大型船用全纤维曲轴弯曲镦锻多拐分度定位装置及用法

摘要

本发明属于锻造领域，具体为一种船用全纤维曲轴弯曲镦锻过程中拐与拐之间的分度定位装置及使用方法。该装置具有底座、可调角度的定位拐支撑架、锁紧螺杆、活动垫块等，用于大型船用全纤维曲轴弯曲镦锻成形过程中，准确确定已锻拐的位置，并加以固定。在成形结束后，使新锻拐与相邻已锻拐拐臂中心线夹角为预定值。采用理论计算方式实现定位拐支撑架对已锻拐拐臂中心线与水平方向的夹角的控制，再通过与底座为一体的支撑座与锁紧螺杆固定住位置已确定的已锻拐，此时成形待锻拐即获得预定的两拐间分度。采用该装置进行大型船用全纤维曲轴多拐间分度定位，能够有效减小锻件任意两拐间最大分度误差，为进一步减小曲臂轮廓方向的加工余量奠定基础。

说明书

技术领域

本发明属于锻造领域，具体地说就是一种大型船用全纤维曲轴弯曲镦锻多拐 分度定位装置及其使用方法，它适用于某些型号的大型船用全纤维曲轴弯曲镦锻 过程，提高多拐间的分度定位精度。

背景技术

曲轴是柴油机最重要的零件，大型船用柴油主机曲轴的价值约占整机价值的 10～15％左右。目前全纤维方法生产大型船用曲轴大都采用弯曲镦锻技术。我国 基本拥有该技术的生产能力，但和国际先进水平存在较大差距：（1）由台阶轴镦 锻发展到用光轴直接镦锻，提高了材料利用率，缩短了生产周期；（2）由一火锻 一拐发展到一火锻多拐，大大提高了生产率；（3）由曲臂的自由镦锻成形发展到 限制成形，使主轴径和拐径的单边余量控制在10mm左右，曲臂侧面的单边余量只 有6mm左右，曲臂周边锻到零件尺寸，黑皮使用。我国从60年代中期到80年代中 期，在大型整体曲轴的全纤维锻造工艺技术上做了许多有效的工作，形成了天津 重型机器厂(RR法)、资阳内燃机机车车辆厂(RR法)、武汉重型铸锻厂(TR法)三个 生产基地，但技术水平仍停留在国外五十年代到六十年代的镦锻水平上，主要表 现在：曲轴锻件余量、公差大，“缺角塌肩”现象严重，一般主轴径、拐径、曲 臂侧面的单边余量在15-20mm，曲臂周边余量为曲臂厚度的1/3；材料利用率、生 产率低，这是由于国内一直采用水压机上自由锻成坯，然后机械加工成台阶轴， 再用台阶轴进行镦锻，除切削掉部分金属外，成形后的曲轴锻件一般要比零件重 80%以上，锻一拐的周期也是国外的2倍左右。我国全纤维曲轴，锻件几何精度低、 偏差大，表面缺陷多，氧化脱碳严重，尤为显著的是加工余量大。这样，导致国 内造机（发动机）、造船企业倾向进口产品，不仅不利于国内曲轴生产企业发展更 不利于国家安全。减少大型船用曲轴加工余量，不仅能提高材料利用率，还可后 续加工的生产效率，因此势在必行。而减小加工余量的前提在于锻件的几何精度 得到很好地保证，以避免加工余量不足造成锻件无法满足最终零件的几何精度。 大型船用全纤维曲轴，多拐间的分度精度决定了曲臂轮廓方向的加工余量，分度 精度越低所需加工余量越大，如果要减少曲臂轮廓方向的加工余量，就必须提高 多拐间的分度定位精度。传统的分度定位方式相当于“死扳手”，坯料吊装后无法 再进行调整，而为了吊装便捷通常会将定位模胎与定位拐间留有一定间隙，同时 每次用于定位的定位拐连杆半径和曲轴主轴-定位拐连杆中心距也不尽相同，因此 会造成定位误差较大。

发明内容

本发明的目的在于设计一种大型船用全纤维曲轴弯曲镦锻多拐分度定位装置 及使用方法，该装置操作简便，能够有效提高大型船用全纤维曲轴多拐分度定位 精度。采用该装置进行弯曲镦锻成形得到的锻件分度精度得到提高，使减小加工 余量后锻件的几何尺寸满足后续机械加工的要求。

本发明的技术方案是：

一种大型船用全纤维曲轴弯曲镦锻多拐分度定位装置，该装置包括底座、锁 紧螺杆座、锁紧螺杆、高度调整导柱、高度调整螺栓、高度支撑螺栓、定位拐支 撑架，具体结构如下：

底座为半圆形结构，底座上的锁紧螺杆座与底座连为一体，锁紧螺杆座中横 向设置锁紧螺杆，两锁紧螺杆与定位拐连杆之间设置活动垫块；底座上设置高度 调整导柱、高度调整螺栓、高度支撑螺栓，高度调整导柱、高度调整螺栓、高度 支撑螺栓的顶部设置活动支撑块，定位拐支撑架安装于活动支撑块上，通过高度 调整导柱、高度调整螺栓、高度支撑螺栓进行高度升降。

所述的大型船用全纤维曲轴弯曲镦锻多拐分度定位装置，定位拐支撑架包括 定位拐支撑架工作段、定位拐支撑架角度调整段、支撑滚子、角度调整座、带有 固定螺栓孔的定位拐支撑架底座、铰链螺栓，具体结构如下：

带有固定螺栓孔的活动支撑块设置于底座上的一侧，与高度调整导柱、高度 调整螺栓、高度支撑螺栓呈滑动配合；定位拐支撑架为三段：定位拐支撑架工作 段、定位拐支撑架角度调整段和带有固定螺栓孔的定位拐支撑架底座，工作段与 角度调整段一端铰接，角度调整段的另一端与带有固定螺栓孔的定位拐支撑架底 座上的角度调整座铰接，工作段的另一端通过铰链螺栓铰接于带有固定螺栓孔的 定位拐支撑架底座一端，角度调整座下部置于定位拐支撑架底座的滑槽内，角度 调整座沿定位拐支撑架底座水平移动，定位拐支撑架底座通过螺栓固定在活动支 撑块上；工作段上设置支撑滚子，工作段的外表面即支撑滚子的外共切面，为定 位拐支撑架的工作面，支撑滚子与曲轴定位拐连杆相对应。

所述的大型船用全纤维曲轴弯曲镦锻多拐分度定位装置的使用方法，具体步 骤如下：

1）预先调整定位拐支撑架、高度调整螺栓，根据已锻的定位拐与将要锻造的 曲拐理论夹角，将定位拐支撑架调整到一合适高度，并锁紧高度支撑螺栓；

2）将半圆形底座连同定位拐支撑架吊装至液压机一侧下水平运动模块的模套 中，模套中的水平成形模A、半圆形底座及水平成型模B在轴向上依次排列在模 套中，三者在模套内通过相接处的侧壁贴靠，并配合良好，模套中有限位槽将三 者固定在其中，使之不能在模套中发生轴向滑移，模套的上、下模合模后，三者 亦不能发生径向滑移；

3）测量定位拐连杆外径周长，除以л，得到定位拐连杆半径R，定位拐连杆 -曲轴主轴中心距L₁按曲拐的设计值确定；

4）通过测得数据和定位拐支撑架自带及安装参数以及所需定位拐曲臂中心线 与水平方向夹角，求得定位拐支撑架的工作面与水平方向的理论夹角；

5）用扳手扭转角度调整螺栓，将工作面调整到计算出的角度；

6）将带有定位拐的曲轴坯料吊装到液压机的下水平运动模块上，使定位拐连 杆贴靠在定位拐支撑架工作段的支撑滚子上，即定位拐连杆外圆与定位拐支撑架 的工作面相切，滚子采用双排交错布置，防止切点伸入工作面；

7）将活动垫块放置于两锁紧螺杆与定位拐连杆之间，用力矩扳手锁紧锁紧螺 杆，使定位拐在520N.m以内的逆时针扭矩下，不能绕曲轴主轴转动；

8）将液压机的上、下水平运动模块合模，进行弯曲镦锻，多拐锻造完成后， 使任意两拐间的最大分度偏差满足工艺精度要求。

所述的大型船用全纤维曲轴弯曲镦锻多拐分度定位装置的使用方法，所述步 骤4）中，利用几何关系对定位拐支撑架的工作面与水平方向夹角θ_x和定位拐曲 臂中心线与水平方向夹角θ_y得出两者符合如下关系：

$\sin {\theta }_x=\frac{-2\mathrm{MN}\pm \sqrt{{4M}^2{N}^2-4(M^2+1)(N^2-1)}}{2(M^2+1)}$

其中，L₁—曲轴主轴-定位拐连杆中心距；

R—定位拐连杆半径；

L₃、L₄-分别为定位拐支撑架上固有参数；其中，L₃为定位拐支撑架 的工作段15两端铰接点的连线与定位拐支撑架工作面的距离；L₄为定位拐支撑 架的工作段15两端铰接点的中心距；

L₇—为定位拐支撑架安装参数；具体为：定位拐支撑架的工作段与带 有固定螺栓孔的定位拐支撑架底座铰接点，与曲轴主轴中心点在水平方向投影的 距离；

θ_x—定位拐支撑架的工作面与水平方向夹角；

θ_y—定位拐曲臂中心线与水平方向夹角目标值；

$M=\frac{(R+L_3)}{L_4}$

$N=\frac{L_1{\cos \theta }_y-L_7}{L_4}$

然后，将测得的R和已知的L₁、L₃、L₄、L₇代入式中，即可通过调整θ_x获得 所需的θ_y。

所述的大型船用全纤维曲轴弯曲镦锻多拐分度定位装置的使用方法，所述步 骤5）中，定位拐支撑架符合如下几何关系：

${\theta }_x=\arccos \left(\frac{{L_2}^2+{L_4}^2+{L_6}^2-{L_5}^2}{{2L}_4\sqrt{{L_6}^2+{L_2}^2}}\right)+\arctan \frac{L_2}{L_6}$

其中，L₂、L₄、L₅—分别为定位拐支撑架上固有参数；L₂为定位拐支撑架 的工作段与带有固定螺栓孔的定位拐支撑架底座铰接点，以及定位拐支撑架的角 度调整段与角度调整座铰接点在竖直方向投影的距离；L₄为定位拐支撑架的工作 段两端铰接点的中心距；L₅为定位拐支撑架的角度调整段两端铰接点的中心距；

L₆—为定位拐支撑架的可调节参数，用其来控制θ_x；具体为：定位拐 支撑架的工作段与带有固定螺栓孔的定位拐支撑架底座铰接点，以及定位拐支撑 架的角度调整段与角度调整座铰接点在水平方向投影的距离；

由于L₂、L₅、L₄已知，通过扩大或减小角度调整座与活动支撑块上部挡块间 的开口宽度，即通过调整L₆来调整θ_x。

本发明的有益效果是：

1、本发明确定了一种大型船用全纤维曲轴弯曲镦锻多拐分度定位装置及使用 方法，采用该方法进行大型船用全纤维曲轴多拐分度定位，能够很好地控制曲拐 间的分度精度，使曲臂轮廓方向的加工余量减少成为可能。该方向的加工余量减 小，首先可直接节约坯料材料，其次可提高后续热处理的淬透深度，提高热处理 质量，并且还可大大节约后续冷加工的成本，缩短产品的生产周期。

2、采用本发明进行分度定位相当于使用“活扳手”，由于可以针对不同定位拐 的几何参数进行相应调整，因此可以实现定位拐无间隙固定，达到提高分度定位 精度的目的。

附图说明

图1为大型船用全纤维曲轴弯曲镦锻多拐分度定位装置的主要结构。

图2为定位拐与该定位装置之间的几何关系图。

图3为该定位装置锁紧后，曲轴进入到成型阶段的工作状态图。

图中，1-底座；2-锁紧螺杆座；3-锁紧螺杆；4—活动垫块；5—高度调整 导柱；6—高度调整螺栓；7—高度支撑螺栓；8—定位拐支撑架；9-支撑滚子； 10-度调整座；11—（带有固定螺栓孔的）定位拐支撑架底座；12-铰链螺栓； 13—定位拐连杆；14—曲轴主轴；15—（定位拐支撑架的）工作段；16—（定位 拐支撑架的）角度调整段；17—定位拐曲臂；18—（定位拐支撑架的）工作面； 19—活动支撑块。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详述本发明。

本发明主要内容包括：1）设计了大型船用全纤维曲轴弯曲镦锻多拐分度定位 装置；2）设计了大型船用全纤维曲轴弯曲镦锻多拐分度定位装置的使用方法。本 发明用于大型船用全纤维曲轴弯曲镦锻成形过程中，准确确定已锻拐（紧邻待锻 拐）的位置，并加以固定。在成形结束后，使新锻拐与相邻已锻拐拐臂中心线夹 角为预定值。本发明采用理论计算方式实现定位拐支撑架对已锻拐拐臂中心线与 水平方向的夹角的控制。再通过与底座为一体的锁紧螺杆座与锁紧螺杆固定住位 置已确定的已锻拐，此时成形待锻拐即可获得预定的两拐间分度。采用该装置进 行大型船用全纤维曲轴多拐间分度定位，能够有效减小锻件任意两拐间的最大分 度误差，为进一步减小曲臂轮廓方向的加工余量奠定了基础。

如图1所示，本发明大型船用全纤维曲轴弯曲镦锻多拐分度定位装置，包括 底座1、锁紧螺杆座2、锁紧螺杆3、高度调整导柱5、高度调整螺栓6、高度支 撑螺栓7、定位拐支撑架8等，具体结构如下：

底座1为半圆形结构，底座1上的锁紧螺杆座2与底座1连为一体，锁紧螺 杆座2中横向设置锁紧螺杆3，两锁紧螺杆3与定位拐连杆13之间设置活动垫块 4；底座1上设置高度调整导柱5、高度调整螺栓6、高度支撑螺栓7，高度调整 导柱5、高度调整螺栓6、高度支撑螺栓7的顶部设置活动支撑块19，定位拐支 撑架8安装于活动支撑块19上，通过高度调整导柱5、高度调整螺栓6、高度支 撑螺栓7进行高度升降。

定位拐支撑架8包括：支撑滚子9、角度调整座10、带有固定螺栓孔的定位 拐支撑架底座11、工作段15、角度调整段16、铰链螺栓12等，具体结构如下：

带有固定螺栓孔的活动支撑块19设置于底座1上的一侧，与高度调整导柱5、 高度调整螺栓6、高度支撑螺栓7呈滑动配合，以调整活动支撑块19的高度；定 位拐支撑架8为三段：工作段15、角度调整段16及定位拐支撑架底座11铰接结 构，工作段15与角度调整段16的一端铰接，角度调整段16的另一端与带有固定 螺栓孔的定位拐支撑架底座11上的角度调整座10铰接，工作段15的另一端通过 铰链螺栓12铰接于带有固定螺栓孔的定位拐支撑架底座11一端，角度调整座10 下部置于定位拐支撑架底座11的滑槽内，角度调整座10可沿定位拐支撑架底座 11水平移动，定位拐支撑架底座11通过螺栓固定在活动支撑块19上。工作段15 上设置支撑滚子9，工作段15的外表面（即支撑滚子的外共切面）为定位拐支撑 架8的工作面18，支撑滚子9与曲轴定位拐连杆13相对应。定位拐支撑架8对 应结构的作用在于，确定坯料定位拐分度，并起支撑作用。

角度调整（水平）座10结构的作用在于，随时调整分度定位拐支撑架8的工 作面18（即工作段15）与水平方向夹角，进而调整定位拐的分度位置。

定位拐支撑架工作段15、支撑滚子9的作用在于，支撑定位拐连杆13，并保 证定位拐连杆13外圆与定位拐支撑架8的工作面18相切。

与底座1连为一体的锁紧螺杆座2、锁紧螺杆3及活动垫块4的作用在于， 坯料定位拐分度位置确定后，将其固定住，使之在520N.m以内的逆时针扭矩下， 不能绕曲轴主轴14转动。

大型船用全纤维曲轴弯曲镦锻多拐分度定位装置的使用方法，具体步骤如下：

1）预先调整定位拐支撑架8、高度调整螺栓6，根据已锻的定位拐与将要锻 造的曲拐理论夹角，将定位拐支撑架8调整到一合适高度，并锁紧高度支撑螺栓 7，其中，曲轴主轴14中心到定位拐支撑架8绕点间的水平距离L₇为该装置安装 时的已知参数，如图2所示。

2）将半圆形底座1连同定位拐支撑架8吊装至6000吨液压机一侧下水平运 动模块的模套中，下水平运动模块的模套为常规技术，其中的水平成型模A、水 平成型模B与本发明定位装置如下：水平成形模A、半圆形底座及水平成型模B 在轴向上依次排列在模套中，三者在模套内通过相接处的侧壁贴靠，并配合良好， 模套中有限位槽将三者固定在其中，使之不能在模套中发生轴向（水平方向）滑 移，模套的上、下模合模后，三者亦不能发生径向（垂直方向）滑移；

3）测量定位拐连杆13外径周长，除以л，得到定位拐连杆13半径R，定位 拐连杆13-曲轴主轴14中心距L₁按曲拐的设计值确定。

4）通过测得数据和定位拐支撑架自带及安装参数以及所需定位拐曲臂中心线 与水平方向夹角，求得定位支撑架的工作面与水平方向的理论夹角；具体如下：

利用图2的几何关系对定位拐支撑架8的工作面18与水平方向夹角θ_x和定 位拐曲臂17中心线与水平方向夹角θ_y做如下推导：

L₇+L₈=L₁cosθ_y+(R+L₃)sinθ_x

其中，L₈=L₄cosθ_x，带入得

L₇+L₄cosθ_x=L₁cosθ_y+(R+L₃)sinθ_x

$L_4\sqrt{1-{\sin }^2{\theta }_x}=(R+L_3){\sin \theta }_x+L_1{\cos \theta }_y-L_7$

1-sin²θ_x=(M sinθ_x+N)²1-sin²θ_x=M²sin²θ_x+N²+2MN sinθ_x(M²+1)sin²θ_x+2MN sinθ_x+N²-1=0 于是有，$\sin {\theta }_x=\frac{-2\mathrm{MN}\pm \sqrt{{4M}^2{N}^2-4(M^2+1)(N^2-1)}}{2(M^2+1)}$

其中，L₁—曲轴主轴-定位拐连杆中心距；

R—定位拐连杆半径；

L₃、L₄-分别为定位拐支撑架上固有参数；其中，L₃为定位拐支撑架 的工作段15两端铰接点的连线与定位拐支撑架8工作面18的距离；L₄为定位拐 支撑架的工作段15两端铰接点的中心距；

L₇—为定位拐支撑架安装参数；具体为：定位拐支撑架的工作段15 与带有固定螺栓孔的定位拐支撑架底座11铰接点，与曲轴主轴中心点在水平方向 投影的距离；

L₈—为定位拐支撑架安装参数；具体为：定位拐支撑架的工作段15 与带有固定螺栓孔的定位拐支撑架底座11铰接点，以及定位拐支撑架的工作段 15与定位拐支撑架的角度调整段16铰接点在水平方向投影的距离；

θ_x—定位拐支撑架的工作面与水平方向夹角；

θ_y—定位拐曲臂中心线与水平方向夹角目标值；

$M=\frac{(R+L_3)}{L_4}$

$N=\frac{L_1{\cos \theta }_y-L_7}{L_4}$

得到两者之间的关系，将测得的R和已知的L₁、L₃、L₄、L₇代入式中，即可 通过调整θ_x获得所需的θ_y。

5）定位拐支撑架符合如下几何关系：

${L_5}^2={L_4}^2+{L_6}^2+{L_2}^2-{2L}_4\sqrt{{L_6}^2+{L_2}^2}\cos ({\theta }_x-\arctan \frac{L_2}{L_6})$

$\cos ({\theta }_x-\arctan \frac{L_2}{L_6})\frac{{L_2}^2+{L_4}^2+{L_6}^2-{L_5}^2}{{2L}_4\sqrt{{L_6}^2+{L_2}^2}}$

${\theta }_x=\arccos \left(\frac{{L_2}^2+{L_4}^2+{L_6}^2-{L_5}^2}{{2L}_4\sqrt{{L_6}^2+{L_2}^2}}\right)+\arctan \frac{L_2}{L_6}$

其中，L₂、L₄、L₅—分别为定位拐支撑架上固有参数；L₄为定位拐支撑架 的工作段15两端铰接点的中心距；L₅为定位拐支撑架的角度调整段16两端铰接 点的中心距；L₂为定位拐支撑架的工作段15与带有固定螺栓孔的定位拐支撑架 底座11铰接点，以及定位拐支撑架的角度调整段16与角度调整座10铰接点在竖 直方向投影距离；

L₆—为定位拐支撑架的可调节参数，用其来控制θ_x；具体为：定位拐 支撑架的工作段15与带有固定螺栓孔的定位拐支撑架底座11铰接点，以及定位 拐支撑架的角度调整段16与角度调整座10铰接点在水平方向投影的距离；

由于L₂、L₅、L₄已知，通过扩大或减小角度调整座10与活动支撑块19上部 挡块间的开口宽度，即通过调整L₆来调整θ_x。

6）根据上述已知参数和所需θ_y，调整得出θ_x，将带有定位拐的曲轴坯料吊 装到液压机的下水平运动模块上，使定位拐连杆13贴靠在定位拐支撑架8的工作 段15的支撑滚子9上，即定位拐连杆13外圆与定位拐支撑架8的工作面18相切 （滚子采用双排交错布置，防止切点伸入工作面18）。

7）将活动垫块4放置于两锁紧螺杆3与定位拐连杆13之间，用力矩扳手锁 紧锁紧螺杆3，使定位拐在520N.m以内的逆时针扭矩下，不能绕曲轴主轴14转 动。

8）将液压机的上、下水平运动模块合模，进行弯曲镦锻，多拐（每拐一火次， 即每拐锻前需加热一次）锻造完成后，使任意两拐间的最大分度偏差满足工艺精 度要求。

实施例

本实施例应用在某厂某型号大型全纤维曲轴产品弯曲镦锻生产现场。坯料材 质为42CrMo4钢，重3.5吨，坯料参与变形部位加热温至1180℃，弯曲镦锻过程 在6000吨TR法专用压力机上进行。曲轴坯料经过吊装及调整后，定位拐与该定 位装置的位置关系如图3所示，将活动垫块垫在定位拐连杆13与锁紧螺杆3之 间后进行锁紧。弯曲镦锻过程中，由于定位拐连杆13半径测量误差以及曲轴主轴 14-定位拐连杆13中心距锻造误差引起的曲轴分度偏差最大为1°，任意两拐间的 最大分度偏差满足工艺精度要求。