載荷作用下服役條件十分惡劣。調(diào)制鋼也主要有兩大類，一類是價(jià)格相對(duì)低廉的碳素鋼，它們有著和合金鋼 一樣的彈性模量，也有著較高的抗拉強(qiáng)度，主要

3、應(yīng)用于中等負(fù)荷的發(fā)動(dòng)機(jī)。另一 類是合金鋼，相對(duì)于碳素鋼，參加了各種貴重金屬合金，提高了抗拉強(qiáng)的和疲勞 強(qiáng)度，主要應(yīng)用于中、高負(fù)荷的發(fā)動(dòng)機(jī)。近些年，隨著世界能源與環(huán)保的要求進(jìn)一步提高， 曲軸的制造技術(shù)也獲得了 提高，非調(diào)質(zhì)鋼曲軸的開展和應(yīng)用也越來(lái)越多， 有著取代調(diào)制鋼的趨勢(shì)。非調(diào)質(zhì) 鋼是利用鍛造終了余溫，在空氣中進(jìn)展冷卻熱處理，相對(duì)于調(diào)質(zhì)鋼曲軸污染小、 本錢低，生產(chǎn)能耗低、性能優(yōu)良，尤其在日本、歐洲已經(jīng)廣泛采用。國(guó)內(nèi)正處于 起步階段，生產(chǎn)工藝還不穩(wěn)定，還有待于成熟。隨著市場(chǎng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量要求的不斷提高，一些中、輕型汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸毛 坯由以往的鑄造成形逐漸改為鍛造成形。這類曲軸鍛件的加工余量、拔模

4、斜度和 錯(cuò)模量一般都要求較小，且精度要求較高。這就對(duì)鍛造設(shè)備的導(dǎo)向精度，以與鍛 件的脫模手段提出了更高的要求，而這些要求在一般的模鍛錘上生產(chǎn)是很難達(dá)到 的。由于熱模鍛壓機(jī)具有很高的導(dǎo)向精度和頂出機(jī)構(gòu)，成為鍛造企業(yè)用于生產(chǎn)高 精度曲軸的首選設(shè)備。模鍛法是將金屬棒料或鋼錠通過(guò)一系列鍛模成形為曲軸毛坯。這種方法生產(chǎn) 率和材料利用率高，金屬鍛造流線好，曲軸形狀和尺寸較準(zhǔn)確，與自由鍛相比， 可大大減少機(jī)械加工的工時(shí)。經(jīng)過(guò)綜合分析，本例發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸材質(zhì)采用 45號(hào)鋼，模鍛方式制造，鍛后正 火處理，這樣使得它具有較高的剛度、強(qiáng)度和良好的耐磨性。其主要機(jī)械性能要 求見表1具體探傷要求見表2。表1鍛件機(jī)械性能要求

5、頂t(N / Hirn")(N/riitn)l. % )皿)*數(shù)值55027532U14表2 鍛件採(cǎi)傷要求單個(gè)缺陷倉(cāng)徑由缺陷引起的底波 降低就(BG/ BF)密隼X缺PSlM積占探傷總fii積的白分比(強(qiáng)1<202、下料方法的選擇常用的下料方法有：剪切法、冷折法、鋸切法、砂輪片切割法、氣割法和 車削法等。本例的下料方法采用鋸切法。四、曲軸鍛造設(shè)備選取熱模鍛機(jī)械壓力機(jī)是通過(guò)曲軸或偏心軸連桿-滑塊機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)?往返直線運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)摩擦離合器將飛輪儲(chǔ)存的能量即固定扭矩轉(zhuǎn)變成為滑塊的 載荷。生產(chǎn)的開展要求模鍛件具有較高的精度和較復(fù)雜的形狀 ，機(jī)械工業(yè)中開展少 無(wú)切削加工的趨勢(shì)已

6、非常明顯。因此在模鍛設(shè)備中，帶有頂料機(jī)構(gòu)，行程固定的 并有可調(diào)節(jié)封閉高度的熱模鍛機(jī)械壓力機(jī)，由于具備這些特點(diǎn)，國(guó)外正在日益開 展，逐步取代模鍛錘而被廣泛采用。國(guó)內(nèi)也正在開展。熱模鍛壓力機(jī)與鍛錘相比主要工作特性和優(yōu)點(diǎn)有：(1)電動(dòng)機(jī)通過(guò)飛輪釋放能量，滑塊的壓力根本上屬于靜壓，工作時(shí)無(wú)震動(dòng) 和噪音。由于具有靜壓力的特性，金屬在模膛內(nèi)流動(dòng)緩慢，這對(duì)變形速度敏感的 低塑性合金的成形十分有利，故某些不適宜在錘上模鍛的耐熱合金、鎂合金等金 屬可在熱模鍛壓力機(jī)上進(jìn)展鍛造； 機(jī)架和曲柄連桿機(jī)構(gòu)的剛性大，工作時(shí)彈性變形小，保證鍛件高度方向 尺寸精度；滑塊具有附加導(dǎo)向的象鼻形結(jié)構(gòu)，提高了導(dǎo)向精度和承受偏載能力，

7、保證鍛件水平方向精度；(3)滑塊行程一定，每一模鍛工步只需一次行程完成。金屬變形在滑塊一次 行程中完成，坯料內(nèi)外層幾乎同時(shí)發(fā)生變形，因此變形深透而均勻，鍛件各處的 力學(xué)性能根本一致，流線分布也較均勻，有利于提高鍛件的內(nèi)部質(zhì)量。同時(shí)也由 于行程固定，因此不適合拔長(zhǎng)和滾壓等制坯工步，而只能完成斷面變化不大的制 坯操作；（4）具有上、下頂桿裝置，便于鍛后工件脫模。故鍛件的模鍛斜度較小，甚 至可以鍛出不帶模鍛斜度的鍛件。此外，熱模鍛壓力機(jī)可進(jìn)展多模膛模鍛，自動(dòng)化生產(chǎn)，鍛件精度高，是工藝 性最好的模鍛設(shè)備。在熱模鍛壓力機(jī)上模鍛曲軸與錘上模鍛比擬，前者可降低金屬損耗 5%10%由于自動(dòng)化程度高，適合大批量

8、生產(chǎn)?，F(xiàn)代輕型汽車曲軸的軸頸余量不 超過(guò)3mm直徑公差為爲(wèi)、長(zhǎng)度公差為去,這只有在壓力機(jī)上鍛造，才能滿足 這些公差要求。鑒于熱模鍛壓力機(jī)的上述優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的模鍛廠普遍采用熱模鍛壓力機(jī) 代替模鍛錘生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)綜合分析，本例發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸為了提高自身競(jìng)爭(zhēng)力也采用熱模鍛壓力機(jī)進(jìn) 展鍛造。五、曲軸鍛造工藝設(shè)計(jì)1、工藝路線的選取典型的工藝路線為：下料一剝皮一加熱-輥鍛制坯一壓扁-預(yù)鍛-終鍛-切邊-扭擰一熱精 整懸掛控溫冷卻一正火+調(diào)質(zhì)一校直去應(yīng)力噴丸一探傷一防銹一檢驗(yàn) 入庫(kù)。 下料工序選用精煉45號(hào)鋼，化學(xué)成份和機(jī)械性能符合 GB699和GB3077的規(guī)定，并 要求Mo<0.1%5經(jīng)熱頂鍛試驗(yàn)。 剝

9、皮工序因?yàn)閲?guó)產(chǎn)原材料的脫碳層較深，直接影響曲軸鍛件的外表質(zhì)量，故下料后的材料要進(jìn)展剝皮。 加熱工序采用步進(jìn)式煤氣加熱爐加熱，始鍛溫度為1180C。 鍛造工序鍛造工序又分預(yù)鍛、終鍛兩道工步。采用預(yù)鍛主要有兩個(gè)目的，其一是 保證制坯后的金屬能均勻地分布，有利于終鍛的充滿；其二是可以顯著地減 輕終鍛型槽的負(fù)荷，從而提高鍛模的使用壽命。預(yù)鍛工步和終鍛工步都是水平分模的，均安排在40MN熱模鍛壓力機(jī)上。 精煉45鋼的曲軸終鍛溫度控制在1050C以上。©切邊工序終鍛成形后的鍛件在曲柄壓力機(jī)上切邊。©扭拐工序曲軸切邊后是在扭拐機(jī)上進(jìn)展扭拐。曲軸扭拐的溫度為950C 1050C。 曲軸扭拐

10、時(shí)，幾乎在全塑性變形狀態(tài)下進(jìn)展，根據(jù)曲軸扭拐扭矩計(jì)算公式，可 以計(jì)算出扭矩。校正工序扭拐后的曲軸要進(jìn)展兩次校正，校正設(shè)備液壓校正機(jī)。校正的主要目的是 校正主軸徑的直線度和連桿徑之間的夾角。第一次校正后 ，旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)展第 二次校正,校正的溫度應(yīng)高于800C，一般在850C左右。©熱處理工序校正后的曲軸要進(jìn)展熱處理。精煉 45鋼的曲軸要求正火處理，熱處理后 的硬度HB180- 228,晶粒度為5 一 8級(jí)。©清理與后續(xù)工序熱處理后的曲軸首先要進(jìn)展檢查。主軸徑擺差、連桿徑夾角和熱處理硬度要進(jìn)展百分之百檢查，其余尺寸抽查。擺差不合格的曲軸要進(jìn)展冷校直和去 應(yīng)力退火；硬度

11、不合格的曲軸要重新進(jìn)展熱處理；連桿徑夾角不合格者單獨(dú)放 置,待一定批量后，重新進(jìn)展校正工序。以上檢查都合格的曲軸要進(jìn)展拋丸處理,去除鍛件外表的氧化皮。拋丸后的曲軸要進(jìn)展外表磁力探傷 ，進(jìn)一步檢查 裂紋,如發(fā)現(xiàn)有裂紋要用砂輪磨掉，不能鑿掉。磨削的深度在磨口處要小于加 工余量的一半。在非加工面處要求磨平，不要形成明顯的凸起或凹坑，深度不 超過(guò)尺寸偏差X圍,磨削寬度為深度的6倍。在磨裂紋的同時(shí)還要修磨剩余毛 邊。合格的曲軸要浸油處理，以防庫(kù)存生銹。浸完油的曲軸人庫(kù)，按計(jì)劃發(fā)交 發(fā)動(dòng)機(jī)廠。2、分模面的選取鍛件分模位置適宜與否，關(guān)系到鍛件成形、鍛件出模、材料利用率等一系 列問(wèn)題。確定分模面的根本原如此是

12、保證鍛件形狀盡可能與零件形狀一樣，以與鍛件容易從鍛模型槽中取出，此外，應(yīng)爭(zhēng)取獲得鐓粗充填成形的良好效果。 為此，鍛件分模面應(yīng)選擇在具有最大的水平投影尺寸的位置上。由于此曲軸為平面曲軸，在曲軸鍛造過(guò)程中，常用棒材作為坯料，故分模面的選取也較為容 易，選擇鍛件側(cè)面的中部對(duì)稱平面作為分模面即可，CAD簡(jiǎn)圖如下：3、確定機(jī)械加工余量與鍛件公差普通鍛件均要經(jīng)機(jī)械加工成為零件。考慮到在模鍛過(guò)程中，由于毛坯在高溫條件下產(chǎn)生表皮氧化、脫碳、以與合金元素蒸發(fā)或其它污染現(xiàn)象，導(dǎo)致鍛 件外表光潔度不足，甚至產(chǎn)生外表層機(jī)械性能不合格或其它缺陷；由于毛坯體 積變化與終鍛溫度波動(dòng)，使得鍛件尺寸控制不定；由于鍛件出模的需要

13、，型槽 壁帶有斜度，使得鍛件側(cè)壁添加敷料；由于型槽磨損和上下模難免的錯(cuò)移現(xiàn)象， 導(dǎo)致鍛件尺寸出現(xiàn)偏差；由于形狀復(fù)雜，難以鍛造成形，所有這些原因使鍛件 不僅應(yīng)加上機(jī)械加工余量，而且還得規(guī)定適當(dāng)?shù)腻懠叽绻睢?熱模鍛壓力機(jī)上模鍛件的余量和公差比錘上的小，但至今無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，表3-1數(shù)據(jù)可供參考。衷3 -1假件單邊余星及,公差(mm)Table 3-1 Single side allowance and tolerance of forge piece壓力機(jī)噸位(1JN)St園公離度高t<1010-151 0-1.5+031 0-0 516-201 5-2 0+ 10-1.5 -0 525-3

14、152 0-2 52 0-2.5+ 1 5-1 S -0 540632 0-3.0+ 15-2 0 -0 8S 0-12010-302 0-3.0+2 0-10在本例的曲軸鍛件中，初步定的壓力機(jī)噸位為40MN故取余量為：軸向2.5mm主軸頸2.5mm,連桿頸3mm連桿頸處的余量之所以適當(dāng)增加是為了 防止曲軸存在軸向彎曲而導(dǎo)致加工不出成品。而對(duì)于公差，取軸向公差由曲軸中心線向兩側(cè)標(biāo)注，最大 ，厚度公差為土 2.0。4、確定鍛件模鍛斜度與圓角半徑在鍛件上與分模面相垂直的平面或曲面所附加的斜度或固有的斜度統(tǒng)稱 為模鍛斜度。模鍛斜度的功用是使鍛件成形后能從型槽中順利取出。但是加 上模鍛斜度后會(huì)增加金屬

15、損耗和機(jī)械加工工時(shí)，因此應(yīng)盡量選用最小的模鍛 斜度。在熱模鍛壓力機(jī)上，當(dāng)用手工從終鍛型槽中取出鍛件時(shí)，如此模鍛斜 度與錘上的一樣。假如采用頂桿將鍛件頂出，模鍛斜度可顯著減小，一般為 2° 7°或更小。而為了便于金屬在型槽內(nèi)流動(dòng)和考慮到鍛模強(qiáng)度，鍛件上凸出或凹下的 部位都不允許呈銳角狀，應(yīng)當(dāng)帶有適當(dāng)?shù)膱A角。凸圓角的作用是防止鍛模在 熱處理時(shí)和模鍛過(guò)程中因應(yīng)力集中導(dǎo)致開裂，凹圓角的作用是使金屬易于流 動(dòng)充填型槽，防止產(chǎn)生折疊、防止型槽過(guò)早被壓塌。按鍛造工藝學(xué)所給出的參考數(shù)據(jù)，在本例的曲軸鍛件中，取模鍛斜 度為3 °，凸圓角半徑為3mm凹圓角半徑為6mm5、制定鍛件技術(shù)要求根據(jù)對(duì)曲軸鍛件鍛造工藝過(guò)程、鍛件使用性能與相關(guān)缺陷進(jìn)展綜合分析，制定曲軸鍛件的技術(shù)要求：未注明的模鍛斜度為3。，凸圓角半徑為3mm凹圓角半徑為6mm 外表不應(yīng)有未充滿、分層、裂紋、毛刺、氧化皮、與腐蝕現(xiàn)象；鍛后進(jìn)展正火、調(diào)制處理、去應(yīng)力退火，硬度為HB180-228; 流線方向應(yīng)與曲軸外輪廓形狀相符；©金相組織應(yīng)為均勻的細(xì)晶結(jié)構(gòu)，晶粒度為 5-8級(jí)。&作出冷鍛件圖