船用柴油機(jī)大型曲軸鍛件的研制

孫 峰，胡朝備，張國(guó)剛，馬明方

（上海重型機(jī)器廠有限公司，上海 200245）

船用柴油機(jī)大型曲軸鍛件的研制

孫 峰，胡朝備，張國(guó)剛，馬明方

（上海重型機(jī)器廠有限公司，上海 200245）

船用曲軸是我國(guó)船舶工業(yè)持續(xù)發(fā)展的瓶頸。闡述了使用彎鍛法制造60機(jī)曲拐的鍛造流程。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，分析了鍛造缺陷產(chǎn)生的原因，提出了優(yōu)化工藝及規(guī)范操作的措施，成功研發(fā)了特大型船用曲軸鍛件。

曲軸；計(jì)算機(jī)模擬；曲拐

2003年前，被視為船用柴油機(jī)的“心臟”的曲軸一直依賴進(jìn)口，半組合曲軸供求矛盾極為突出［1］。實(shí)現(xiàn)船用大功率低速柴油機(jī)曲軸國(guó)產(chǎn)化已經(jīng)成為中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的一項(xiàng)戰(zhàn)略任務(wù)，為此中國(guó)設(shè)立了半組合曲軸的國(guó)產(chǎn)化建設(shè)項(xiàng)目，希望解除制約船舶工業(yè)持續(xù)發(fā)展的瓶頸。在此項(xiàng)目中，上海重型機(jī)器廠有限公司（簡(jiǎn)稱上重）研制的50、60、70、80、90等機(jī)型曲軸鍛件成功投產(chǎn)［2］。

按其制造方法曲軸可分為鍛造或鑄造的整體式曲軸，由鍛造和鑄造的曲柄組裝或焊接的組合式、半組合式曲軸［3］。半組合曲軸包括輸出端軸頸、自由端軸頸、主軸頸及曲拐鍛件，如圖1所示。其中曲拐是鍛造的難點(diǎn)［4］。目前，由于塊鍛法、環(huán)鍛法、模鍛法的鍛造方法不適合上重的生產(chǎn)情況，故上重采用彎鍛法制造全纖維曲拐，其優(yōu)點(diǎn)是余量少、機(jī)加工切削量少、材料利用率高、金屬纖維流向好、設(shè)備所需功率較小等［5］。本文重點(diǎn)研究曲拐鍛件的成型，并分析了成型過(guò)程中的缺陷。

圖1 半組合式曲軸Fig.1 Semi－built crankshaft

1 工藝制定

本文以上重60機(jī)曲拐為例，介紹彎鍛法的計(jì)算機(jī)模擬及鍛造成形過(guò)程。

1.1 曲拐鍛件圖

根據(jù)60機(jī)曲拐精加工尺寸加放鍛造余量得到鍛件圖，如圖2所示。

1.2 曲拐鍛造流程及鍛造缺陷

曲拐彎鍛法的變形過(guò)程是將鍛制的扁坯放在下模上彎曲，最后修整成形，其鍛造流程如圖3所示。

圖2 60機(jī)曲拐零件圖（mm）Fig.2 Parts of a crank for the Type 60machine（mm）

按照?qǐng)D3鍛造流程利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行初次模擬及實(shí)物鍛造。結(jié)果發(fā)現(xiàn)鍛造的曲拐存在以下缺陷：① 曲拐內(nèi)開(kāi)檔容易出現(xiàn)折疊裂紋、喇叭口等現(xiàn)象；② 曲拐側(cè)面容易出現(xiàn)“縮腰”等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致曲拐鍛件報(bào)廢；③為保證60機(jī)曲拐的總長(zhǎng)2 207mm，存在25°斜面不能成功加工的現(xiàn)象。如圖4所示。

1.3 缺陷模擬分析

采用計(jì)算機(jī)模擬可分析出上述缺陷產(chǎn)生的原因，避免因鍛造缺陷而產(chǎn)生的報(bào)廢［6－7］。同時(shí)，利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)可設(shè)計(jì)近終型的預(yù)成形毛坯，將曲拐加工零件放置到最終成形的曲拐鍛件的內(nèi)部以確定不同位置的加工余量，采用反變形方法將已經(jīng)去除多余加工余量的變形鍛件恢復(fù)到未變形狀態(tài)，從而可得到具有最佳形狀的預(yù)成形毛坯［8－9］。本文通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬曲拐的金屬流動(dòng)機(jī)制，來(lái)分析缺陷產(chǎn)生的原因。

由圖5的坯料單元網(wǎng)格可見(jiàn)，在彎曲過(guò)程中，曲拐的塑性流動(dòng)可分為2種不同類型：① 曲拐末端和曲拐銷的基本無(wú)變形區(qū)；② 曲拐末端和曲拐銷的過(guò)渡區(qū)。過(guò)渡區(qū)的內(nèi)、外表面受內(nèi)、外應(yīng)力的作用，變形最大。金屬流動(dòng)比較劇烈的區(qū)域集中在內(nèi)表面彎曲部位及外表面發(fā)生拉伸的部位。

圖3 彎鍛法鍛造工藝流程圖Fig.3 Technical flow chart for the bending forging process

通過(guò)分析金屬流動(dòng)機(jī)制可知：① 曲拐末端和曲拐銷的過(guò)渡區(qū)兩側(cè)部位的材質(zhì)受上、下模的擠壓，向兩側(cè)流動(dòng)堆積產(chǎn)生壓應(yīng)力，使得坯料凸起部分的材質(zhì)逐漸流向貼模的上、下方向，造成了曲拐根部橫截面積減少，精整后形成“喇叭口”。這可通過(guò)減小坯料凸起部分的尺寸［10］、減輕彎曲過(guò)程中材質(zhì)的堆積、使金屬順利流動(dòng)的方法來(lái)解決。② 在彎曲的過(guò)程中，曲拐與下模之間的摩擦力使得外表面沿曲拐方向伸長(zhǎng)、在中間部位發(fā)生頸縮，曲拐外表面受拉應(yīng)力作用就形成了“縮腰”，這可通過(guò)改善坯料與下模的接觸條件來(lái)解決，如在彎鍛前，在下模上涂抹潤(rùn)滑劑。③ 對(duì)于因金屬流動(dòng)產(chǎn)生的堆積折疊產(chǎn)生內(nèi)開(kāi)檔的裂紋（見(jiàn)圖6的標(biāo)示處），可采用專用V型砧砧壓坯料中間凸起部分的兩側(cè)面，以減少?gòu)澢^(guò)程中金屬的堆積。

導(dǎo)致25°斜面不能成功加工的主要原因是在第一次彎鍛成型時(shí)，毛坯兩臂向下模內(nèi)部靠壓時(shí)，兩臂不對(duì)稱彎曲。產(chǎn)生這種情況的原因包括：① 彎鍛時(shí)，坯料、上模、下模的中心線不在同一垂直線上，有偏差，這是主要原因。② 加熱爐內(nèi)的溫度不均勻，或兩臂不等厚，造成彎曲變形不對(duì)稱。③彎鍛下模與毛坯接觸處的摩擦條件不同。為避免不能成功加工25°斜面的情況出現(xiàn)，需保證彎鍛前坯料兩臂等厚；加熱溫度均勻；彎鍛時(shí)坯料、上模、下模的中心線應(yīng)在同一垂直線上，不要有偏差；使用時(shí)下模的圓弧處應(yīng)清理干凈、涂潤(rùn)滑油，使下模與坯料接觸處的摩擦條件一致。

圖4 鍛造缺陷Fig.4 Forging defect

圖5 彎曲后的毛坯（mm）Fig.5 Billet dimensions after bending（mm）

圖6 模擬精整后坯料圖（mm）Fig.6 Billet dimensions after sizing simulation

2 生產(chǎn)效果及與國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的比較

通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，對(duì)加工工藝及鍛造過(guò)程進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)際生產(chǎn)情況較為理想，見(jiàn)圖7的計(jì)算機(jī)模擬圖與曲拐實(shí)際生產(chǎn)照；同時(shí)，材料的利用率及質(zhì)量都得到很大提高。

圖7 計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)物Fig.7 Computer simulation results and the product

與國(guó)外某公司的曲拐產(chǎn)品（見(jiàn)圖8）相比較，可發(fā)現(xiàn)，國(guó)外某公司制造曲拐坯料非常規(guī)整，但其成型后外觀質(zhì)量（未切割整形前）較為一般。

圖8 國(guó)外某公司曲拐制作實(shí)物Fig.8 Crank billet from an overseas company

3 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了上重60機(jī)曲拐鍛件的彎鍛法鍛造流程。用彎鍛法制造曲拐有金屬纖維流向好、材料利用率高、所需鍛造設(shè)備功率相對(duì)較小等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，分析了鍛造缺陷產(chǎn)生的原因，提出通過(guò)減小坯料凸起部分的尺寸來(lái)解決彎鍛缺陷；通過(guò)改善坯料與下模的接觸條件解決“細(xì)腰”缺陷。分析了實(shí)際生產(chǎn)中60機(jī)曲拐25°斜面不能成功加工的原因，并提出彎鍛時(shí)坯料、上模、下模的中心線應(yīng)在同一垂直線上等解決措施。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬對(duì)工藝及鍛造過(guò)程的改進(jìn)，上重成功制造出了60機(jī)曲軸鍛件。

［1］ 余云嵐，張 堅(jiān).我國(guó)船用低速大功率柴油機(jī)曲軸制造技術(shù)的發(fā)展［J］.上海造船，2009（4）：38－41.

［2］ 胡朝備，王海君，董慶江，等.特大型船用曲軸曲拐鍛造工藝研究［J］.一重技術(shù)，1998（2）：18－21.

［3］ 唐衛(wèi)宏，滕啟臣，曲貴龍.大型船用曲軸的鍛造［J］.金屬加工，2010（3）：46－49.

［4］ 朱文寶.K98MC－C船用曲軸曲拐鍛造成形工藝研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2010.

［5］ 胡金華.特大型船用曲軸曲柄鍛造工藝優(yōu)化研究［J］.鍛壓技術(shù)，2010，35（1）：12－15.

［6］ 孫明月，李殿中，李依依，等.大型船用曲軸曲拐的彎鍛過(guò)程模擬與實(shí)驗(yàn)研究［J］.金屬學(xué)報(bào)，2005，41（12）：1261－1266.

［7］ 顏建軍，鄭建榮，張海鷹，等.大型船用曲軸彎鍛成形過(guò)程仿真和組織模擬研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2006，17（19）：2024－2028.

［8］ 武玉波.船用大型組合式曲軸曲柄鍛造工藝的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2005：32－44.

［9］ 范 曾，汪中厚，梁景兵，等.大型船用曲軸磨床的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2009，37（6）：22－24，50.

［10］ 王 兵.全纖維曲軸DTR法鐓鍛成形工藝研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2011：26－35.

Development of Marine Diesel Engine Crankshaft Forgings

SUN Feng，HU Chaobei，ZHANG Guogang，MA Mingfang
（Shanghai Zhongxing Jiqi Chang Co.，Ltd.，Shanghai 200245，China）

Marin crankshaft is a bottleneck in China's shipbuilding industry restricting sustainable development.This article describes the forging process of the Type 60machine crank that uses a bending method.This paper analyzes the causes of the forging defects by computer simulation，and proposes several measures to optimize the forging process and standardize the forging operation.Based on the research，super－large marine crankshaft forging is successfully developed.

crankshaft；computer simulation；crank

TG 302

A

2095－0020（2012）03－0206－05

2012－03－27

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助（2007BAFOZBOO）

孫 峰（1974－），男，工程師，專業(yè)方向?yàn)闄C(jī)械工程與自動(dòng)化，E－mail：sunfeng＠shanghai－electric.com