CN110405124A - 船用全纤维曲轴镦锻成形方法及其成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种船用全纤维曲轴镦锻成形方法及其成形装置，该镦锻成形方法采用组合框架式液压机，其包括卧式压机和立式压机，两框架安装在同一底座上，镦锻时由上弯曲模和下弯曲模共同夹住坯料，在立式主液压缸、支撑缸和水平液压缸的推力下，并通过四肘杆机构使镦锻模具组及弯曲模共同作用，完成曲轴的曲臂镦锻成形。本申请压机的两个水平滑块可以借助第一组液压系统独立驱动，同时立式滑块可以借助第二组液压系统独立驱动，这样可借助比例阀和位移传感器自由调整弯曲模和镦锻模具组之间的行程及速度匹配关系，具有良好的柔性调整工艺的功能，以适应不同类型的曲轴成形。

Description

船用全纤维曲轴镦锻成形方法及其成形装置

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，具体涉及一种船用全纤维曲轴镦锻成形方法及其成形装置。

背景技术

船舶的发动机被称为船舶的心脏，曲轴是船舶发动机的主要运动部件之一，被视为发动机的核心部件。曲轴的主要功能是将发动机中活塞的往复运动汇总起来，并以回转运动的形式传递出去，此外，曲轴还担负着驱动配气机构、燃油泵、机油泵、水泵等装置的任务。

曲轴在工作的过程中受到周期性变化的外力、往复和旋转运动引起的惯性力以及弯矩、扭矩的共同作用。复杂的作用力在曲轴内产生交变的弯曲应力和扭转应力。同时，由于曲轴本身形状复杂、结构变化剧烈，因而在工作中存在着严重的应力集中现象。而曲轴在锻造成形中，由于变形不均匀，内部存在较大的残余应力。可见，曲轴在工作状态下内部应力状态极为复杂。为了保证曲轴正常工作，要求曲轴具有较高的疲劳强度和结构刚度。而金属材料的性能和成形方法是影响曲轴性能的主要因素。

全纤维曲轴是指坯料经锻造成形后，其金属纤维不被切断，最大限度的保持曲轴金属纤维的完整性。全纤维曲轴锻件经机加工后曲轴的金属纤维依旧是连续完整的，金属纤维的流向与曲轴结构外形相吻合。曲轴的金属全纤维性提高了曲轴的强度、耐磨性、耐腐蚀性，增强了在复杂工况条件下工作的可靠性，使得曲轴的机械性能、疲劳寿命及安全系数都大大提高。为此，有必要针对全纤维曲轴进行生产工艺的研究。

而在现有技术的曲轴生产过程中，存在镦锻力不足、成形质量不理想、镦锻与弯曲模具的运动关系不能柔性调整，不同曲轴相应于不同的工装，成本较高，压机压力全部由工装导轨平衡，导轨磨损严重等等问题。

发明内容

针对以上情况，本发明提供一种船用全纤维曲轴镦锻成形方法，该成形方法为TY法，TY法可在合模力不变的条件下显著提高镦锻力，明显提高成形质量，并且可使模具导轨承受的压力大大减小。弯曲模与镦锻模具的运动规律可独立控制，两者位移、速度间的关系可通过电液系统柔性调整，可适应不同类型曲轴的需要，减少工装成本，并使锻件的成形质量得到更为有效的保证。

本发明所采用的技术方案是提供一种船用全纤维曲轴镦锻成形方法，其包括以下步骤：

S1：支撑缸带动下弯曲模上移至预定位置，辅机将坯料置于下弯曲模之上，立式主液压缸推动立式滑块下移，所述立式滑块带动上弯曲模下移，所述上弯曲模和下弯曲模合模，并共同将坯料夹住；

S2：所述立式主液压缸与支撑缸同时加载，推动立式滑块继续下移，并按预设值带动上弯曲模、下弯曲模和坯料共同下移，对坯料进行镦锻前的定位；

S3：第一水平液压缸和第二水平液压缸分别推动第一水平滑块沿第一导轨和第二水平滑块沿第二导轨横向相向运动，且第一水平滑块带动第一模具和第二模具，第二水平滑块带动第三模具和第四模具，亦沿横向相向运动，直至接触纵向导轨时，使第一模具与第四模具合模，第二模具和第三模具合模，并分别锁模，同时将坯料两端部分别夹持于模腔内；

S4：所述第一模具、第二模具、第三模具、第四模具、上弯曲模和下弯曲模相互贴合，并夹住坯料，模具和坯料均处于镦锻前预定位置，辅机回程；

S5：所述第一水平液压缸、第二水平液压缸和立式主液压缸及支撑缸同时加载，在第一水平液压缸和第二水平液压缸所施水平压力的作用下，第一肘杆组带动第二模具和第三模具，第二肘杆组带动第一模具和第四模具，两组模具沿纵向导轨相向运动，使坯料两侧与曲拐两侧臂相应的部分，同时在第一模具、第二模具、第三模具和第四模具组合的模腔内镦挤成形，同时，因立式主液压缸的输出力大于支撑缸的输出力，从而使坯料向下产生弯曲成形为曲拐销；

S6：所述第一水平液压缸和第二水平液压缸分别带动第一水平滑块和第二水平滑块后退至初始位，并通过第一肘杆组带动第二模具和第三模具，第二肘杆组带动第一模具与第四模具沿第一及第二导轨相背方向分模；

S7：所述立式滑块带动上弯曲模上移复位，辅机卸料，支撑缸下移复位；以及

S8：模具移动缸分别推动第一肘杆组和第二肘杆组绕其与第一水平滑块和第二水平滑块的铰接点转动，使第一肘杆组带动第二模具和第三模具，第二肘杆组带动第一模具和第四模具复位，从而完成一个曲拐的镦锻成形。

可优选的是，所述步骤S5中，第一水平液压缸、第二水平液压缸通过第一水平滑块、第二水平滑块驱动第一肘杆组、第二肘杆组对第一模具、第二模具、第三模具、第四模具内的坯料同步施加夹紧力及镦锻力；所述立式主液压缸通过立式滑块对坯料施加垂直弯曲力；三力共同作用将夹持于模具中的坯料成形为一个曲拐。所述步骤S2中，立式主液压缸的活塞面积大于支撑缸的活塞面积。

本发明的另一方面提供一种船用全纤维曲轴镦锻成形装置，其包括立式框架、卧式框架、第一导轨、第二导轨、纵向导轨、立式滑块、第一水平滑块和第二水平滑块；且所述立式框架和所述卧式框架安装在同一底座上；所述第一导轨和第二导轨位于所述底座上且只承受重力，纵向导轨位于所述立式框架的底梁上；所述立式滑块和第一水平滑块、第二水平滑块这两个卧式滑块分别由两套电液比例系统控制，从而实现两者运动参数的柔性匹配；

所述立式框架内包括立式主液压缸、支撑缸及立式滑块，所提供的弯曲力在立式框架内平衡；所述立式框架的底梁的中心位置安装支撑缸，所述立式框架的两侧对称安装有两个立柱，所述立柱的上端安装有上梁，所述支撑缸的上端安装有下弯曲模，所述立式框架的上梁的中心位置安装立式主液压缸，所述立式主液压缸的下端安装立式滑块，所述立式滑块通过移动副沿立柱上下移动，所述立式滑块的下平面中心安装上弯曲模；

所述卧式框架内包括对称设置的第一水平液压缸、第二水平液压缸、第一水平滑块和第二水平滑块，两水平滑块驱动四肘杆、四肘杆驱动四模具沿纵向导轨运动，所提供的夹持力及镦锻力在卧式框架内平衡，所述卧式框架的第一端安装两个第一水平液压缸，所述卧式框架的第二端安装两个第二水平液压缸，且所述第一水平液压缸与第二水平液压缸对称分布；

所述第一水平滑块与所述第一水平液压缸固连，第二水平滑块与所述第二水平液压缸固连，所述第一水平滑块通过移动副沿第一导轨水平移动，所述第二水平滑块通过移动副沿第二导轨水平移动；所述立式滑块和第一水平滑块、第二水平滑块这两个卧式滑块分别由两套电液比例系统控制，从而实现两者运动参数的柔性匹配。所述第一水平滑块和第二水平滑块的第一端通过转动副分别与第一肘杆组的两个第一端对称铰接，所述第一水平滑块和第二水平滑块的第二端通过转动副分别与第二肘杆组的两个第一端铰接，所述第一肘杆组的两个第二端分别与第二模具及第三模具通过转动副铰接，所述第二肘杆组的两个第二端分别与第一模具及第四模具通过转动副铰接；

所述支撑缸设置在立式框架的底梁的中心位置上，所述第二模具、第三模具、所述第一模具与第四模具合模之后，与所述纵向导轨之间形成纵向移动副，所述第一水平滑块及第二水平滑块在所述第一水平液压缸和第二水平液压缸推动下，所述第一肘杆组和第二肘杆组形成两个相向的纵向分力，成为所述第二模具、第三模具、所述第一模具与第四模具沿纵向导轨相向的镦锻力，驱动第一模具、第二模具、第三模具和第四模具沿纵向合模，完成船用全纤维曲轴一个曲拐的镦锻成形。

可优选的是，所述第一模具与左导柱组固接，所述第二模具通过移动副与左导柱组活动连接，所述第四模具与右导柱组固接，所述第三模具通过移动副与右导柱组活动连接。

可优选的是，所述第一肘杆组和第二肘杆组的中部均通过转动副与模具移动缸第一端铰接，所述模具移动缸的第二端通过转动副分别与所述第一水平滑块和第二水平滑块铰接。

本发明的特点和有益效果是：

1、本发明所采用的压机为四肘杆结构，镦锻力的变化规律满足逐渐增大的成形需要，压机的镦锻力和夹紧力由四组肘杆同时提供，夹紧力沿水平纵向起作用，由两活动梁上的两组模块相互作用产生，由卧式压机框架直接承受，与下导轨面无关；

2、本发明所采用的压机的镦锻力和弯曲力由不同的液压系统控制，行程可独立调整，具有良好的柔性调整工艺的功能，具体而言，本申请压机的两个水平的滑块可以借助第一组液压系统来独立地驱动，同时一个垂直滑块可以借助第二组液压系统来独立地驱动，这样分别地驱动可以借助比例阀调整上弯曲模和镦锻模具之间的速度匹配关系，以适应不同类型的曲轴加工；

3、本发明所采用的压机设有空间正交的三条导轨，支撑三条导轨的水平机架和垂直机架有机地组合在一起，从而对三条导轨起良好支撑作用；

4、本发明的3个工艺力分别沿彼此正交的三条导轨施加于坯料，其中夹持力沿水平横向导轨、镦锻力沿水平纵向导轨、弯曲力沿垂直导轨作用。

附图说明

图1为本发明的整体装配结构示意图；

图2为本发明的卧式框架结构示意图；

图3为本发明的立式框架结构示意图；

图4为本发明的镦锻四肘杆机构运动简图；以及

图5为本发明的分模机构运动简图。

本发明的主要附图标记如下：

1-支撑缸；2-下弯曲模；3-立式主液压缸；4-立式滑块；5-上弯曲模；6-第一水平液压缸；7-第二水平液压缸；8-第一导轨；9-第二导轨；10-第一水平滑块；11-第二水平滑块；12-第一模具；13-第二模具；14-第三模具；15-第四模具；16-第一肘杆组；17-第二肘杆组；18-左导柱组；19-模具移动缸；20-立式框架；21-卧式框架；22-底座；23-立式框架底梁；24-立柱；25-上梁；26-固定梁；27-铰接点；28-纵向导轨；29-右导柱组。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明提供一种船用全纤维曲轴镦锻成形方法，如图1～5所示，其包括以下步骤：

S1：支撑缸1带动下弯曲模2上移至预定位置，辅机将坯料置于下弯曲模2之上，立式主液压缸3推动立式滑块4下移，立式滑块4带动上弯曲模5下移，上弯曲模5和下弯曲模2合模，并共同将坯料夹住；

S2：立式主液压缸3与支撑缸1同时加载，推动立式滑块4继续下移，并按预设值带动上弯曲模5、下弯曲模2和坯料共同下移，对坯料进行镦锻前的定位；

S3：第一水平液压缸6和第二水平液压缸7分别推动第一水平滑块10沿第一导轨8和第二水平滑块11沿第二导轨9横向相向运动，且第一水平滑块10带动第一模具12和第二模具13，第二水平滑块11带动第三模具14和第四模具15，亦沿横向相向运动，直至接触纵向导轨28时，使第一模具12与第四模具15合模，第二模具13和第三模具14合模，并分别锁模，同时将坯料两端部分别夹持于模腔内；

S4：第一模具12、第二模具13、第三模具14、第四模具15、上弯曲模5和下弯曲模2相互贴合，并夹住坯料，模具和坯料均处于镦锻前预定位置，辅机回程；

S5：第一水平液压缸6、第二水平液压缸7和立式主液压缸3及支撑缸1同时加载，在第一水平液压缸6和第二水平液压缸7所施水平压力的作用下，第一肘杆组16带动第二模具13和第三模具14，第二肘杆组17带动第一模具12和第四模具15，两组模具沿纵向导轨28相向运动，使一个曲拐两侧的曲臂同时在第一模具12、第二模具13、第三模具14和第四模具15组合的模腔内镦挤成形，同时，因立式主液压缸3的输出力大于支撑缸1的输出力，从而使坯料向下产生弯曲成形为曲拐销；

S6：第一水平液压缸6和第二水平液压缸7分别带动第一水平滑块10和第二水平滑块11后退至初始位，并通过第一肘杆组16带动第二模具13和第三模具14，第二肘杆组17带动第一模具12与第四模具15沿第一导轨8方向分模；

S7：立式滑块4带动上弯曲模5上移复位，辅机卸料，支撑缸1下移复位；

S8：模具移动缸19分别推动第一肘杆组16和第二肘杆组17绕其与第一水平滑块10和第二水平滑块11的铰接点27转动，使第一肘杆组16带动第二模具13和第三模具14，第二肘杆组17带动第一模具12和第四模具15快速精准复位，完成镦锻成形。

第一模具12、第二模具13、第三模具14、第四模具15、下弯曲模2和上弯曲模5，在镦锻之前进行预热处理，其预热温度为200℃。其中第一模具12、第二模具13、第三模具14和第四模具15合称为镦锻模具。

为实现上述工艺流程，本发明所采用的工艺设备是组合式液压机，其主要部件及工作原理图，如图1～5所示。

组合框架式液压机包括卧式框架21和立式框架20，两框架安装在同一底座22上，支撑缸1安装在立式框架底梁23的中心位置，立式框架20的两侧对称安装有两个立柱24，立柱24的上端安装有上梁25，支撑缸1的上端安装有下弯曲模2，立式框架上梁25的中央位置安装有立式主液压缸3，立式主液压缸3的下端安装有立式滑块4，立式滑块4通过移动副沿立柱24上下移动，立式滑块4的下平面中心安装有上弯曲模5。

卧式框架21的第一端安装有两个第一水平液压缸6，第二端安装有两个第二水平液压缸7，且第一水平液压缸6与第二水平液压缸7对称分布，第一水平液压缸6与第一水平滑块10固连，第二水平液压缸7与第二水平滑块11固连，第一水平滑块10通过移动副沿第一导轨8水平移动，第二水平滑块11通过移动副沿第二导轨9水平移动。立式滑块4和第一水平滑块10、第二水平滑块11这两个卧式滑块分别由两套电液比例系统控制，从而实现两者运动参数的柔性匹配。第一水平滑块10和第二水平滑块11的第一端通过转动副分别与第一肘杆组16的两个第一端对称铰接，第一水平滑块10和第二水平滑块11的第二端通过转动副分别与第二肘杆组17的两个第一端铰接。第一肘杆组16的两个第二端分别与第二模具13及第三模具14通过转动副铰接，第二肘杆组17的两个第二端分别与第一模具12及第四模具15通过转动副铰接。

第一模具12与左导柱组18固接，第二模具13通过移动副与左导柱组18动连；第四模具15与右导柱组29固接，第三模具14通过移动副与右导柱组29动连。纵向导轨28固结于固定梁26，且分为两段，支撑缸1位于其中心。第二模具13与第三模具14及第一模具12与第四模具15合模之后，与纵向导轨28之间形成纵向移动副；第一水平滑块10及第二水平滑块11在第一水平液压缸6和第二水平液压缸7推动下，第一肘杆组16和第二肘杆组17形成相向的纵向分力，即作用于第二模具13与第三模具14及第一模具12与第四模具15沿纵向导轨28相向的镦锻力，驱动两组模具沿纵向合模，完成曲拐成形。

第一肘杆组16和第二肘杆组17的中部均通过转动副与模具移动缸19第一端铰接，模具移动缸19的第二端通过转动副分别与第一水平滑块10和第二水平滑块11铰接。

本发明所产生的3个工艺力分别沿彼此正交的3条导轨施加于坯料，其中夹持力沿水平横向导轨、镦锻力沿水平纵向导轨、弯曲力沿垂直导轨作用。针对组合液压机而言，水平压机可实现双滑块水平对向运动，垂直压机实现单滑块垂直运动，从而构成全纤维曲轴成形的多向镦锻液压机。水平滑块与垂直滑块由两套液压系统独立驱动和控制，可实现镦锻模块水平纵向运动与弯曲上模垂直下行运动时位移及速度的柔性匹配，可在不改变肘杆及模块结构或者尺寸的条件下，通过灵活的位移和速度参数调整实现不同形状曲臂的镦锻成形。此外，本发明以水平纵向和水平横向导轨中心线为双对称的4肘杆机构，除可实现上述运动外，还可提供相当于2倍于TR法的镦锻力。

以上所述是本申请的优选实施方式，不以此限定本发明的保护范围，应当指出，对于该技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (5)

1.一种船用全纤维曲轴镦锻成形方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1：支撑缸带动下弯曲模上移至预定位置，辅机将坯料置于下弯曲模之上，立式主液压缸推动立式滑块下移，所述立式滑块带动上弯曲模下移，所述上弯曲模和下弯曲模合模，并共同将坯料夹住；

S2：所述立式主液压缸与支撑缸同时加载，推动立式滑块继续下移，并按预设值带动上弯曲模、下弯曲模和坯料共同下移，对坯料进行镦锻前的定位；

S3：第一水平液压缸和第二水平液压缸分别推动第一水平滑块沿第一导轨和第二水平滑块沿第二导轨横向相向运动，且第一水平滑块带动第一模具和第二模具，第二水平滑块带动第三模具和第四模具，均沿横向相向运动，直至接触纵向导轨时，使第一模具与第四模具合模，第二模具和第三模具合模，并分别锁模，同时将坯料的两端部分别夹持于模腔内；

S4：所述第一模具、第二模具、第三模具、第四模具、上弯曲模和下弯曲模相互贴合，并夹住坯料，模具和坯料均处于镦锻前预定位置，辅机回程；

S5：所述第一水平液压缸、第二水平液压缸和立式主液压缸及支撑缸同时加载，在第一水平液压缸和第二水平液压缸所施水平压力的作用下，第一肘杆组带动第二模具和第三模具，第二肘杆组带动第一模具和第四模具，两组模具沿纵向导轨相向运动，使坯料两侧，与曲拐两侧臂相应的部分，同时在第一模具、第二模具、第三模具和第四模具组合的模腔内镦锻成形，同时，因立式主液压缸的输出力大于支撑缸的输出力，从而使坯料向下产生弯曲成形为曲拐销；

S6：所述第一水平液压缸和第二水平液压缸分别带动第一水平滑块和第二水平滑块后退至初始位，并通过第一肘杆组带动第二模具和第三模具，第二肘杆组带动第一模具与第四模具沿第一及第二导轨相背方向分模；

S7：所述立式滑块带动上弯曲模上移复位，辅机卸料，支撑缸下移复位；以及

S8：模具移动缸分别推动第一肘杆组和第二肘杆组绕其与第一水平滑块和第二水平滑块的铰接点转动，使第一肘杆组带动第二模具和第三模具，第二肘杆组带动第一模具和第四模具复位，从而完成一个曲拐的镦锻成形。

2.根据权利要求1所述的船用全纤维曲轴镦锻成形方法，其特征在于，所述步骤S5中，第一水平液压缸、第二水平液压缸通过第一水平滑块、第二水平滑块驱动第一肘杆组、第二肘杆组对第一模具、第二模具、第三模具、第四模具内的坯料同步施加夹紧力及镦锻力；所述立式主液压缸通过立式滑块对坯料施加垂直弯曲力；三力共同作用将夹持于模具中的坯料成形为一个曲拐。

3.一种船用全纤维曲轴镦锻成形装置，其特征在于，其包括立式框架、卧式框架、第一导轨、第二导轨、纵向导轨、立式滑块、第一水平滑块和第二水平滑块，且所述立式框架和所述卧式框架安装于同一底座上；所述第一导轨和第二导轨位于所述底座上且只承受重力，纵向导轨位于所述立式框架的底梁上；所述立式滑块和第一水平滑块、第二水平滑块这两个卧式滑块分别由两套电液比例系统控制，从而实现两者运动参数的柔性匹配；

所述立式框架内包括立式主液压缸、支撑缸及立式滑块，所提供的弯曲力在立式框架内平衡；所述立式框架的底梁的中心位置安装支撑缸，所述立式框架的两侧对称安装有两个立柱，所述立柱的上端安装有上梁，所述支撑缸的上端安装有下弯曲模，所述立式框架的上梁的中心位置安装立式主液压缸，所述立式主液压缸的下端安装立式滑块，所述立式滑块通过移动副沿立柱上下移动，所述立式滑块的下平面中心安装上弯曲模；

所述卧式框架内包括对称设置的第一水平液压缸、第二水平液压缸、第一水平滑块和第二水平滑块，两水平滑块驱动四肘杆、四肘杆驱动四模具沿纵向导轨运动，所提供的夹持力及镦锻力在卧式框架内平衡，所述卧式框架的第一端安装两个第一水平液压缸，所述卧式框架的第二端安装两个第二水平液压缸，且所述第一水平液压缸与第二水平液压缸对称分布；

所述第一水平滑块与所述第一水平液压缸固连，第二水平滑块与所述第二水平液压缸固连，所述第一水平滑块通过移动副沿第一导轨水平移动，所述第二水平滑块通过移动副沿第二导轨水平移动；所述第一水平滑块和第二水平滑块的第一端通过转动副分别与第一肘杆组的两个第一端对称铰接，所述第一水平滑块和第二水平滑块的第二端通过转动副分别与第二肘杆组的两个第一端铰接，所述第一肘杆组的两个第二端分别与第二模具及第三模具通过转动副铰接，所述第二肘杆组的两个第二端分别与第一模具及第四模具通过转动副铰接；

所述支撑缸设置在立式框架的底梁的中心位置上，所述第二模具、第三模具、所述第一模具与第四模具合模之后，与所述纵向导轨之间形成纵向移动副，所述第一水平滑块及第二水平滑块在所述第一水平液压缸和第二水平液压缸推动下，所述第一肘杆组和第二肘杆组形成两个相向的纵向分力，成为所述第二模具、第三模具、所述第一模具与第四模具沿纵向导轨相向的镦锻力，驱动第一模具、第二模具、第三模具和第四模具沿纵向合模，完成船用全纤维曲轴一个曲拐的镦锻成形。

4.根据权利要求3所述的船用全纤维曲轴镦锻成形装置，其特征在于，所述第一模具与左导柱组固接，所述第二模具通过移动副与左导柱组活动连接，所述第四模具与右导柱组固接，所述第三模具通过移动副与右导柱组活动连接。

5.根据权利要求3所述的船用全纤维曲轴镦锻成形装置，其特征在于，所述第一肘杆组和第二肘杆组的中部均通过转动副与模具移动缸第一端铰接，所述模具移动缸的第二端通过转动副分别与所述第一水平滑块和第二水平滑块铰接。