CN100414553C - 大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具及预成形毛坯的设计方法 - Google Patents
大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具及预成形毛坯的设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN100414553C CN100414553C CNB2006101341121A CN200610134112A CN100414553C CN 100414553 C CN100414553 C CN 100414553C CN B2006101341121 A CNB2006101341121 A CN B2006101341121A CN 200610134112 A CN200610134112 A CN 200610134112A CN 100414553 C CN100414553 C CN 100414553C
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- represent
- base
- plate
- blank
- mould
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 99
- 238000005242 forging Methods 0.000 title claims description 65
- 238000013461 design Methods 0.000 claims abstract description 45
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 claims abstract description 22
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims abstract description 13
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 51
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 23
- 210000000080 chela (arthropods) Anatomy 0.000 claims description 16
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 13
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 3
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 3
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 claims description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 2
- 210000001364 upper extremity Anatomy 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 8
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 abstract description 7
- 101000979046 Homo sapiens Lysosomal alpha-mannosidase Proteins 0.000 abstract 1
- 102100023231 Lysosomal alpha-mannosidase Human genes 0.000 abstract 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 8
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000007730 finishing process Methods 0.000 description 3
- 238000005482 strain hardening Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 2
- 230000008676 import Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 238000007514 turning Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Forging (AREA)
Abstract
本发明属于锻造领域，具体地说就是一种船用曲轴曲拐弯曲锻造模具及预成形毛坯的设计方法，它适用于大型船用曲轴曲拐的模具和预成形毛坯的设计过程。本发明是采用计算机模拟技术设计近终型的预成形毛坯、V形模、弯曲上模、弯曲下模、下凹模、插板，并设计各种模具的配合使用方法。采用本发明方法设计的模具和预成形毛坯，可生产出MAN B&W和WNSD柴油机专利公司的全部机型曲轴曲拐部件。本发明为大型船用曲轴曲拐的制造提供了一种能够节约原材料、缩短生产周期、减少加工余量的工艺技术。采用本发明设计的模具对预成形毛坯进行锻造，得到的曲拐部件成形质量良好，外形对称，流线均匀，加工余量均匀。
Description
技术领域
本发明属于锻造领域，具体地说就是一种船用曲轴曲拐弯曲锻造模具及预成形毛坯的设计方法，它适用于大型船用曲轴曲拐的模具和预成形毛坯的过程。
背景技术
曲轴是柴油机最重要的部件，大型船用柴油主机曲轴的价值约占整机价值的10～15％左右，目前我国每年需求量在200根以上，绝大部分曲轴依赖从日韩等国进口，进口曲轴不但价格昂贵，而且交货不及时，曲轴配套已成为制约我国船舶工业发展的瓶颈问题。
常见的大型低速柴油机曲轴(单拐重量在5吨以上，整轴重量在50吨以上)结构是半组合式的，半组合式曲轴由自由端轴颈、输出端轴颈、中间主轴颈和曲拐红套组成，其中的输出端轴颈、自由端轴颈、中间主轴颈毛坯形状简单，且尺寸不大，而曲拐形状复杂，尺寸大，是生产曲轴的关键，实际上，制造半组合曲轴毛坯的核心技术就是曲拐毛坯的锻造成形技术。
目前绝大部分半组合曲轴曲拐毛坯采用弯曲锻造方法制造，这种方法的特点是操作简便，产品型号范围广，对锻压设备要求不高。
在现有工艺的曲拐弯曲成形过程中，曲拐内开档容易出现喇叭口、折叠裂纹等缺陷，曲臂侧面容易出现减薄、缩腰等缺陷，严重时将造成曲拐锻件报废。成形后的锻件大多呈长方体形状，加工余量不均匀，尤其在曲柄销位置，加工零件截面为圆形，而实际锻件均为长方形，不但加工余量大，而且加工难度高，在加工时一种方法是采用气割去掉曲柄销部位多余材质，这种方法的优点是速度快，效率高，缺点时气割操作时难度大，存在热影响区，极易出现废品；另外一种方法是采用曲拐立车加工，这种方法的优点是成品率高，但加工余量大，加工时间长。因此，通过改进弯曲之前曲拐预成形毛坯的形状以及模具的形状，可使成形后的毛坯不但成品率高、锻造缺陷少，而且加工余量均匀，加工难度小，加工效率高。
随着现代锻造理论和计算机模拟技术的发展，采用模拟技术预测大型铸锻件的成形过程已进入实用阶段。国际上开发出很多模拟软件(如：ABAQUS，ANSYS，MARC，DEFORM等)来模拟金属的塑性变形过程。根据模拟结果，可以得到锻件的最终形状和尺寸，由模拟得到的金属材质的流动方向、不同位置所受的应力和应变的变化情况等可以预测锻件缺陷的类型和产生的位置。通过在计算机平台上的反复试验，可以确定一种最佳的锻造工艺，并得到模具和毛坯的设计尺寸，采用计算机模拟技术对工艺进行设计和优化，可明显缩短产品试制的周期，节省原材料、降低废品率，进而降低生产成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具及预成形毛坯的设计方法，采用该方法设计得到的模具生产大型船用曲轴曲拐，能够消除曲拐弯锻过程经常出现的喇叭口、折叠裂纹、缩腰、减薄等缺陷，并大大减少曲拐毛坯锻件的加工余量，减小后续冷加工的难度，缩短曲轴产品的生产周期。
本发明开发了大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具及预成形毛坯的设计方法，其主要内容包括：
1)采用计算机模拟技术设计近终型的预成形毛坯：首先根据曲拐零件的加工图纸初步设计毛坯的形状，然后通过计算机模拟得到变形后的曲拐毛坯，将曲拐加工零件放置到毛坯锻件的内部，采用数值化技术确定不同位置的加工余量，将曲拐锻件上多余的加工余量去除后，应用反变形方法将已经去除多余加工余量的变形锻件恢复到未变形状态，最终得到具有最佳形状的预成形毛坯，这种预成形毛坯的特点是可以使整个锻件的加工余量最小，并可减小后续冷加工的难度，预成形毛坯为板状曲臂和中部设置的预成形毛坯凸台构成，毛坯中部两侧对称位置开设V形槽。
2)采用计算机模拟技术设计曲拐弯锻和精整模具：根据曲拐弯曲时的金属流动规律确定V形模、上模、下模、下凹模、插板的形状及尺寸的设计公式，所有模具尺寸均通过计算机模拟校核。
用于将曲拐毛坯压出V形槽的V形模与曲拐毛坯中部两侧对称位置相应，上模与毛坯接触部位为弧形，下模内腔为楔形结构，楔形下模的底表面设置下凹模，下凹模与毛坯接触部位为弧形，用于精整的插板与毛坯内表面相应，插板与毛坯接触部位为弧形，插板两侧设计挡板。
3)采用计算机模拟技术设计各种模具的配合使用方法：
在制备预成形毛坯的过程中，将钢锭拔成带预成形毛坯凸台的毛坯后，采用V形模在毛坯中部压出两个对称的V形槽；在曲拐的弯曲锻造过程中，首先将上模、毛坯、下模对中，然后用上平砧缓缓压上模，使毛坯沿下模内腔发生弯曲，当上模与下凹模接触时停止弯曲，此时曲拐毛坯中部为圆柱形，然后将毛坯脱离下模，旋转上模带动毛坯转动90°，移动台板，使上平砧、下平砧和毛坯处于水压机操作空间内，采用上平砧、下平砧沿曲柄销端至曲臂端将毛坯逐渐向上模压靠，并注意翻转，使两曲臂平行，并保证长短一致；取出上模，插入插板精整，将毛坯两曲臂向插板压靠至指定高度，最后修整外形，取出插板完工。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用数值模拟技术确定了一种大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具及预成形毛坯的设计方法，采用该方法设计得到模具生产大型船用曲轴曲拐，能够消除曲拐弯锻过程经常出现的喇叭口、折叠裂纹、缩腰、减薄等缺陷，并大大减少曲拐毛坯锻件的加工余量，减小后续冷加工的难度，缩短曲轴产品的生产周期。
2、采用计算机模拟技术制定曲拐的锻造工艺，减少了试验次数，降低了研究费用。可以根据计算模拟结果准确地预测锻件的最终形状及尺寸，确保生产出高质量的曲拐毛坯锻件。
3、本发明建立的预成形毛坯以及各种模具的形状尺寸设计公式适用于生产MAN B&W(曼恩比维)和WNSD(瓦锡兰)柴油机专利公司的全部机型曲轴曲拐部件，生产新型号曲拐零件时，只须根据零件加工图纸即可设计出预成形毛坯和锻造模具，可大大减少设计时间，降低研制费用，缩短产品生产周期。
附图说明
图1a-b为曲拐粗加工零件的形状示意图；图1a为主视图，图1b为图1a的剖视图。
图2a-c为曲拐预成形毛坯的形状示意图；图2a为主视图，图2b为俯视图，图2c为侧视图。
图3a-c为曲拐预成形V形模的形状示意图；图3a为主视图，图3b为俯视图，图3c为侧视图。
图4a-c为曲拐弯曲上模的形状示意图；图4a为主视图，图4b为俯视图，图4c为侧视图。
图5a-b为曲拐弯曲下模的形状示意图；图5a为主视图，图5b为侧视图。
图6a-b为曲拐弯曲下凹槽模的形状示意图；图6a为主视图，图6b为侧视图。
图7a-b为曲拐精整插板的形状示意图；图7a为主视图，图7b为俯视图。
图8为弯曲锻造时模具和毛坯摆放示意图。
图9为曲拐弯曲过程模拟图。
图10为采用上模精整模拟图。
图11为采用插板精整模拟图。
图12为成形后的毛坯与加工零件比较。
图13为成形后曲柄销截面的圆柱形区域。
图14为传统工艺弯曲过程模拟图。
图15为传统工艺精整过程模拟图。
图16a-b为传统工艺成形后的毛坯与加工零件比较；图16a为俯视图，图16b为主视图。
图中，1-上平砧；2-上模；3-毛坯；4-下凹模；5-下模；6-台板；7-下平砧；8-插板；9-加工零件；10-成形后的毛坯；11-V形槽；12-上模弧形槽；13-插板弧形槽；14-V形模；15-下凹模弧形槽；16-曲柄销；17-挡板；18-曲臂；19-红套孔；20-预成形毛坯凸台；21-V形模底座；22-连接板；23-上模工作端；24-上模钳把；25-下模底座；26-下模工作层；27-下凹模底座；28-插板板身；29-插板钳把；30-下模肋板。
具体实施方式
下面结合附图及实施例详述本发明，本发明中除角度以外，其他长度单位均为毫米。
如图1a-b所示，曲拐加工零件9包括曲臂18、曲柄销16，曲臂18上开设红套孔19。本发明采用的大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具及预成形毛坯的设计方法具体步骤如下：
1)采用计算机模拟技术设计近终型的预成形毛坯：首先根据曲拐零件的加工图纸初步设计毛坯的形状，然后通过计算机模拟得到变形后的曲拐毛坯，将曲拐加工零件放置到毛坯锻件的内部，采用数值化技术确定不同位置的加工余量，将曲拐锻件上多余的加工余量去除后，应用反变形方法将已经去除多余加工余量的变形锻件恢复到未变形状态，就得到具有最佳形状的预成形毛坯，这种预成形毛坯的特点是可以使整个锻件的加工余量最小，并可减小后续冷加工的难度。
参见图2a-c，预成形毛坯3为板状曲臂18和中部设置的预成形毛坯凸台20构成，毛坯中部两侧对称位置开设V形槽11。根据零件加工图纸设计得到的曲拐预成形毛坯各部位尺寸设计公式(单位，mm)如下：
a坯＝(1.15～1.2)a零
b坯＝(1.2～1.25)b零
h坯＝(1.14～1.06)(2R1零)
α坯＝α零-(1°～2°)
β坯＝14.5°～15.5°
γ坯＝22°～29°
c坯＝(0.4～0.6)d坯
(c坯+d坯+h坯)＝(1.00～1.05)L零
s坯＝c坯tgβ坯
k坯＝h坯-a坯-s坯
e坯＝(1.04～1.1)(2a零+f零)
f坯＝(0.8～0.95)f零
u坯＝(1.20～1.28)u零
w坯＝(1.10～1.14)w零
g坯＝(w坯-u坯)ctgγ坯+f坯
L坯＝2(d坯+c坯)+e坯
其中，曲拐加工零件尺寸代号的含义如下：
b零代表曲柄销末端的高度，α零代表主视图中，曲臂上/下表面与曲臂末端斜面之间的夹角，k零代表曲臂末端斜面的长度，L零代表曲拐的总长度，a零代表曲臂厚度，f零代表曲拐内开裆尺寸，u零代表侧视图中，曲臂末端的宽度，β零代表侧视图中，曲臂外表面与曲臂末端斜面之间的夹角，R1零代表曲柄销圆柱的半径，w零代表曲臂的宽度，R2零代表曲臂上红套孔的半径。
曲拐预成形毛坯锻件尺寸代号的含义如下：
b坯代表预成形毛坯凸台上缘的宽度，α坯代表预成形毛坯凸台一侧倾斜平面与垂直平面之间的夹角，e坯代表预成形毛坯凸台下缘的宽度，k坯代表预成形毛坯凸台的高度，β坯代表预成形毛坯凸台与曲臂连接斜梢的倾角，s坯代预成形毛坯凸台与曲臂连接斜梢的高度，c坯代表预形毛坯凸台与曲臂连接斜梢的长度，a坯代表曲臂的厚度，d坯代表曲臂的长度，L坯代表预成形毛坯的总长度，h坯代表预成形毛坯的总高度，w坯代表预成形毛坯的总宽度，u坯代表压完V形槽后的预成形毛坯中部的宽度，f坯代表V形槽内部的宽度，g坯代表V形槽外部的宽度，γ坯代表V形槽斜面与底面的夹角。
2)V形模的设计方法：
V形模14的作用是在压完预成形毛坯凸台的曲拐毛坯中部压出对称的两个V形槽11，这样可使曲拐毛坯在弯曲过程中内开档不发生材质堆积，避免产生喇叭口和裂纹缺陷。
参见图3a-c，V形模14由V形模底座21、两侧的连接板22构成，V形模底座21为V形结构。V形模各部位尺寸设计公式(单位，mm)如下：
h1V模＝280～320
h2V模＝100～120
αV模＝280°～320°
w1V模＝f坯
w2V模＝w1V模+2h1V模tgαV模
L1V模＝1.5h坯
其中，w1V模代表V形模工作面前端的宽度，w2V模代表V形模底座的宽度，h1V模代表V形模工作斜面的高度，h2V模代表V形模底座的高度，w3V模代表V形模两侧连接板的宽度，L1V模代表V形模工作面的长度，L2V模代表V形模两侧连接板的长度，αV模代表V形模两侧倾斜平面与垂直平面之间的夹角，f坯代表V形槽内部的宽度，h坯代表预成形毛坯的总高度。
3)弯曲上模的设计方法：
上模的主要作用是使毛坯发生弯曲。将上模与毛坯接触部位设计成圆弧形，上模2下端(与毛坯接触的工作端)为上模弧形槽12，这样既可达到弯曲毛坯的目的，又可使毛坯的曲柄销部位呈现圆柱形，减少加工余量，减小冷加工难度。
参见图4a-c，上模2为上模工作端23、上模钳把24连接构成，上模工作端23与毛坯接触部分为上模弧形槽12。曲拐弯曲上模各部位尺寸设计公式(单位，mm)如下：
R2上模＝R1上模+(150～200)
R3上模＝150～250
w2上模＝(1.33～1.35)f零
w1上模＝(0.60～0.70)w2上模
H2上模＝R2上模-R1上模
L1上模＝2R1上模+1500
L2上模＝180～220
L3上模＝1400～1600
L4上模＝500+R1上模
L5上模＝1000+R1上模
d上模＝550～650
其中，L1上模代表上模工作端的总长度，L2上模代表工作端与上模钳把连接区域的长度，L3上模代表上模钳把的长度，L4上模代表上模工作端前端至弧形槽中心线的距离，L5上模代表弧形槽中心线至上模工作端末端的距离，H1上模代表上模工作端的高度，H2上模代表弧形槽内侧与外侧的高度差，w1上模代表弧形槽两侧过渡区域前端的厚度，w3上模代表弧形槽前端的厚度，w2上模代表上模工作端模身的厚度，R1上模代表弧形槽内侧的半径，R2上模代表弧形槽外侧的半径，R3上模代表弧形槽内半圆与两侧平直工作面之间的圆角半径，d上模代表上模钳把的直径，h坯代表预成形毛坯的总高度，f零代表曲拐内开裆尺寸，L坯代表预成形毛坯的总长度。
4)弯曲下模的设计方法：
下模的主要作用是提供毛坯发生弯曲的模腔，根据预成形毛坯的形状，将下模5内腔设计成楔形，这样可使毛坯在弯曲时曲臂外表面贴模，减小侧面的缩腰和减薄，并可使毛坯弯曲内表面向上模挤靠，从而提高毛坯内开档质量。
参见图5a-b，下模5由下模底座25和两侧的下模工作层26构成，下模工作层26向外倾斜，形成楔形内腔，下模工作层26外侧设有下模肋板30。曲拐弯曲下模各部位尺寸设计公式(单位，mm)如下：
α下模＝7°～13°
R1下模＝400～500
R2下模＝300～400
d1下模＝(1.60～1.75)e坯
d2下模＝d1下模-2(h下模-d4下模)tgα下模
d3下模＝250～300
d4下模＝350～500
d5下模＝d1下模+2R1下模
w下模＝(1.2～1.4)w坯
其中，d1下模代表倒圆角前模腔外口的宽度，d2下模代表倒圆角前模腔内口的宽度，R1下模代表模腔外缘倒角的半径，R2下模代表模腔内缘倒角的半径，α下模代表模腔内表面的倾斜角度，d3下模代表下模工作层的厚度，d4下模代表模具下模底座的厚度，d5下模代表模具下模底座的长度，w下模代表模具下模底座的宽度，w1下模代表模具两侧下模肋板的厚度，w2下模两下模肋板之间的距离，h下模代表模具的总高度，w坯代表预成形毛坯的总宽度，e坯代表凸台下缘的宽度。
5)下凹模的设计方法：
下凹模4置于楔形下模5的底表面，下凹模4上端(与毛坯接触的工作端)为下凹模弧形槽15，下凹模4的主要作用是弯曲时配合上模将曲拐毛坯的曲柄销部位压出圆柱形区域。
参见图6a-b，下凹模4由下凹模弧形槽15以及与下模5接触的下凹模底座27构成，下凹模各部位尺寸设计公式(单位，mm)如下：
R1下凹＝R1上模
R2下凹＝R2上模
R3下凹＝R3上模
H1下凹＝R2下凹-R1下凹
H2下凹＝H1下凹
H下凹＝R2下凹
w1下凹＝w1上模
w2下凹＝w2上模
w3下凹＝w3上模
L下凹＝w下模
其中，R1下凹代表下凹模弧形槽内侧的半径，R2下凹代表下凹模弧形槽外侧的半径，R3下凹代表弧形槽内半圆与两侧平直工作面之间的圆角半径，H1下凹代表弧形槽内侧与外侧的高度差，H2下凹代表下凹模底座的高度，L下凹代表下凹模的总长度，w1下凹代表弧形槽两侧过渡区域前端的厚度，w3下凹代表弧形槽前端的厚度，w2下凹代表弧形槽工作端模身的厚度，H下凹代表下凹模的总高度，R1上模代表弧形槽内侧的半径，R2上模代表弧形槽外侧的半径，R3上模代表弧形槽内半圆与两侧平直工作面之间的圆角半径，w1上模代表弧形槽两侧过渡区域前端的厚度，w3上模代表弧形槽前端的厚度，w2上模代表上模工作端模身的厚度，w下模代表模具下模底座的宽度。
6)插板的设计方法：
插板的主要作用是在精整时能够挑起毛坯，将毛坯各部位压到工艺规定尺寸。插板上端也设计成弧形，插板8与毛坯接触的工作端为插板弧形槽13，这样可保证精整过程曲柄销部位的圆柱区域形状，在插板两侧设计挡板17，可避免精整的翻转过程中毛坯滑落。
参见图7a-b，插板8由插板板身28、插板钳把29连接构成，插板板身28两侧设有挡板17。插板各部位尺寸设计公式(单位，mm)如下：
R1插板＝R1上模
R2插板＝R2上模
R3插板＝R3上模
w插板＝w坯+(200～300)
w1插板＝w坯
T1插板＝(0.85～0.90)f零
T2插板＝T1插板+10
T3插板＝(0.7～0.8)T1插板
A插板＝550～650
B插板＝1400～1600
C插板＝150～250
N插板＝1000～1200
M插板＝500～700
P插板＝150～200
其中，T3插板代表插板顶端斜梢最前端的尺寸，T1插板代表插板板身前端的厚度，T2插板代表插板板身后端的厚度，N插板代表挡板的长度，M插板代表挡板的宽度，P插 板代表挡板的厚度，R1插板代表弧形槽内侧的半径，R3插板代表弧形槽外侧的半径，R3插板代表弧形槽内半圆与两侧平直工作面之间的圆角半径，w1插板代表插板板身前半部分的宽度，w1插板代表插板板身后半部分的宽度，L插板代表插板板身的总长度，C插板代表插板板身与插板钳把连接处之间的距离，B插板代表插板钳把的长度，A插 板代表插板钳把的直径，R1上模代表弧形槽内侧的半径，R2上模代表弧形槽外侧的半径，R3上模代表弧形槽内半圆与两侧平直工作面之间的圆角半径，w坯代表预成形毛坯的总宽度，f零代表曲拐内开裆尺寸，L坯代表预成形毛坯的总长度。
7)各种模具的配合使用方法：
在制备预成形毛坯的过程中，将钢锭拔成带凸台的毛坯后，采用V形模14在毛坯中部压出两个对称的V形槽11；如图8所示，大型船用曲轴曲拐的弯曲锻造模具，包括上平砧1上、模2、下凹模4、弯曲下模5、台板6、下平砧7、插板8，上模2下端、下凹模4上端、插板8下端(与毛坯接触的工作端)均为弧形结构，上模2下端(与毛坯接触的工作端)为上模弧形槽12，下凹模4上端(与毛坯接触的工作端)为下凹模弧形槽15，插板8下端(与毛坯接触的工作端)为插板弧形槽13，弯曲下模内模腔部分为楔形结构，即侧面向外倾斜的楔形槽结构，其侧面倾斜角度α下模＝7-13°，插板8两侧设有挡板17，可避免精整的翻转过程中毛坯滑落。
在曲拐的弯曲锻造过程中，首先将上模2、毛坯3、下模5对中，然后用上平砧1缓缓压上模2，使毛坯3沿下模内腔发生弯曲，弯曲至一定程度时与下凹模4接触，当上模2与下凹模4接触时停止弯曲，此时曲拐毛坯3中部为圆柱形(参见图9)，然后将毛坯3脱离下模5，旋转上模2带动毛坯3转动90°，移动台板6，使上平砧1、下平砧7和毛坯3处于水压机操作空间内，采用上平砧1、下平砧7沿曲柄销16端至曲臂端将毛坯逐渐向上模2压靠(参见图10)，并注意翻转，使两曲臂平行，并保证长短一致。取出上模2，插入插板8精整(参见图11)，将毛坯3两曲臂向插板8压靠至指定高度，最后修整外形，取出插板8完工。
实施例
本实施例的锻造零件为MAN B&W专利公司的6S60MC-C型号曲轴曲拐，坯料材质为S34MnV，毛坯重15t，坯料加热温度为1250℃，模具材质为35CrMo，弯曲时水压机上砧压下速度约为20mm/s，锻造过程的计算机模拟结果如图9～13所示。由计算机模拟结果可知，在弯曲过程中，上模下端弧形缺口恰好卡在毛坯中部，这样可限制毛坯中部材质向两侧鼓起，当上模与下凹模接触时停止弯曲，此时曲拐毛坯中部为圆柱形，与加工零件形状一致(见图12-13)这样不但减少了加工余量，而且大大降低了冷加工难度，毛坯脱离下模后即可翻转上模精整，这样可使上模下端弧形区域始终与毛坯内开档紧密接触，保证了锻件内开档的质量，并使操作简便。插入插板精整时，插板两侧挡板可防止坯料在翻转时脱落。从成形后的毛坯与加工零件比较来看，锻件外形对称，加工余量均匀，尤其是在曲柄销部位，毛坯形状与零件形状一致，均为圆柱形，这样就大大降低了冷加工难度。采用本发明设计的模具对预成形毛坯进行锻造，得到的曲拐部件成形质量良好，外形对称，流线均匀，加工余量均匀，内外质量和机械性能均达到国际标准。
图14为采用传统工艺弯曲过程的模拟图，图15为传统工艺精整过程模拟图，图16a-b为传统工艺成形后的毛坯10(网格线部分)与加工零件9(轮廓线部分)比较。传统大型船用曲拐弯曲锻造模具仅包括上平砧1、上模2、下模5、插板8、下平砧7等，毛坯3仅为扁方坯，不带V形槽，采用该模具进行加工的工艺设计缺点是：
(1)预成形毛坯设计不合理，在弯曲过程中曲拐内开档材质发生堆积，并向两侧胀出，致使曲拐弯曲内表面折叠严重，在该位置毛坯容易出现喇叭口、折叠裂纹等缺陷。
(2)模具形状设计不合理，弯曲过程中毛坯侧面不能有效贴模，毛坯与模具间接触面积小，曲臂侧面容易出现减薄、缩腰等缺陷，造成加工余量不足。
本发明可以采用计算机模拟技术预测常见锻造缺陷：由于曲拐毛坯体积大，变形工艺复杂，整个锻造过程需要4～6火，单凭锻造经验无法预测到毛坯在整个锻造流程的成形情况。而采用计算机模拟技术，不但可以观察到不同位置的金属变形情况，得到整个锻造过程的应力场、应变场和温度场的演化，更好地了解锻件的成形机理，而且可以预测出曲拐毛坯锻造过程可能会产生的喇叭口、折叠裂纹、缩腰、减薄等各种锻造缺陷，从而在制定工艺时加以避免，因此，计算机模拟可为实际工艺设计提供理论指导。通过在计算机平台上的反复试验，可以确定一种有利于保证锻件成形质量、操作简便的锻压工艺。
Claims (1)
1. 大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具及预成形毛坯的设计方法，其特征在于具体步骤如下：
1)采用计算机模拟技术设计预成形毛坯；
2)采用计算机模拟技术设计曲拐弯锻和精整模具；
3)采用计算机模拟技术设计各种模具的配合使用方法；
所述步骤1)中，采用计算机模拟技术设计预成形毛坯，首先根据曲拐零件的加工图纸初步设计毛坯的形状，然后通过计算机模拟得到变形后的曲拐毛坯，将曲拐加工零件放置到毛坯锻件的内部，采用数值化技术确定不同位置的加工余量，将曲拐锻件上多余的加工余量去除后，应用反变形方法将已经去除多余加工余量的变形锻件恢复到未变形状态，最终得到预成形毛坯，预成形毛坯由板状曲臂和中部设置的预成形毛坯凸台构成，毛坯中部两侧对称位置开设V形槽；
所述步骤1)中，根据零件加工图纸设计得到的曲拐预成形毛坯各部位尺寸设计公式为：
a坯＝(1.15～1.2)a零
b坯＝(1.2～1.25)b零
h坯＝(1.14～1.06)(2R1零)
α坯＝α零-(1°～2°)
β坯＝14.5°～15.5°
γ坯＝22°～29°
c坯＝(0.4～0.6)d坯
(c坯+d坯+h坯)＝(1.00～1.05)L零
s坯＝c坯tgβ坯
k坯＝h坯-a坯-s坯
e坯＝(1.04～1.1)(2a零+f零)
f坯(0.8～0.95)f零
u坯＝(1.20～1.28)u零
w坯＝(1.10～1.14)w零
g坯＝(w坯-u坯)ctgγ坯+f坯
L坯＝2(d坯+c坯)+e坯
其中，曲拐加工零件尺寸代号的含义如下：
b零代表曲柄销末端的高度，α零代表主视图中，曲臂上/下表面与曲臂末端斜面之间的夹角，k零代表曲臂末端斜面的长度，L零代表曲拐的总长度，a零代表曲臂厚度，f零代表曲拐内开裆尺寸，u零代表侧视图中，曲臂末端的宽度，β零代表侧视图中，曲臂外表面与曲臂末端斜面之间的夹角，R1零代表曲柄销圆柱的半径，w零代表曲臂的宽度，R2零代表曲臂上红套孔的半径；
曲拐预成形毛坯锻件尺寸代号的含义如下：
b坯代表预成形毛坯凸台上缘的宽度，α坯代表预成形毛坯凸台一侧倾斜平面与垂直平面之间的夹角，e坯代表预成形毛坯凸台下缘的宽度，k坯代表预成形毛坯凸台的高度，β坯代表预成形毛坯凸台与曲臂连接斜梢的倾角，s坯代表预成形毛坯凸台与曲臂连接斜梢的高度，c坯代表预成形毛坯凸台与曲臂连接斜梢的长度，a坯代表曲臂的厚度，d坯代表曲臂的长度，L坯代表预成形毛坯的总长度，h坯代表预成形毛坯的总高度，w坯代表预成形毛坯的总宽度，u坯代表压完V形槽后的预成形毛坯中部的宽度，f坯代表V形槽内部的宽度，g坯代表V形槽外部的宽度，γ坯代表V形槽斜面与底面的夹角；
所述步骤2)中，采用计算机模拟技术设计曲拐弯锻和精整模具：根据曲拐弯曲时的金属流动规律确定了V形模、上模、下模、下凹模、插板的形状及尺寸设计公式；用于将曲拐毛坯压出V形槽的V形模与曲拐毛坯中部两侧对称位置相应，上模与毛坯接触部位为弧形，下模内腔为楔形结构，楔形下模的底表面设置下凹模，下凹模与毛坯接触部位为弧形，用于精整的插板与毛坯内表面相应，插板与毛坯接触部位为弧形，插板两侧设计挡板；
所述步骤2)中，V形模各部位尺寸设计公式为：
h1V模＝280～320
h2V模＝100～120
αV模＝280°～320°
w1V模＝f坯
w2V模＝w1V模+2h1V模tgαV模
L1V模＝1.5h坯
其中，w1V模代表V形模工作面前端的宽度，w2V模代表V形模底座的宽度，h1V模代表V形模工作斜面的高度，h2V模代表V形模底的高度，w3V模代表V形模两侧连接板的宽度，L1V模代表V形模工作面的长度，L2V模代表V形模两侧连接板的长度；αV模代表V形模两侧倾斜平面与垂直平面之间的夹角，f坯代表V形槽内部的宽度，h坯代表预成形毛坯的总高度；
所述步骤2)中，曲拐弯曲上模各部位尺寸设计公式为：
R2上模＝R1上模+(150～200)
R3上模＝150～250
w2上模＝(1.33～1.35)f零
w1上模＝(0.60～0.70)w2上模
H2上模＝R2上模-R1上模
L1上模＝2R1上模+1500
L2上模＝180～220
L3上模＝1400～1600
L4上模＝500+R1上模
L5上模＝1000+R1上模
d上模＝550～650
其中，L1上模代表上模工作端的总长度，L2上模代表工作端与上模钳把连接区域的长度，L3上模代表上模钳把的长度，L4上模代表上模工作端前端至弧形槽中心线的距离，L5上模代表弧形槽中心线至上模工作端末端的距离，H1上模代表上模工作端的高度，H2上模代表弧形槽内侧与外侧的高度差，w1上模代表弧形槽两侧过渡区域前端的厚度，w3上模代表弧形槽前端的厚度，w2上模代表上模工作端模身的厚度，R1上模代表弧形槽内侧的半径，R2上模代表弧形槽外侧的半径，R3上模代表弧形槽内半圆与两侧平直工作面之间的圆角半径，d上模代表上模钳把的直径，h坯代表预成形毛坯的总高度，f零代表曲拐内开裆尺寸，L坯代表预成形毛坯的总长度；
所述步骤2)中，曲拐弯曲下模各部位尺寸设计公式为：
α下模＝7°～13°
R1下模＝400～500
R2下模＝300～400
d1下模＝(1.60～1.75)e坯
d2下模＝d1下模-2(h下模-d4下模)tgα下模
d3下模＝250～300
d4下模＝350～500
d5下模＝d1下模+2R1下模
w下模＝(1.2～1.4)w坯
其中，d1下模代表倒圆角前模腔外口的宽度，d2下模代表倒圆角前模腔内口的宽度，R1下模代表模腔外缘倒角的半径，R2下模代表模腔内缘倒角的半径，α下模代表模腔内表面的倾斜角度，d3下模代表下模工作层的厚度，d4下模代表模具下模底座的厚度，d5下模代表模具下模底座的长度，w下模代表模具下模底座的宽度，w1下模代表模具两侧下模肋板的厚度，w2下模两下模肋板之间的距离，h下模代表模具的总高度，w坯代表预成形毛坯的总宽度，e坯代表预成形毛坯凸台下缘的宽度；
所述步骤2)中，下凹模各部位尺寸设计公式为：
R1下凹＝R1上模
R2下凹＝R2上模
R3下凹＝R3上模
H1下凹＝R2下凹-R1下凹
H2下凹＝H1下凹
H下凹＝R2下凹
w1下凹＝w1上模
w2下凹＝w2上模
w3下凹＝w3上模
L下凹＝w下模
其中，R1下凹代表下凹模弧形槽内侧的半径，R2下凹代表下凹模弧形槽外侧的半径，R3下凹代表弧形槽内半圆与两侧平直工作面之间的圆角半径，H1下凹代表弧形槽内侧与外侧的高度差，H2下凹代表下凹模底座的高度，L下凹代表下凹模的总长度，w1下凹代表弧形槽两侧过渡区域前端的厚度，w3下凹代表弧形槽前端的厚度，w2下凹代表弧形槽工作端模身的厚度，H下凹代表下凹模的总高度，R1上模代表弧形槽内侧的半径，R2上模代表弧形槽外侧的半径，R3上模代表弧形槽内半圆与两侧平直工作面之间的圆角半径，w1上模代表弧形槽两侧过渡区域前端的厚度，w3上模代表弧形槽前端的厚度，w2上模代表上模工作端模身的厚度，w下模代表模具下模底座的宽度；
所述步骤2)中，插板各部位尺寸设计公式为：
R1插板＝R1上模
R2插板＝R2上模
R3插板＝R3上模
w插板＝w坯+(200～300)
w1插板＝w坯
T1插板＝(0.85～0.90)f零
T2插板＝T1插板+10
T3插板＝(0.7～0.8)T1插板
A插板＝550～650
B插板＝1400～1600
C插板＝150～250
N插板＝1000～1200
M插板＝500～700
P插板＝150～200
其中，T3插板代表插板顶端斜梢最前端的尺寸，T1插板代表插板板身前端的厚度，T2插板代表插板板身后端的厚度，N插板代表挡板的长度，M插板代表挡板的宽度，P插 板代表挡板的厚度，R1插板代表弧形槽内侧的半径，R2插板代表弧形槽外侧的半径，R3插板代表弧形槽内半圆与两侧平直工作面之间的圆角半径，w1插板代表插板板身前半部分的宽度，w1插板代表插板板身后半部分的宽度，L插板代表插板板身的总长度，C插板代表插板板身与插板钳把连接处之间的距离，B插板代表插板钳把的长度，A插 板代表插板钳把的直径，R1上模代表弧形槽内侧的半径，R2上模代表弧形槽外侧的半径，R3上模代表弧形槽内半圆与两侧平直工作面之间的圆角半径，w坯代表预成形毛坯的总宽度，f零代表曲拐内开裆尺寸，L坯代表预成形毛坯的总长度；
上述公式中，长度单位为毫米；
所述步骤3)中，各种模具的配合使用方法为：在制备预成形毛坯的过程中，将钢锭拔成带预成形毛坯凸台的毛坯后，采用V形模在毛坯中部压出两个对称的V形槽；在曲拐的弯曲锻造过程中，首先将上模、毛坯、下模对中，然后用上平砧压上模，使毛坯沿下模内腔发生弯曲，当上模与下凹模接触时停止弯曲，此时曲拐毛坯中部为圆柱形，然后将毛坯脱离下模，旋转上模带动毛坯转动90°，移动台板，使上平砧、下平砧和毛坯处于水压机操作空间内，采用上平砧、下平砧沿曲柄销端至曲臂端将毛坯逐渐向上模压靠，并注意翻转，使两曲臂平行，并保证长短一致；取出上模，插入插板精整，将毛坯两曲臂向插板压靠至指定高度，最后修整外形，取出插板完工。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB2006101341121A CN100414553C (zh) | 2006-11-01 | 2006-11-01 | 大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具及预成形毛坯的设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB2006101341121A CN100414553C (zh) | 2006-11-01 | 2006-11-01 | 大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具及预成形毛坯的设计方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1949232A CN1949232A (zh) | 2007-04-18 |
| CN100414553C true CN100414553C (zh) | 2008-08-27 |
Family
ID=38018748
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNB2006101341121A Active CN100414553C (zh) | 2006-11-01 | 2006-11-01 | 大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具及预成形毛坯的设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN100414553C (zh) |
Families Citing this family (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100560246C (zh) * | 2007-10-19 | 2009-11-18 | 中国科学院金属研究所 | 组合式通用大型船用曲轴曲拐弯曲锻造下模及设计方法 |
| CN100509206C (zh) * | 2007-12-28 | 2009-07-08 | 中国科学院金属研究所 | 大型船用曲轴曲拐弯锻精整装置及使用方法 |
| CN101976288A (zh) * | 2010-10-30 | 2011-02-16 | 上海交通大学 | 船舶分段制造模拟系统 |
| CN102554087B (zh) * | 2011-12-31 | 2014-11-12 | 武汉重工铸锻有限责任公司 | 低速柴油机曲柄坯料弯模锻精整工艺 |
| JP6208062B2 (ja) * | 2014-03-25 | 2017-10-04 | 株式会社神戸製鋼所 | クランクスローの鍛造方法及びクランクスローの製造方法 |
| CN105643193B (zh) * | 2014-11-14 | 2018-07-06 | 陕西飞机工业（集团）有限公司 | 一种热锻状态铝合金锻件毛坯的优化方法 |
| CN104625073A (zh) * | 2015-02-02 | 2015-05-20 | 福立旺精密机电(中国)有限公司 | 金属注射成型产品轮廓变形的模具反变形处理工艺 |
| CN106862450B (zh) * | 2017-03-10 | 2018-09-18 | 江苏龙城精锻有限公司 | 一种确定爪极多工步热模锻预锻件形状尺寸的方法 |
| CN109530605A (zh) * | 2018-11-28 | 2019-03-29 | 上海电气上重铸锻有限公司 | 一种大型曲拐锻造装置和锻造方法 |
| CN109622856B (zh) * | 2018-12-13 | 2020-06-05 | 中国兵器工业第五九研究所 | 一种全纤维曲轴镦挤成形过程组合模具轴向间距调整方法 |
| CN113680938B (zh) * | 2021-08-19 | 2022-11-29 | 上海理工大学 | 一种旋锻径向成形毛坯设计方法 |
| WO2023071376A1 (zh) * | 2021-10-28 | 2023-05-04 | 中聚信海洋工程装备有限公司 | 用于锻造大型曲拐的组合砧模及工艺 |
| CN113926973B (zh) * | 2021-10-28 | 2023-07-21 | 中聚信海洋工程装备有限公司 | 一种锻造大型曲拐的组合砧模及工艺 |
| CN114346144B (zh) * | 2022-01-20 | 2024-01-26 | 中聚信海洋工程装备有限公司 | 一种大型曲拐两火次成型锻造工艺 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6193822B1 (en) * | 1997-07-03 | 2001-02-27 | Daido Steel Co., Ltd. | Method of manufacturing diesel engine valves |
-
2006
- 2006-11-01 CN CNB2006101341121A patent/CN100414553C/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6193822B1 (en) * | 1997-07-03 | 2001-02-27 | Daido Steel Co., Ltd. | Method of manufacturing diesel engine valves |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| ANSYS环境中柴油机曲轴静动特性的有限元分析. 付泽民，李延平，常勇，胡国清，陆小明.柴油机，第28卷第1期. 2006 * |
| 柴油机曲轴计算方法发展的回顾、现状与展望. 丁培杰，吴昌华.内燃机工程，第24卷第3期. 2003 * |
| 船舶主机横向支撑主要构件的受力计算. 张松鹤，张全.造船技术，第10期. 1993 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1949232A (zh) | 2007-04-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN100414553C (zh) | 大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具及预成形毛坯的设计方法 | |
| CN100415408C (zh) | 大型船用曲轴曲拐的弯曲锻造装置及锻造方法 | |
| CN200963665Y (zh) | 大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具 | |
| CN101564750B (zh) | 核电蒸发器带直边锥形筒体锻件成形工艺及成形装置 | |
| CN103128209B (zh) | 大型船用曲拐的半模锻方法及装置 | |
| CN100560246C (zh) | 组合式通用大型船用曲轴曲拐弯曲锻造下模及设计方法 | |
| CN107552584A (zh) | 一种“肚大口小”式枝桠类轻合金构件的挤压成形方法 | |
| CN107812871A (zh) | 一种高法兰变壁厚的厚壁封头整体锻造方法 | |
| CN102814447A (zh) | 高速列车制动盘盘毂锻造模具及其设计方法 | |
| CN106311946B (zh) | 一种基于组合模具的以非最大横截面为分模面的模锻方法 | |
| CN102172734B (zh) | 汽车变速器齿圈辗压制坯法 | |
| CN100509206C (zh) | 大型船用曲轴曲拐弯锻精整装置及使用方法 | |
| CN112475180A (zh) | 一种台阶轴类锻件的锻造模具及方法 | |
| CN103658476B (zh) | 一种异形端面外圆带凸台的厚壁空心锻件整体成形方法 | |
| CN201913125U (zh) | 平面分模曲轴终锻前的滚挤制坯模具 | |
| CN105855311B (zh) | 一种消除蓄能器外壳底部凹六角星冷挤开裂的方法 | |
| CN105964846B (zh) | 一种空心凸齿类锻件的成形方法 | |
| CN107900270A (zh) | 一种铰链梁整体模锻成型组合模具及其加工铰链梁方法 | |
| CN109433984B (zh) | 一种多爪构件的全纤维仿形锻造成形方法 | |
| CN204307929U (zh) | 用于内设高环形凸台环锻件锻造的工装 | |
| CN204867260U (zh) | 一种带法兰阀体整体锻造模具 | |
| CN104786011A (zh) | 一种镍铜合金封头的制造方法 | |
| CN109482807A (zh) | 双台齿轮异型锻件的粗坯锻造模具及其锻造方法 | |
| CN201154385Y (zh) | 大型船用曲轴曲拐弯锻精整装置 | |
| CN1166471C (zh) | 汽车爪极锻件精密锻造技术 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: METAL INST., CHINESE ACADEMY OF SCIENCES; SHANGHA Free format text: FORMER OWNER: METAL INST., CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Effective date: 20081107 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20081107 Address after: No. 72, Culture Road, Shenhe District, Shenyang City, Liaoning Province, China Postcode: 110016 Patentee after: Institute of metal research, Chinese Academy of Sciences Patentee after: Shanghai Heavy Machinery Factory Co., Ltd Address before: No. 72, Culture Road, Shenhe District, Shenyang City, Liaoning Province, China Postcode: 110016 Patentee before: Institute of metal research, Chinese Academy of Sciences |