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摩托车曲柄的精密楔横轧制坯工艺 |
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作者：徐春国 任广升 李兴国 张松云 |
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摘要：讨论了采用楔横轧精密制坯，摩擦压力机精密模锻成形生产摩托车曲柄的新工艺，此工艺具有生产效率高、锻件质量好、节材等诸多优点，值得在该领域推广应用。
关键词：楔横轧；精密锻造；曲柄
一、前言
近年来，我国摩托车行业获得了长足的发展，1996年摩托车产量已达1000万辆，成为世界上最大摩托车生产国。曲柄是摩托车发动机内的关键传动部件，对其性能要求较高，只有采用锻造的方法，才能满足其性能要求。
旧的曲柄生产工艺多为：火焰炉加热、空气锤手工制坯、摩擦压力机成形。由于采用空气锤手工制坯，普遍存在生产效率低、锻件质量不容易保证、工人劳动强度大等缺点，难以满足当前行业的需求，迫切需要一种新的高效生产工艺提供高质量的锻坯。
楔横轧是高效成形精密阶梯轴类件的新工艺，与传统模锻相比，生产率是传统模锻的2～5倍，材料利用率提高10%～35%，模具寿命提高10倍以上。自60年代兴起以来，经过众多学者的研究与生产厂家的应用，其技术已日臻完善，近年来在汽车、摩托车、内燃机等行业得到了广泛的应用，显示出了综合技术经济优越性。
二、楔横轧精密制坯工艺设计
摩托车曲柄的规格很多，本文以TB50曲柄为例，讨论其成形过程及设计技术。根据TB50曲柄的锻件图(如图1所示)，经体积计算设计如图2的楔横轧毛坯图。由于楔横轧工艺可以有较高的精度，杆部可以由楔横轧直接成形，头部由模锻成形，从而可以大大提高材料利用率。 
图1曲柄锻件图
该楔横轧工艺采用一模两件轧制，这样可以保证轧制具有良好的工艺性，且有较高的生产效率。
图2曲柄楔横轧毛坯图
轧件最大的断面缩减率为η＝1-(d／D)2＝1-(16.5／40)2＝83%，已超过楔横轧工艺的一次轧制的极限断面缩减率75%，故应分两次轧制。第一次轧制后的中间直径取Φ28，其断面缩减率为51%，第二次轧制分别成形Φ23处圆柱部分(断面缩减率为33%)和Φ16.5处的圆锥部分(33%～65%)。由于左右曲柄利用一副模具生产，故楔横轧模具为非对称模具。第一次轧制Φ28段时可以采用对称轧制，第二次轧制时采用不同的成形角以平衡轴向力，利用楔入分料点偏置的方法保证左右变形的同步。楔横轧制坯模具简图如图3所示。
考虑到左边的瞬时压下量大于右边的瞬时压下量，所以两边采用不同的成形角以平衡轴向力，左边的成形角取28°，右边的成形角取30°。
图3楔横轧模具简图
在楔横轧工艺设计中，如果采用两次轧制工艺，必然在第一次轧制的基圆与第二次轧制的基圆间存在一过渡台肩。台肩设计不合理，可能会使此台肩对第一次轧制时留下的头部造成挤压，从而在头部和杆部联接处产生折叠。如果折叠严重，会使模锻时在该部位产生折叠缺陷，形成废品。因此，这一台肩的正确设计可以确保在轧制过程中此台肩与头部不发生干涉。
图4二次轧制时过渡台肩的设计
台肩的设计(图4)原则为台肩的展宽量应与第二次楔展量相协调。由于楔入段的展宽效果不明显，故可忽略此段的影响。这一台肩的起点从展宽起点对应的A点开始。在某一瞬时位置：
由于dy＝dx.cotβx
积分可得：
忽略第二项，可以认为展宽线为直线，从而可以导出，
当第二次轧制时工件的中间形状为贺柱时，有：
就是说当第二次轧制工件的中间形状为圆柱体时，展宽线为一斜率为cotβ的直线，两基圆件的过渡台肩为以 为斜率的直线， 为第二次轧制的断面缩减率。
在实际的模具设计中，上述的计算方法可能导致模具加工困难，因此为保证模具具有良好的机加性，只要使台肩的斜率小于计算的斜率即可。
三、经济技术分析
楔横轧成形的锻件精度很容易达到GB12361-12362-90《钢质模锻件》国家标准中的精密级，因此，杆部的尺寸精度很容易得到保证，从而锻件可以留有较少的机加工余量，节约了原材料和后续机加工工时，材料利用率可达95%。杆部和头部的同轴度也有较高的精度、可以控制在0.5mm以内，而空气锤制坯采用胎模锻拔长杆部，对工人的技能要求较高。工人操作时要特别认真，即使这样也难免杆部和头部的同轴度出现较大的偏差，从而导致在模锻时，圆盘的个别部位出现缺肉等缺陷，造成废品。胎膜锻拔长杆部时，在杆部的尾端常出现凹心，圆盘杆部连接处产生折叠的缺陷，楔横轧制坯工艺可以完全避免这些缺陷的产生。楔横轧制坯的生产节拍可达12件／min，班产按6h计，可达4320件／班，年产可达100万件以上，具有很高的生产效率。
四、结论
采用楔横轧工艺生产摩托车曲柄中间毛坯是目前较为先进的生产工艺，具有高效、节材、自动化程度高、产品质量好、工人劳动条件好、生产噪音小等诸多优点，具有综合技术经济优越性，值得在行业推广应用。
作者单位：徐春国任广升北京机电研究所(100083)；李兴国张松云青岛天鸿精锻公司
参考文献
［1］石丰平.摩托车左曲柄锻件的胎锻精化.锻压技术，1994(1)：16～17
［2］白志斌，任广升等.回转类零件楔横轧成形辊型参数的计算.农业机械学报，1992，23(4)：66～70(end)
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(6/10/2007) |
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