曲轴锻造设计说明书曲轴锻造设计说明书一、曲轴零件图二、曲轴零件分析曲轴是汽车发动机中的重要零件，它与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转的动力，传给底盘的传动机构，同时，驱动配气机构和其它辅助装置。曲轴在工作时，受气体压力，惯性力及惯性力矩的作用，受力大而且受力复杂，同时，曲轴又是高速旋转件，因此，要求曲轴具有足够的刚度和强度，具有良好的承受冲击载荷的能力，耐磨损且润滑良好。曲轴在使用过程中的主要损坏形式有如下两种：一是疲劳断裂先在轴颈和圆角处产生疲劳裂纹然后向曲柄深处发展，造成曲轴断裂也有少数曲轴先在轴颈中部的油道内壁产生裂纹发展为曲轴断裂；二是轴颈表面的严重磨损(尤以连杆轴颈为甚)。因此，曲轴主要应有较高的疲劳强度和良好的耐磨性。三、曲轴的毛坯材料及下料方法1、曲轴的毛坯材料的选取曲轴的材料从大的方面分，主要分为钢质和球铁两大类。 钢质曲轴材料又主要分为调质钢和非调质钢。钢质曲轴的主要特点是有着较高的抗拉强度、高疲劳强度、高硬度、高耐磨性以及好的心部韧性，可是它们对缺口的敏感性很高，要求的加工质量较高。钢质曲轴能够适应日益增高的强化发动机，现在高性能柴油机高压缩比下以很大的相对速度与轴承发生滑动摩擦，产生较高的温度与磨损，在交变的冲击载荷作用下服役条件十分恶劣。调制钢也主要有两大类，一类是价格相对低廉的碳素钢，它们有着和合金钢一样的弹性模量，也有着较高的抗拉强度，主要应用于中等负荷的发动机。另一类是合金钢，相对于碳素钢，加入了各种贵重金属合金，提高了抗拉强的和疲劳强度，主要应用于中、高负荷的发动机。近些年，随着世界能源与环保的要求进一步提高，曲轴的制造技术也获得了提高，非调质钢曲轴的发展和应用也越来越多，有着取代调制钢的趋势。非调质钢是利用锻造终了余温，在空气中进行冷却热处理，相对于调质钢曲轴污染小、成本低，生产能耗低、性能优良，特别在日本、欧洲已经广泛采用。国内正处于起步阶段，生产工艺还不稳定，还有待于成熟。随着市场对发动机质量要求的不断提高，一些中、轻型汽车的发动机曲轴毛坯由以往的铸造成形逐渐改为锻造成形。这类曲轴锻件的加工余量、拔模斜度和错模量一般都要求较小，且精度要求较高。这就对锻造设备的导向精度，以及锻件的脱模手段提出了更高的要求，而这些要求在一般的模锻锤上生产是很难达到的。由于热模锻压机具有很高的导向精度和顶出机构，成为锻造企业用于生产高精度曲轴的首选设备。模锻法是将金属棒料或钢锭经过一系列锻模成形为曲轴毛坯。这种方法生产率和材料利用率高，金属锻造流线好，曲轴形状和尺寸较精确，与自由锻相比，可大大减少机械加工的工时。经过综合分析，本例发动机曲轴材质采用45号钢，模锻方式制造，锻后正火处理，这样使得它具有较高的刚度、强度和良好的耐磨性。其主要机械性能要求见表1，具体探伤要求见表2。2、下料方法的选择 常见的下料方法有：剪切法、冷折法、锯切法、砂轮片切割法、气割法和车削法等。本例的下料方法采用锯切法。四、曲轴锻造设备选取热模锻机械压力机是经过曲轴或偏心轴连杆滑块机构将旋转运动转变为往返直线运动，并经过摩擦离合器将飞轮储存的能量即固定扭矩转变成为滑块的载荷。生产的发展要求模锻件具有较高的精度和较复杂的形状，机械工业中发展少无切削加工的趋势已非常明显。因此在模锻设备中，带有顶料机构，行程固定的并有可调节封闭高度的热模锻机械压力机，由于具备这些特点，国外正在日益发展，逐步取代模锻锤而被广泛采用。国内也正在发展。热模锻压力机与锻锤相比主要工作特性和优点有：(1)电动机经过飞轮释放能量，滑块的压力基本上属于静压，工作时无震动和噪音。由于具有静压力的特性，金属在模膛内流动缓慢，这对变形速度敏感的低塑性合金的成形十分有利，故某些不适宜在锤上模锻的耐热合金、镁合金等金属可在热模锻压力机上进行锻造；(2)机架和曲柄连杆机构的刚性大，工作时弹性变形小，保证锻件高度方向尺寸精度；滑块具有附加导向的象鼻形结构，提高了导向精度和承受偏载能力，保证锻件水平方向精度；(3)滑块行程一定，每一模锻工步只需一次行程完成。金属变形在滑块一次行程中完成，坯料内外层几乎同时发生变形，因此变形深透而均匀，锻件各处的力学性能基本一致，流线分布也较均匀，有利于提高锻件的内部质量。同时也由于行程固定，因此不适合拔长和滚压等制坯工步，而只能完成断面变化不大的制坯操作；(4)具有上、下顶杆装置，便于锻后工件脱模。故锻件的模锻斜度较小，甚至能够锻出不带模锻斜度的锻件。另外，热模锻压力机可进行多模膛模锻，自动化生产，锻件精度高，是工艺性最好的模锻设备。在热模锻压力机上模锻曲轴与锤上模锻比较，前者可降低金属损耗5%10%，由于自动化程度高，适合大批量生产。现代轻型汽车曲轴的轴颈余量不超过 3mm，直径公差为、长度公差为，这只有在压力机上锻造，才能满足这些公差要求。鉴于热模锻压力机的上述优点，国内外先进的模锻厂普遍采用热模锻压力机代替模锻锤生产。经过综合分析，本例发动机曲轴为了提高自身竞争力也采用热模锻压力机进行锻造。五、曲轴锻造工艺设计1、工艺路线的选取 典型的工艺路线为：下料剥皮加热辊锻制坯压扁预锻终锻切边扭拧热精整悬挂控温冷却正火调质校直去应力喷丸探伤防锈检验入库。下料工序选用精炼45号钢,化学成份和机械性能符合GB699和GB3077的规定,并要求Mo0.1%和经热顶锻试验。剥皮工序因为国产原材料的脱碳层较深,直接影响曲轴锻件的表面质量,故下料后的材料要进行剥皮。加热工序采用步进式煤气加热炉加热,始锻温度为1180。锻造工序锻造工序又分预锻、终锻两道工步。采用预锻主要有两个目的，其一是保证制坯后的金属能均匀地分布，有利于终锻的充满；其二是能够显著地减轻终锻型槽的负荷，从而提高锻模的使用寿命。预锻工步和终锻工步都是水平分模的，均安排在 40MN 热模锻压力机上。精炼45钢的曲轴终锻温度控制在1050以上。切边工序终锻成形后的锻件在曲柄压力机上切边。扭拐工序曲轴切边后是在扭拐机上进行扭拐。曲轴扭拐的温度为950一1050。曲轴扭拐时,几乎在全塑性变形状态下进行,根据曲轴扭拐扭矩计算公式,能够计算出扭矩。校正工序扭拐后的曲轴要进行两次校正,校正设备液压校正机。校正的主要目的是校正主轴径的直线度和连杆径之间的夹角。第一次校正后,旋转90进行第二次校正,校正的温度应高于800，一般在850左右。热处理工序校正后的曲轴要进行热处理。精炼45钢的曲轴要求正火处理,热处理后的硬度HB180一228，晶粒度为5一8级。清理及后续工序热处理后的曲轴首先要进行检查。主轴径摆差、连杆径夹角和热处理硬度要进行百分之百检查,其余尺寸抽查。摆差不合格的曲轴要进行冷校直和去应力退火;硬度不合格的曲轴要重新进行热处理;连杆径夹角不合格者单独放置,待一定批量后,重新进行校正工序。以上检查都合格的曲轴要进行抛丸处理,清除锻件表面的氧化皮。抛丸后的曲轴要进行表面磁力探伤,进一步检查裂纹,如发现有裂纹要用砂轮磨掉,不能凿掉。磨削的深度在磨口处要小于加工余量的一半。在非加工面处要求磨平,不要形成明显的凸起或凹坑,深度不超过尺寸偏差范围,磨削宽度为深度的6倍。在磨裂纹的同时还要修磨残余毛边。合格的曲轴要浸油处理,以防库存生锈。浸完油的曲轴人库,按计划发交发动机厂。2、分模面的选取锻件分模位置合适与否，关系到锻件成形、锻件出模、材料利用率等一系列问题。确定分模面的基本原则是保证锻件形状尽可能与零件形状相同，以及锻件容易从锻模型槽中取出，另外，应争取获得镦粗充填成形的良好效果。为此，锻件分模面应选择在具有最大的水平投影尺寸的位置上。由于此曲轴为平面曲轴，在曲轴锻造过程中，常见棒材作为坯料，故分模面的选取也较为容易，选择锻件侧面的中部对称平面作为分模面即可，CAD简图如下：3、确定机械加工余量及锻件公差 普通锻件均要经机械加工成为零件。考虑到在模锻过程中，由于毛坯在高温条件下产生表皮氧化、脱碳、以及合金元素蒸发或其它污染现象，导致锻件表面光洁度不足，甚至产生表面层机械性能不合格或其它缺陷；由于毛坯体积变化及终锻温度波动，使得锻件尺寸控制不定；由于锻件出模的需要，型槽壁带有斜度，使得锻件侧壁添加敷料；由于型槽磨损和上下模难免的错移现象，导致锻件尺寸出现偏差；由于形状复杂，难以锻造成形，所有这些原因使锻件不但应加上机械加工余量，而且还得规定适当的锻件尺寸公差。热模锻压力机上模锻件的余量和公差比锤上的小，但至今无统一标准，表 3-1 数据可供参考。 在本例的曲轴锻件中，初步定的压力机吨位为 40MN，故取余量为：轴向 2.5mm，主轴颈 2.5mm，连杆颈 3mm。连杆颈处的余量之因此适当增加是为了防止曲轴存在轴向弯曲而导致加工不出成品。而对于公差，取轴向公差由曲轴中心线向两侧标注，最大，厚度公差为2.0。4、确定锻件模锻斜度及圆角半径在锻件上与分模面相垂直的平面或曲面所附加的斜度或固有的斜度统称为模锻斜度。模锻斜度的功用是使锻件成形后能从型槽中顺利取出。可是加上模锻斜度后会增加金属损耗和机械加工工时，因此应尽量选用最小的模锻斜度。在热模锻压力机上，当用手工从终锻型槽中取出锻件时，则模锻斜度与锤上的一样。若采用顶杆将锻件顶出，模锻斜度可显著减小，一般为 27或更小。而为了便于金属在型槽内流动和考虑到锻模强度，锻件上凸出或凹下的部位都不允许呈锐角状，应当带有适当的圆角。凸圆角的作用是避免锻模在热处理时和模锻过程中因应力集中导致开裂，凹圆角的作用是使金属易于流动充填型槽，防止产生折叠、防止型槽过早被压塌。按锻造工艺学所给出的参考数据，在本例的曲轴锻件中，取模锻斜度为 3，凸圆角半径为 3mm，凹圆角半径为 6mm。5、制定锻件技术要求 根据对曲轴锻件锻造工艺过程、锻件使用性能及相关缺陷进行综合分析，制定曲轴锻件的技术要求：未注明的模锻斜度为 3，凸圆角半径为 3mm，凹圆角半径为 6mm；表面不应有未充满、分层、裂纹、毛刺、氧化皮、及腐蚀现象；锻后进行正火、调制处理、去应力退火，硬度为HB180-228；流线方向应与曲轴外轮廓形状相符；金相组织应为均匀的细晶结构，晶粒度为5-8级。6、作出冷锻件图根据以上工艺分析，作出冷锻件图如下： 由于打印排版设置可能会导致相关线型和尺寸表示不清楚，现将冷锻件图一分为二。左半部分右半部分图中锻件外形用粗实线表示，零件外形用双点画线表示，以便区别各处的加工余量是否满足要求。锻件的公称尺寸与公差标注在尺寸线上面，而零件的尺寸标注在尺寸线下面的括号内。