W związku z dużym obciążeniem wały korbowe na ogół są produkowane metodą kucia, ponieważ zapewnia ona konieczną twardość i ciągliwość. Charakterystyczne dla tego procesu produkcyjnego jest niestety zużywanie dużej ilości energii, a dodatkowo wiąże się on też z obróbką wykończeniową przy usuwaniu wypływek. W Instytucie Produkcji Zintegrowanej w Hanowerze (IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover) zbadano czterostopniowy proces produkcji precyzyjnie kutego, dwucylindrowego wału korbowego bez wypływek, który przebiegał w następujących etapach:

• walcowanie poprzeczno-klinowe,

• wyciskanie poprzeczne,

• kucie wielokierunkowe,

• kucie wykończeniowe.

Walcowanie poprzeczno-klinowe powoduje wstępny rozkład masy na cylindrycznej części surowej. Dzięki temu strefy, które potem są przekształcane na ramiona wykorbienia, wykazują większą objętość. Strefy te są w kolejnym procesie (wyciskania poprzecznego) przesuwane poprzecznie do osi wzdłużnej. Wielokierunkowe kucie powoduje przesuwanie łożysk igiełkowych, początkowa forma ulega skróceniu do finalnej długości elementu i następuje wstępne ukształtowanie ramion wykorbienia. Końcowa geometria wykuwana jest w czwartym kroku.

Brak wyciskania poprzecznego prowadziłby do wad elementów

Skrócenie procesu przez opuszczenie wyciskania poprzecznego spowodowałby dodatkową oszczędność czasu i kosztów. Jak dotąd stanowi to problem, ponieważ po walcowaniu poprzeczno-klinowym geometria rotacyjnie symetryczna ma zostać w narzędziu wielokierunkowym przekształcona w asymetryczną wstępną formę wału korbowego bez wypływek. Bez dopasowania obu narzędzi w obrębie ramienia wykorbienia pojawiają się wady części, takie jak zadziory lub niedolania.

W trakcie walcowania poprzeczno-klinowego cylindryczny półprodukt kręci się między dwoma wysadzanymi klinami płytami narzędziowymi obracającymi się w przeciwnym kierunku. Kliny wrzynają się w obrabiany element i miejscami redukują jego średnicę. Kontur narzędzia przenosi się na półwyrób, tak że powstaje geometria rotacyjnie symetryczna o zdefiniowanym wstępnym rozkładzie masy. Zalety tej metody to niewielkie ilości nadwyżek materiałowych oraz niskie koszty instalacji i narzędzi przy stosowaniu szczęk płaskich. Ważnymi parametrami geometrycznymi są kąt odsadzenia (α), redukcja powierzchni przekroju (ΔA) i kąt klina (β). Kąt odsadzenia określa, pod jakim kątem oddzielone są skupiska masy o średnicy wyjściowej od stref o zredukowanej średnicy, tak by 90° stanowiło maksymalny możliwy kąt. Zwykłe i zastosowane również w projekcie wartości wahają się między 30° a 89°. Redukcja powierzchni przekroju (ΔA) wynika rachunkowo ze stref o różnych średnicach i podaje stosunek między powierzchnią przekroju wyjściowego i zredukowaną powierzchnią przekroju. Stosunek powierzchni przekroju jest podawany w procentach i mieści się najczęściej między 25 a 60%. Wartości w projekcie zmieniały się od 30 do 60%. Kąt klina podaje, jak bardzo rozszerza się klin przy wcinaniu się w obrabiany element, i jak szybko dzięki temu wypierany jest materiał. Zwykle wartości leżą między 3° a 7°; w opisywanej konstrukcji wybrano 5°. Obok parametrów geometrycznych należy ustawić jeszcze parametry procesu, takie jak prędkość obrabiania, temperatura elementu obrabianego i materiał półwyrobu. Dzięki walcowaniu poprzeczno-klinowemu produkować można wały z ukosami, stopniami, powierzchniami nośnymi i ściankami.

Pionowa siła suwaka jest przekierowywana przy kuciu wielokierunkowym

Wielokierunkowe kucie należy do procesów kształtowania plastycznego, które opisują przebieg kucia w kierunku poziomym i pionowym. Pionowa siła suwaka prasy jest przy zamykaniu matrycy przekierowywana przez kliny na poziomą. Dzięki temu element może być obrabiany w płaszczyźnie poziomej. Obróbka wielokierunkowa, a więc równoczesna z dwóch kierunków, staje się możliwa dopiero dzięki kolejnym klinom na narzędziu obrabiającym, co zostanie poniżej dokładniej wyjaśnione. Jak już opisano, w przypadku wału korbowego równocześnie można uzyskać zmniejszenie długości elementu, wstępne uformowanie ramion wykorbienia, a także przesunięcie łożyska. Kompleksowy przepływ materiału umożliwia wysoki stopień obróbki, dzięki czemu zmniejsza się konieczność obróbki na kolejnym etapie – kucia wykończeniowego. W związku z tym zmniejszeniu ulegają również siły obrabiania przy kuciu wykończeniowym. Ponieważ siły związane z kuciem wykończeniowym są najwyższe w całym procesie, zmniejsza się w ten sposób zapotrzebowanie całego procesu na siłę, dzięki czemu możliwe jest kucie na mniejszych prasach.

Dla konstrukcji skróconego, trzystopniowego procesu decydująca jest końcowa geometria wału korbowego. Zaprojektowano ją w oparciu o wał korbowy z procesu czterostopniowego i odpowiada jednocylindrowemu wałowi korbowemu z elementami dodatkowymi w postaci czopu i kołnierza. Dla oszczędności kosztów przyjęto niewielkie wymiary, a formy wstępne dostosowano w taki sposób, by możliwe były systematyczne zmiany parametrów. Zgodnie z metodą „top-down” wymiary form wstępnych ustalane były od tyłu do przodu; najpierw dla wielokierunkowego etapu obróbki, później dla etapu walcowania poprzeczno-klinowego.

Dla lepszego zrozumienia należy w tym miejscu najpierw rozpatrywać walcowanie poprzeczno-klinowe, a następnie obróbkę wielokierunkową. Zmieniane parametry do badania tworzenia zadziorów w trakcie produkcji wałów korbowych przy walcowaniu poprzeczno-klinowym to kąt odsadzenia i redukcja powierzchni przekroju.

Poza tym ustalono, że skupiska masy we wszystkich wariantach mają taką samą objętość mimo różnych geometrii. Daje to pewność, że materiał do formowania ramion wykorbienia pochodzi tylko ze skupisk masy formy wstępnej walcowanej poprzeczno-klinowo. Przy kuciu wielokierunkowym rozpatrywano warianty z i bez elementów dodatkowych, a także zmiany przesunięcia łożyska. Dla każdego parametru badano większy zakres wartości, by ująć możliwie szerokie spektrum wariantów.

Wcześniejsza symulacja obniża nakłady na próby kucia

Po ustaleniu, które wartości mają być badane dla każdego parametru, za pomocą oprogramowania FEM Forge NXT przeprowadzono i oceniono symulacje. Dzięki temu można zawęzić zakres graniczny, w którym jeszcze powstaje zadzior lub w którym do jego powstania nie dochodzi. Poza tym symulacyjne badanie wstępne redukuje zarówno konstrukcyjne, jak i eksperymentalne nakłady na próby, ponieważ wystarczy uwzględnić tylko niektóre warianty.

Konstrukcja narzędzia do walcowania poprzeczno-klinowego do prób eksperymentalnych bazuje na istniejących wzorach obliczeniowych. Ze względu na odwzorowywany charakter obróbki i stałą objętość skupisk masy za pomocą jednego kompletu płyt – przy zmianie kąta odsadzenia i redukcji powierzchni przekroju – można wyprodukować tylko część walcowaną o jednej geometrii. W celu formowania środkowego łożyska głównego między dwoma skupiskami masy i nakiełkowania półproduktu najpierw wcina się klin w środek i miejscowo redukuje przekrój, rozpychając materiał na obie strony. Dwa kliny boczne wypychają materiał tylko na jedną stronę na zewnątrz za pomocą ścianki ukośnej z jednej strony. Na koniec wydłużający się element ulega dodatkowej redukcji przekroju po jednej stronie przy pomocy dwóch przylegających klinów, co pozwoli później uformować czop. Dla zabezpieczenia toczenia na ścianach bocznych klinów wykonano rowki, w które może wpadać materiał elementu obrabianego. Na końcu płyty na odcinku półtora obrotu części walcowanej nie dochodzi już do rozszerzania poprzecznego przez kliny, lecz tylko do wygładzania powierzchni. Wygładza to nierówności spowodowane przez rowki, poprawia również jakość powierzchni. W związku z zawalcowaniem materiału w pobliżu osi wzdłużnej elementu walcowanego przez fragment materiału, który jest bardziej oddalony od osi, po stronie czołowej elementu walcowanego powstaje zagłębienie. Ponieważ zagłębienie to nie powinno być obrabiane na kolejnych etapach obróbki, półprodukt ma niewielki naddatek materiału. Te zewnętrzne końce są odcinane po walcowaniu poprzeczno-klinowym. Ze względu na niewielkie doświadczenie z kompleksową geometrią elementu walcowanego pierwsze próby walcowania realizowane były początkowo z dużym naddatkiem materiału. W przypadku przemysłowego stosowania naddatek ten zmniejszyłby się znacznie dzięki uzyskanym wartościom doświadczalnym.

Narzędzie wielokierunkowe jest podzielone w poziomie i składa się, od lewej do prawej, ze stempli tnących, lewego elementu przesuwnego, lewej prowadnicy, środkowego elementu przesuwnego, prawej prowadnicy, prawego elementu przesuwnego i masy wyrównawczej. Przekierunkowana siła suwaka prasy naciska na stempel tnący, elementy przesuwne i masę wyrównawczą od zewnątrz w kierunku środkowego elementu przesuwnego. Dzięki sprężynom początkowo jest stały odstęp między stemplem tnącym a lewym elementem przesuwnym, a także między prawym elementem przesuwnym i masą wyrównawczą. Ta ostatnia zapewnia symetryczny proces, ponieważ w przeciwnym przypadku zmiana kierunku siły z pionowej na poziomą byłaby znacznie bardziej skomplikowana ze względu na różne kąty. Skupiska masy elementu walcowanego są skracane przez ruch elementów narzędzia względem siebie do grubości późniejszych ramion wykorbienia. Niewielkie kliny na elementach przesuwnych zmieniają w tym samym czasie ruch środkowego elementu przesuwnego na boczny, powodujący przesunięcie łożyska. Gdy lewy i prawy element przesuwny dotrą do ograniczników, sprężyny są ściskane. Stempel tnący porusza się dalej i formuje kołnierz.

Struktura modułowa pozwala na obróbkę części walcowanych o różnych długościach

Kąty na elementach przesuwnych mają układ modułowy, dzięki czemu można obrabiać elementy o różnych długościach. W perspektywie późniejszej produkcji seryjnej w otoczeniu przemysłowym ułatwi to tanią wymianę elementów narzędzi.

Powstający ewentualnie zadzior spływa do szczeliny między środkowym elementem przesuwnym i obiema prowadnicami. Wybrano to położenie, ponieważ tam najwcześniej zadzior powstaje. Sama szczelina jest bardzo wąska (1 mm), tak że jej grubość można pominąć. Dzięki temu oceniać można sam zadzior równolegle z ruchem środkowego elementu przesuwnego.

Elementy przesuwne są ukształtowane tak, że są prowadzone przez sąsiadujące elementy, co zapobiega niepożądanym momentom wywracającym, ale wymaga zachowania wąskich zakresów tolerancji. Dzięki poziomemu podziałowi narzędzia możliwe jest wprawdzie łatwe wkładanie elementu obrabianego, ale należy też zapewnić dokładne nakiełkowanie górnej i dolnej połowy narzędzia. Poza tym sprężyny dostarczane przez firmę Mubea Tellerfedern GmbH muszą być projektowane dla występujących sił, a przy konstruowaniu należy uwzględnić odpowiednią przestrzeń do zabudowy. Modułowa struktura narzędzia pomaga również w razie zużycia lub innych uszkodzeń narzędzia, ponieważ pozwala na wymianę tylko określonych elementów. Wreszcie należy zwracać uwagę na to, by wszystkie elementy można było właściwie przymocować do stołu prasy. Dlatego doradza się logiczną kolejność montażu już w trakcie fazy konstrukcyjnej.