CN200963665Y - 大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于锻造领域，具体地说就是一种船用曲轴曲拐弯曲锻造模具，具有上模、下模、上平砧、下平砧，还包括插板，用于精整毛坯的插板与毛坯内表面相应，上模、插板与毛坯接触的工作端均为弧形结构，下模内模腔部分为楔形结构，楔形下模内模腔的底表面设置下凹模，下凹模与毛坯接触部位为弧形结构。采用计算机模拟技术设计近终型的预成形毛坯和模具，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。采用该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。
Description
技术领域
本实用新型属于锻造领域，具体地说就是一种船用曲轴曲拐弯曲锻造模具。
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。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具，采用该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。
本实用新型开发了大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具，其主要内容包括：
大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具，具有上模、下模、上平砧、下平砧，还包括插板，用于精整毛坯的插板与毛坯内表面相应，上模、插板与毛坯接触的工作端均为弧形结构，下模内模腔部分为楔形结构，楔形下模内模腔的底表面设置下凹模，下凹模与毛坯接触部位为弧形结构。
所述的大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具，上模由上模工作端、上模钳把连接构成，上模工作端与毛坯接触部分为上模弧形槽。
所述的大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具，下模由底座和两侧的工作层构成，工作层向外倾斜，形成侧面向外倾斜的楔形槽结构，其侧面倾斜角度α下模＝7-13°。
所述的大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具，还包括用于加工预成形毛坯的V形模，V形模与曲拐毛坯中部两侧对称位置相应。
所述的大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具，V形模由V形模底座、两侧的连接板构成，V形模底座为V形结构。
所述的大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具，下凹模由下凹模弧形槽以及与下模接触的下凹模底座构成，下凹模与毛坯接触的工作端为下凹模弧形槽。
所述的大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具，插板由插板板身、插板钳把连接构成，插板板身与毛坯接触的工作端为插板弧形槽，插板板身两侧设有挡板。
本实用新型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凸台构成，毛坯中部两侧对称位置开设V形槽。
本实用新型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，所有模具尺寸均通过计算机模拟校核。
采用计算机模拟技术设计各种模具的配合使用方法如下：
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。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型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、本实用新型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，可大大减少了设计时间，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-凸台；21-V形模底座；22-连接板；23-上模工作端；24-上模钳把；25-底座；26-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实用新型。
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。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；参见图2a-c，预成形毛坯3为板状曲臂18和中部设置的凸台20构成，毛坯中部两侧对称位置开设V形槽11。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14的作用是在压完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。
本实用新型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。
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。
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。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5a-b，下模5由底座25和两侧的工作层26构成，工作层26向外倾斜，形成楔形内腔，工作层26外侧设有下模肋板30。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。
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。采用本实用新型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。
本实用新型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 (7)
1、大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具，具有上模(2)、下模(5)、上平砧(1)、下平砧(7)，其特征在于：还包括插板(8)，用于精整毛坯的插板(8)与毛坯内表面相应，上模(2)、插板(8)与毛坯接触的工作端均为弧形结构，下模(5)内模腔部分为楔形结构，楔形下模内模腔的底表面设置下凹模(4)，下凹模(4)与毛坯接触部位为弧形结构。
2、按照权利要求1所述的大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具，其特征在于：上模(2)由上模工作端(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)。
3、按照权利要求1所述的大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具，其特征在于：下模由底座(25)和两侧的工作层(26)构成，工作层(26)向外倾斜，形成侧面向外倾斜的楔形槽结构，其侧面倾斜角度α下模＝7-13°。
4、按照权利要求1所述的大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具，其特征在于：还包括用于加工预成形毛坯的V形模(14)，V形模(14)与曲拐毛坯中部两侧对称位置相应。
5、按照权利要求4所述的大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具，其特征在于：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。
6、按照权利要求1所述的大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具，其特征在于：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(4)与毛坯接触的工作端为下凹模弧形槽(15)。
7、按照权利要求1所述的大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具，其特征在于：插板(8)由插板板身(28)、插板钳把(29)连接构成，插板板身(28)与毛坯接触的工作端为插板弧形槽(13)，插板板身(28)两侧设有挡板(17)。
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