船用柴油機曲柄彎曲鍛造工具的製作方法

2023-06-01 17:08:51

本實用新型涉及一種船用柴油機曲柄彎曲鍛造工具。

背景技術：

其中大型船用曲柄是船用發動機中的關鍵部件，其對柴油機的平穩、安全運行具有至關重要作用。彎鍛法是目前採用最多的生產工藝。彎曲階段對產品最終質量起著至關重要的作用。如圖1和圖2所示，目前曲柄鍛造工藝先通過自由鍛的方式將鑄錠鍛造成預成型中間坯5』，再採用彎曲鍛造，將中間坯5』放在下模具3』上，用上模具1』對中間坯5』鍛造，彎曲成V字形鍛件52』，最後採用壓平工藝，將鍛件52』鍛造為成品。目前曲柄鍛造工藝還存在許多問題，最突出的就是由於鍛造缺陷而造成的材料利用率低。

綜上所述，現有技術中存在以下問題：船用柴油機曲柄彎曲鍛造過程中，由於鍛造缺陷而造成的材料利用率低。

技術實現要素：

本實用新型提供一種船用柴油機曲柄彎曲鍛造工具，以解決船用柴油機曲柄彎曲鍛造過程中，由於鍛造缺陷而造成的材料利用率低的問題。

為此，本實用新型提出一種船用柴油機曲柄彎曲鍛造工具，用於將鍛件成型，所述船用柴油機曲柄彎曲鍛造工具包括：

支撐所述鍛件的下模具，所述下模具具有：下模具底面、下模具第一側面和下模具第二側面，所述下模具第一側面和下模具第二側面均連接在所述下模具底面之上；所述下模具第一側面和下模具第二側面之間形成V形開口，所述V形開口形成鍛造所述鍛件的成型腔；

抵緊在所述鍛件上的上模具，所述上模具為V型砧，所述V型砧包括：上模具底面、以及依次周向連接在所述上模具底面之上的上模具第一側面、上模具第二側面、上模具第三側面和上模具第四側面，所述上模具第一側面和上模具第三側面形成V型夾角；所述上模具第二側面和上模具第四側面相互平行；所述上模具第一側面和上模具第二側面相交成直角；

其中，所述上模具第一側面與下模具第一側面相面對，所述上模具第三側面和下模具第二側面相面對，所述上模具底面為在豎直方向上向上凹陷的圓弧形。

進一步地，所述V型砧的V型夾角大於所述V形開口的夾角。

進一步地，所述V型砧的V型夾角為25至28度。

進一步地，所述V形開口的夾角為14至16度。

進一步地，所述上模具還具有連接在上模具第一側面、上模具第二側面、上模具第三側面和上模具第四側面的頂部的上模具頂面，所述上模具頂面為平面。

進一步地，所述上模具頂面為矩形平面。

本實用新型設計了具有向上凹陷的圓弧形底面的V型砧，並重新設計了預成型中間坯的形狀，該預成型中間坯包括：圓柱、位於所述圓柱兩端的圓臺、以及位於所述圓臺兩端的平板；該圓弧形底面能夠與預成型中間坯的圓柱相配合，並且圓臺能夠與下模具的V形開口相配合，因此，本實用新型的模具和預成型中間坯的配合，消除了傳統模具與鍛坯接觸部位及周圍區域這些主要塑性變形部位形成的不規則形變，以及形變缺陷，可消除內凹、超寬、堆積等鍛造缺陷，提高材料利用率，降低產品的生產成本。

附圖說明

圖1為現有的船用柴油機曲柄彎曲鍛造方法的原理示意圖，其中，尚未進行彎曲鍛造；

圖2為現有的船用柴油機曲柄彎曲鍛造方法的原理示意圖，其中，完成了彎曲鍛造；

圖3為本實用新型的船用柴油機曲柄彎曲鍛造方法採用的預成型中間坯的立體圖；

圖4為本實用新型的船用柴油機曲柄彎曲鍛造方法採用的預成型中間坯的主視圖；

圖5為本實用新型的船用柴油機曲柄彎曲鍛造方法採用的預成型中間坯的俯視圖；

圖6為本實用新型的船用柴油機曲柄彎曲鍛造方法的原理示意圖，其中，尚未進行彎曲鍛造；

圖7為本實用新型的船用柴油機曲柄彎曲鍛造方法的原理示意圖，其中，完成了彎曲鍛造；

圖8為本實用新型的上模具的結構示意圖；

圖9為現有的船用柴油機曲柄彎曲鍛造方法的產品缺陷的原理圖，其中為主視方向；

圖10為現有的船用柴油機曲柄彎曲鍛造方法的產品缺陷的原理圖，其中為側視方向。附圖標號說明：

1』上模具 3』下模具 5』中間坯 52』鍛件 54』曲臂根部 541』區域 542』區域 543』區域 544』區域

1上模具 3下模具 5鍛件 58彎曲鍛造後的鍛件

10上模具底面 11第一側面 12上模具第二側面 13上模具第三側面 14上模具第四側面 15上模具頂面

30下模具底面 31下模具第一側面 33下模具第二側面

50圓柱 51圓臺 53圓臺 55平板 57平板 510圓臺的切面(斜面)

具體實施方式

為了對本實用新型的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖說明本實用新型。

申請人在研究過程中發現：現有的船用柴油機曲柄彎曲鍛造過程中，如圖1和圖2所示，在彎曲變形過程中，由於材料的連續性，應力呈現出沿曲臂長度方向擴散的現象。鍛坯內部的中性面長度保持恆定，不受彎曲影響，導致在厚度方向靠近鍛坯中性層部位應力最小，鍛坯表面應力最大(其中，例如在曲臂根部54』，即上模具1』與鍛件52』的作用區域)。

採用傳統鍛彎法，模具與鍛坯接觸部位及周圍區域是主要塑性變形部位。如圖9和圖10所示，曲柄內側(例如在區域541』處)受壓應力、外側(例如在區域542』處)受拉應力。外側處(例如在區域542』處)由於金屬收縮形成凹坑，內側處(例如在區域541』處)則形成材料堆積；在區域543』和544』兩處產生較大的不規則變形，形成超寬和內凹。這些缺陷會造成機加工量增大，成材率低，增加後續加工難度，甚至產生廢品。申請人進一步分析了缺陷的類型和原因，主要有：

(1)堆積：彎曲過程中，由於V形內側的應力均指向根部，曲臂根部中性面內側材料會形成一定的材料堆積。堆積將增加後續機加工工作量。

(2)凹坑：在曲臂根部中性面外側，鍛彎過程受到拉應力作用，外側材料受到拉力的作用收縮，使其沿變形中心線的方向伸長，並且由於在鍛坯邊緣沒有足夠的金屬進行補充，基於材料的體積不變條件，該處金屬發生沿垂直於曲臂方向的收縮，進而形成局部的凹坑，凹坑的出現也使得該處鍛件尺寸減小，導致材料利用率下降，甚至引起後續加工餘量的不足，造成廢品。

(3)超寬：鍛壓過程中曲臂根部發生塑性變形，中性面內側金屬受鍛坯彎曲引起的壓應力以及上模具的擠壓，向寬度方向上阻力較小的兩側流動，而形成超寬，超寬但會增加機加工量，降低材料利用率。

(4)內凹：在超寬的同時，受上模具壓垂直於曲臂壓應力的作用，在曲臂V形區域的邊部，表面金屬向外側方向流動，由於金屬連續性，同時帶動內部金屬也向外側流動，造成曲臂中性面內側的材料流失，形成內凹。使曲臂根部的厚度減小，內凹嚴重時會導致機加工餘量不足，甚至使鍛件報廢。

在壓平階段，超寬、內凹等缺陷還會進一步加劇。

為此，本實用新型提出一種船用柴油機曲柄彎曲鍛造工具，用於將鍛件成型，本實用新型對進行彎曲鍛造的鍛件根據金屬在彎曲處和變形流動處的塑性變形原理，對鍛件進行了重新改進，做出了適合彎曲鍛造的鍛件5(預成型中間坯)。

如圖3、圖4和圖5所示，本實用新型的鍛件5(預成型中間坯)包括：圓柱50、位於所述圓柱兩端的切出斜面的圓臺51和圓臺53、以及位於所述圓臺兩端的平板55和平板57，平板的長度方向與圓柱和圓臺的軸線相平行；平板的上表面與圓臺的側面平齊，圓臺上方的側面例如切去一部分或切出一個平臺，圓臺下方的側面為具有斜度的直面，即圓臺的切面(斜面)510，用於和下模具的第一側面或下模具第二側面相互擠壓、接觸，圓臺下方的側面的斜度例如和下模具的第一側面或下模具第二側面的斜度一致。兩個圓臺可以關於圓柱對稱，兩個平板可以關於圓柱對稱，鍛件5(預成型中間坯)可以為左右對稱結構。平臺為板狀的長方體形，平臺的寬度大於圓柱50的直徑，圓臺起到過渡連接平臺與圓柱的作用，圓柱和圓臺能夠在後續的彎曲鍛造中，彌補塑性變形的流動，減少應力集中和各種缺陷。

這樣，鍛件5(預成型中間坯)能夠克服傳統鍛造中，如圖1和圖2中的曲臂根部54』應力較大或集中，根部中性面內側形成材料堆積的問題，能夠克服曲臂根部54』中性面外側因流動性而導致的凹坑現象；能夠克服曲臂根部中性面內側金屬受鍛坯彎曲引起的壓應力以及上模具的擠壓形成超寬的現象；能夠克服上模具壓垂直於曲臂壓應力的作用，在曲臂V形區域的邊部，曲臂中性面內側的材料流失，形成內凹的問題。

鍛件5(預成型中間坯)是通過對模鑄的鑄錠進行加熱、墩粗、拔長和圓整，將鑄錠鍛造成圓柱形狀的鍛件；然後對圓柱形狀鍛件的兩端進行壓平鍛造，使鍛件的兩端形成平板，使鍛件的中間部位鍛造成圓柱加圓臺的形狀。

如圖6和圖7所示，本實用新型的船用柴油機曲柄彎曲鍛造工具包括：

支撐所述鍛件的下模具3，所述下模具3具有：下模具底面30、下模具第一側面31和下模具第二側面33，所述下模具第一側面31和下模具第二側面33均連接在所述下模具底面30之上；所述下模具第一側面31和下模具第二側面33之間形成V形開口，所述V形開口形成鍛造所述鍛件的成型腔；

抵緊在所述鍛件(預成型中間坯)5上的上模具1，所述上模具為V型砧，如圖8所示，所述V型砧包括：上模具底面10、以及依次周向連接在所述上模具底面之上的上模具第一側面11、上模具第二側面12、上模具第三側面13、上模具第四側面14，以及共同連接在這四個側面頂部的上模具頂面15，上模具頂面15為平面，用於承受捶打，所述上模具第一側面和上模具第三側面形成V型夾角；所述上模具第二側面和上模具第四側面相互平行；所述上模具第一側面和上模具第二側面相交成直角；上模具的水平截面為矩形；

其中，所述上模具第一側面11與下模具第一側面31相面對，進行相互作用；所述上模具第三側面13和下模具第二側面33相面對，進行相互作用；所述上模具底面10為在豎直方向上向上凹陷的圓弧形，以與鍛件(預成型中間坯)5的圓柱50相配合，使上模具1能夠包圍住圓柱50的上部，減少鍛造過程中曲臂根部出現的應力集中或其他變形缺陷。

本實用新型通過對鍛件(預成型中間坯)5進行結構改進，使之更適合彎曲鍛造，減少曲臂根部出現的應力集中或其他變形缺陷，使鍛件具有更好的成形性。並且，設計了與之相配的具有向上凹陷底面的上模具，因此，工件的成形性將大大改善，可消除內凹、超寬、堆積等鍛造缺陷，提高材料利用率，降低產品的生產成本。

進一步地，上模具的V型砧的V型夾角大於下模具的V形開口的夾角，以使鍛件塑性變形。

進一步地，所述V型砧的V型夾角為25至28度，即上模具第一側面11和上模具第三側面13的夾角為25至28度，以使鍛件有合適的彎曲度。

進一步地，下模具3的V形開口的夾角為14至16度，例如為15度，使曲柄在成型過程中，屈臂不會發生彎折。

本實用新型還提出一種所述的船用柴油機曲柄彎曲鍛造方法，所述的船用柴油機曲柄彎曲鍛造方法包括以下步驟：

步驟A：對模鑄的鑄錠進行加熱、墩粗、拔長和圓整，將鑄錠鍛造成圓柱形狀的鍛件；

步驟B：對圓柱形狀鍛件的兩端進行壓平鍛造，使鍛件的兩端形成平板，使鍛件的中間部位鍛造成圓柱加圓臺的形狀；使整個鍛件形成預成型中間坯5(鍛件)，所述預成型中間坯5包括：圓柱50、位於所述圓柱兩端的圓臺或切出斜面的圓臺、以及位於所述圓臺兩端的平板；

步驟C：將所述預成型中間坯5放置船用柴油機曲柄彎曲鍛造工具的下模具3上；

步驟D：使用船用柴油機曲柄彎曲鍛造工具的上模具1抵壓在所述預成型中間坯5上，對所述預成型中間坯進行鍛造成型，形成彎曲鍛造後的鍛件58。

進一步地，

步驟C具體包括步驟C1：使所述平板支撐在所述V形開口上，所述平板的兩端伸出所述V形開口，使所述V形開口包容所述圓柱以及圓臺，以使主要變形能夠在模具內進行。

進一步地，

步驟D具體包括步驟D1：使所述上模具底面10抵壓在所述圓柱50的圓弧面上，能夠減少鍛造過程中曲臂根部出現的應力集中或其他變形缺陷，對所述預成型中間坯5進行鍛造成型，形成彎曲鍛造後的鍛件58。

本實用新型通過調整船用柴油機曲柄鍛造工藝，改善預成型中間坯的外形，以及新的上模具和下模具的設計，解決曲柄在鍛壓彎曲工藝過程中形成的熱加工工藝缺陷，提高材料利用率。

以上所述僅為本實用新型示意性的具體實施方式，並非用以限定本實用新型的範圍。為本實用新型的各組成部分在不衝突的條件下可以相互組合，任何本領域的技術人員，在不脫離本實用新型的構思和原則的前提下所作出的等同變化與修改，均應屬於本實用新型保護的範圍。