曲軸鍛造設(shè)計(jì)說明書

1、曲軸鍛造設(shè)計(jì)說明書一、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，慣性力及慣性力矩的作用，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，耐磨損且潤滑良好。曲軸在使用過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發(fā)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)生裂紋發(fā)展為曲軸斷裂；二是軸頸表面的嚴(yán)重磨損(尤以連桿軸頸為甚)。所以，曲

2、軸主要應(yīng)有較高的疲勞強(qiáng)度和良好的耐磨性。三、曲軸的毛坯材料及下料方法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、高耐磨性以及好的心部韌性，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，主要應(yīng)用于中等負(fù)

3、荷的發(fā)動(dòng)機(jī)。另一類是合金鋼，相對(duì)于碳素鋼，加入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)鋼曲軸的發(fā)展和應(yīng)用也越來越多，有著取代調(diào)制鋼的趨勢。非調(diào)質(zhì)鋼是利用鍛造終了余溫，在空氣中進(jìn)行冷卻熱處理，相對(duì)于調(diào)質(zhì)鋼曲軸污染小、成本低，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、拔模斜度和錯(cuò)模量一般都要求較小，且

4、精度要求較高。這就對(duì)鍛造設(shè)備的導(dǎo)向精度，以及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，曲軸形狀和尺寸較精確，與自由鍛相比，可大大減少機(jī)械加工的工時(shí)。經(jīng)過綜合分析，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。2、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

5、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)橥抵本€運(yùn)動(dòng)，并通過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)的發(fā)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)中發(fā)展少無切削加工的趨勢已非常明顯。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)，國外正在日益發(fā)展，逐步取代模鍛錘而被廣泛采用。國內(nèi)也正在發(fā)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)通過飛輪釋放能量，滑塊的壓力基本上屬于靜壓，工作時(shí)無震動(dòng)和噪音。由于具有靜壓力

6、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)行鍛造；(2)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，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)性能基本一致，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)

7、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)行多模膛模鍛，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較，前者可降低金屬損耗5%10%，由于自動(dòng)化程度高，適合大批量生產(chǎn)?，F(xiàn)代輕型汽車曲軸的軸頸余量不超過 3mm，直徑公差為、長度公差為，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)過綜合分析，本例發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸為了提高自身競爭力也采用熱模鍛壓力機(jī)進(jìn)行鍛造。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

8、為：下料剝皮加熱輥鍛制坯壓扁預(yù)鍛終鍛切邊扭擰熱精整懸掛控溫冷卻正火調(diào)質(zhì)校直去應(yīng)力噴丸探傷防銹檢驗(yàn)入庫。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%和經(jīng)熱頂鍛試驗(yàn)。剝皮工序因?yàn)閲a(chǎn)原材料的脫碳層較深,直接影響曲軸鍛件的表面質(zhì)量,故下料后的材料要進(jìn)行剝皮。加熱工序采用步進(jìn)式煤氣加熱爐加熱,始鍛溫度為1180。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

9、熱模鍛壓力機(jī)上。精煉45鋼的曲軸終鍛溫度控制在1050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)行扭拐。曲軸扭拐的溫度為950一1050。曲軸扭拐時(shí),幾乎在全塑性變形狀態(tài)下進(jìn)行,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)行兩次校正,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)行第二次校正,校正的溫度應(yīng)高于800，一般在850左右。熱處理工序校正后的曲軸要進(jìn)行熱處理。精煉45鋼的曲軸要求正火處理,熱處理后的硬度HB180一228，晶粒度為5一8級(jí)。清理及后續(xù)工序熱處理

10、后的曲軸首先要進(jìn)行檢查。主軸徑擺差、連桿徑夾角和熱處理硬度要進(jìn)行百分之百檢查,其余尺寸抽查。擺差不合格的曲軸要進(jìn)行冷校直和去應(yīng)力退火;硬度不合格的曲軸要重新進(jìn)行熱處理;連桿徑夾角不合格者單獨(dú)放置,待一定批量后,重新進(jìn)行校正工序。以上檢查都合格的曲軸要進(jìn)行拋丸處理,清除鍛件表面的氧化皮。拋丸后的曲軸要進(jìn)行表面磁力探傷,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,深度不超過尺寸偏差范圍,磨削寬度為深度的6倍。在磨裂紋的同時(shí)還要修磨殘余毛邊。合格的曲軸要浸油處理,以防庫存生銹。浸完油的曲軸人庫,按計(jì)劃發(fā)交

11、發(fā)動(dòng)機(jī)廠。2、分模面的選取鍛件分模位置合適與否，關(guān)系到鍛件成形、鍛件出模、材料利用率等一系列問題。確定分模面的基本原則是保證鍛件形狀盡可能與零件形狀相同，以及鍛件容易從鍛模型槽中取出，此外，應(yīng)爭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簡圖如下：3、確定機(jī)械加工余量及鍛件公差 普通鍛件均要經(jīng)機(jī)械加工成為零件。考慮到在模鍛過程中，由于毛坯在高溫條件下產(chǎn)生表皮氧化、脫碳、以及合金元素蒸發(fā)或其它污染現(xiàn)象，導(dǎo)致鍛件表面光潔度不足

12、，甚至產(chǎn)生表面層機(jī)械性能不合格或其它缺陷；由于毛坯體積變化及終鍛溫度波動(dòng)，使得鍛件尺寸控制不定；由于鍛件出模的需要，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?。熱模鍛壓力機(jī)上模鍛件的余量和公差比錘上的小，但至今無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，表 3-1 數(shù)據(jù)可供參考。 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)

13、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±2.0。4、確定鍛件模鍛斜度及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)，則模鍛斜度與錘上的一樣。若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。凸圓角的作用是避免鍛模在熱處理時(shí)和模鍛過程中因應(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 6mm。5、制定鍛件技術(shù)要求 根據(jù)對(duì)曲軸鍛件鍛造工藝過程、鍛件使用性能及相關(guān)缺陷進(jìn)行綜合分析，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；表面不應(yīng)有未充滿、分層、裂紋、毛刺、氧化皮、及腐蝕現(xiàn)象；鍛后進(jìn)行正