大功率柴油機(jī)凸輪軸精鍛技術(shù)研究

李志廣， 張建穎， 周艷紅， 邢 鵬， 李 萌， 馬 強(qiáng)

（1.山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 大同 037036；2.北京辰安科技股份有限公司， 北京 100085；3.陸軍駐大同地區(qū)軍事代表室， 山西 大同 037036）

0 引 言

大功率柴油機(jī)凸輪軸是用于裝甲裝備和艦船裝備動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵件，分為進(jìn)氣凸輪軸與排氣凸輪軸，材料牌號(hào)多為20CrMnTi、20CrMnMo等，總長(zhǎng)一般為1 000～1 500 mm。大功率柴油機(jī)凸輪軸只有經(jīng)過(guò)鍛造加工，才能確保其使用時(shí)高優(yōu)質(zhì)性、高可靠性和高安全性。

“精鍛”是“精密鍛造”或“精密級(jí)鍛造”的簡(jiǎn)稱，是一種近凈鍛造技術(shù)。鍛件精度是大功率柴油機(jī)凸輪軸鍛造所涉及的關(guān)鍵和共性技術(shù)問(wèn)題之一，GB/T 12362《鋼質(zhì)模鍛件 公差及機(jī)械加工余量》定義鍛件精度分為：普通級(jí)和精密級(jí)[1]；GB/T 8541《鍛壓術(shù)語(yǔ)》定義對(duì)應(yīng)的鍛件分為：普通精度鍛件和精密精度鍛件[2]。趙震等結(jié)合精鍛技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了以溫鍛-冷鍛、分流鍛造、流動(dòng)控制、沖鍛復(fù)合與閉塞鍛造等為主流精鍛技術(shù)的研究、應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)[3]；夏巨諶等結(jié)合中、美、日、德等國(guó)家精鍛技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，證實(shí)了以復(fù)雜回轉(zhuǎn)體件流動(dòng)控制、復(fù)雜組合體件鍛造、復(fù)雜枝芽件小飛邊鍛造等為主流精鍛技術(shù)研究、應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)[4]。到目前為止，尚未見有關(guān)于大功率柴油機(jī)凸輪軸在模鍛錘設(shè)備上實(shí)現(xiàn)精鍛的研究報(bào)道；李志廣等致力于鍛造及鍛造與鑄造、沖壓和熱處理等協(xié)同精密制造技術(shù)的精鍛研究[5,6]，研發(fā)了在模鍛錘設(shè)備上實(shí)現(xiàn)大功率柴油機(jī)凸輪軸精鍛[7]、連桿精鍛[8]、連接銷鍛擠復(fù)合[9]、扳手精鍛[10]、大型刮板鑄鍛復(fù)合[11]、吊環(huán)精鍛[12]、齒弧鍛沖復(fù)合[13]、雙面模膛鍛模[14]以及長(zhǎng)壽命切邊模結(jié)構(gòu)[15]、精準(zhǔn)卸除飛邊方法[16]等多項(xiàng)精鍛專利技術(shù)，這些技術(shù)具有差異化、個(gè)性化和綠色化鍛造特點(diǎn)，在鍛造實(shí)踐中應(yīng)用效果良好。

大功率柴油機(jī)凸輪軸熱模鍛可采用模鍛錘、模鍛液壓機(jī)、曲柄熱模鍛壓力機(jī)、液壓螺旋壓力機(jī)、電動(dòng)螺旋壓力機(jī)等鍛造設(shè)備，當(dāng)在模鍛錘設(shè)備上鍛造成形時(shí)，鍛件精度達(dá)到GB/T 12362普通級(jí)則相對(duì)容易，但要達(dá)到GB/T 12362精密級(jí)相當(dāng)困難[5-18]。因此，只有既遵循鍛造基本原理又另辟蹊徑，才能破解大功率柴油機(jī)凸輪軸在模鍛錘設(shè)備上達(dá)到精密級(jí)的關(guān)鍵和共性技術(shù)難題[7,19-21]。

1 鍛件精度預(yù)測(cè)與確定的原則

在鍛造實(shí)踐中，鍛件精度預(yù)測(cè)與確定應(yīng)優(yōu)先堅(jiān)持以下原則：①以繪制的鍛件毛坯圖確定鍛件形狀復(fù)雜系數(shù)S（如0.63

2 凸輪軸鍛造工藝性分析

大功率柴油機(jī)凸輪軸鍛造工藝過(guò)程：下料→加熱→模鍛（制坯和終鍛）→切邊→熱校正→冷卻。鍛造溫度經(jīng)歷由高到低的變化過(guò)程：最高加熱溫度→滾擠制坯開始溫度→始鍛溫度→終鍛溫度→熱切邊溫度→熱校正溫度→最后冷卻至室溫。因從輸入最高加熱溫度（1 250～1 200 ℃）到輸出最終室溫（20 ℃）的鍛造溫度變化梯度大，在鍛造過(guò)程中的凸輪軸熱模鍛件總長(zhǎng)實(shí)際熱脹冷縮量大（15.0～23.0 mm）且不均勻，其中在熱校正時(shí)，易產(chǎn)生啃傷凸輪外側(cè)且距離凸輪軸長(zhǎng)度基準(zhǔn)線越遠(yuǎn)的凸輪外側(cè)面啃傷越嚴(yán)重，或在冷卻后易產(chǎn)生總長(zhǎng)尺寸不均勻地超上差（3.0～6.0） mm，且在距凸輪軸長(zhǎng)度基準(zhǔn)線越遠(yuǎn)的凸輪外側(cè)的超上差量高達(dá)（2.0～4.0） mm，最終導(dǎo)致凸輪軸鍛件GB/T 12362普通級(jí)合格率最高為96%。在傳統(tǒng)鍛造實(shí)踐中，提高凸輪軸鍛件合格率的常用方法是采用將“等寬凸輪”變?yōu)椤凹訉捦馆啞保幢粍?dòng)增大凸輪寬度結(jié)構(gòu)的機(jī)加工余量）等補(bǔ)償方法。因此大功率柴油機(jī)凸輪軸在模鍛錘設(shè)備上成形的鍛件精度達(dá)到GB/T 12362普通級(jí)要求都較難，而實(shí)際的要求是大功率柴油機(jī)凸輪軸鍛件精度為GB/T 12362精密級(jí)，如圖1所示。

圖1 凸輪軸精鍛件毛坯圖

3 凸輪軸精鍛的關(guān)鍵技術(shù)

大功率柴油機(jī)凸輪軸精鍛技術(shù)：在綜合考慮鍛造材料牌號(hào)與規(guī)格、鍛造形狀與尺寸、加熱條件與方法、工藝過(guò)程與方法、模鍛錘設(shè)備與特點(diǎn)、鍛模設(shè)計(jì)與制造、鍛造操作與冷卻方式等條件下，一種優(yōu)化和精準(zhǔn)控制鍛模結(jié)構(gòu)與尺寸、金屬冷卻收縮率、鍛造始鍛溫度、終鍛溫度、熱切邊溫度與熱校正溫度、鍛造滾擠制坯、終鍛和熱校正錘擊次數(shù)以及“鍛造（滾擠制坯、終鍛）→熱切邊→熱校正”操作時(shí)間等多維度、多層級(jí)、多變量的集成精鍛技術(shù)。

在模鍛錘設(shè)備上實(shí)現(xiàn)大功率柴油機(jī)凸輪軸精鍛應(yīng)重點(diǎn)解決的關(guān)鍵技術(shù)：①鍛模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與鍛件精度關(guān)系；②鍛造金屬冷卻收縮與鍛件精度關(guān)系；③鍛造工藝溫度與鍛件精度關(guān)系；④鍛造錘擊次數(shù)與鍛件精度關(guān)系；⑤鍛造操作時(shí)間與鍛件精度關(guān)系；⑥鍛模結(jié)構(gòu)與尺寸、鍛造金屬冷卻收縮率、鍛造工藝溫度、鍛造錘擊次數(shù)和鍛造操作時(shí)間等共同作用與鍛件精度關(guān)系。

4 凸輪軸精鍛實(shí)施過(guò)程

4.1 優(yōu)化凸輪軸精鍛鍛模結(jié)構(gòu)與尺寸

凸輪軸精鍛模結(jié)構(gòu)具有緊湊、流程短、功能多、使用壽命長(zhǎng)、制造成本低等特點(diǎn)，主要包括：①1個(gè)縱向共用滾擠模膛，可為任意一個(gè)終鍛模膛分別提供進(jìn)氣凸輪軸或排氣凸輪軸滾擠制坯坯料；②2個(gè)縱向并排1模2鍛的終鍛模膛，進(jìn)氣凸輪軸和排氣凸輪軸鍛件分別使用1個(gè)終鍛模膛，具有相同或相近的使用功能和使用壽命；③1個(gè)左縱向右對(duì)角精密導(dǎo)向鎖扣，將進(jìn)氣凸輪軸和排氣凸輪軸鍛件共用滾擠模膛設(shè)置在左縱向?qū)蜴i扣上，既可實(shí)現(xiàn)鍛模精密導(dǎo)向又可減小鍛模寬度尺寸；④2個(gè)并排縱向終鍛模膛中心線位于鍛模燕尾寬度范圍內(nèi)，鍛模尺寸與偏心力矩小，既能滿足使用強(qiáng)度要求又能滿足使用功能要求。通過(guò)優(yōu)化凸輪軸精鍛鍛模結(jié)構(gòu)與尺寸，最終成形的鍛件可達(dá)到凸輪軸精鍛尺寸要求，凸輪軸精鍛鍛模結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 凸輪軸精鍛鍛模簡(jiǎn)圖

4.2 優(yōu)化和控制精鍛金屬冷卻收縮率

金屬冷卻收縮量與冷卻收縮率有關(guān)。傳統(tǒng)金屬熱模鍛件尺寸L、金屬冷模鍛件尺寸l以及金屬熱模鍛件冷卻收縮率δ之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

式中：L——金屬熱模鍛件尺寸，mm；l——金屬冷模鍛件尺寸，mm；δ——金屬熱模鍛件冷卻收縮率，%。

凸輪軸精鍛件從長(zhǎng)度基準(zhǔn)線到凸輪外側(cè)長(zhǎng)度尺寸的實(shí)際金屬冷卻收縮率δN與凸輪軸精鍛件從長(zhǎng)度基準(zhǔn)線到凸輪外側(cè)長(zhǎng)度尺寸的基準(zhǔn)金屬冷卻收縮率δ0、凸輪軸精鍛件從長(zhǎng)度基準(zhǔn)線到凸輪外側(cè)長(zhǎng)度尺寸的優(yōu)選金屬冷卻收縮率遞增級(jí)差δn-1的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

式中：δN——凸輪軸精鍛件從長(zhǎng)度基準(zhǔn)線到凸輪外側(cè)長(zhǎng)度尺寸的實(shí)際金屬冷卻收縮率，%，為依次遞增變化的具體數(shù)值，N＝1，2，3……，表示凸輪組數(shù)量，每一凸輪組的凸輪數(shù)量為2N；δ0——凸輪軸精鍛件從長(zhǎng)度基準(zhǔn)線到凸輪外側(cè)長(zhǎng)度尺寸的基準(zhǔn)金屬冷卻收縮率，%，為相同不變的基準(zhǔn)數(shù)值；δn-1——凸輪軸精鍛件從長(zhǎng)度基準(zhǔn)線到凸輪外側(cè)長(zhǎng)度尺寸的優(yōu)選金屬冷卻收縮率遞增級(jí)差，%，為相同不變的具體數(shù)值，n＝1，2，3……，表示凸輪組次序數(shù)，以距離長(zhǎng)度基準(zhǔn)線最近的第1組凸輪為起點(diǎn)次序數(shù)。

通過(guò)優(yōu)化和控制凸輪軸鍛造實(shí)際金屬冷卻收縮率，最終成形的鍛件可達(dá)到凸輪軸精鍛尺寸要求。

4.3 優(yōu)化和控制精鍛工藝溫度

凸輪軸傳統(tǒng)鍛造一般只規(guī)定了鍛造始鍛溫度和終鍛溫度，事實(shí)上鍛造涉及的始鍛溫度、終鍛溫度、熱切邊溫度和熱校正溫度等都影響凸輪軸模鍛件長(zhǎng)度方向的尺寸精度。

（1）優(yōu)化和控制凸輪軸精鍛始鍛溫度可為最終成形的鍛件達(dá)到精鍛尺寸要求提供條件。凸輪軸精鍛始鍛溫度Ti與鍛造允許最低始鍛溫度Timin、鍛造允許最高始鍛溫度Timax的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

式中：Ti——精鍛始鍛溫度，℃；Timin——鍛造允許最低始鍛溫度，℃；Timax——鍛造允許最高始鍛溫度，℃；TiΔ1——鍛造最低始鍛溫度條件下再增加的溫度值，℃；TiΔ2——鍛造最高始鍛溫度條件下再減少的溫度值，℃。

（2）優(yōu)化和控制凸輪軸鍛造終鍛溫度也可為最終成形的鍛件達(dá)到精鍛尺寸要求提供條件。凸輪軸精鍛終鍛溫度Tf與熱模鍛允許最低終鍛溫度Tfmin的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

式中：Tf——精鍛終鍛溫度，℃；Tfmin——鍛造允許的最低終鍛溫度，℃；TfΔ——鍛造最低終鍛溫度條件下再增加的溫度值，℃。

（3）優(yōu)化和控制凸輪軸精鍛熱切邊溫度也可為最終成形的鍛件達(dá)到精鍛尺寸要求提供條件。凸輪軸精鍛熱切邊溫度Tt與精鍛終鍛溫度Tf的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

式中：Tt——精鍛熱切邊溫度，℃；Tf——精鍛終鍛溫度，℃；TfΔ——精鍛終鍛溫度條件下再減少的溫度值，℃。

（4）優(yōu)化和控制凸輪軸精鍛熱校正溫度也可為最終成形的鍛件達(dá)到精鍛尺寸要求提供條件。凸輪軸精鍛熱校正溫度Ts與優(yōu)化和精鍛熱切邊溫度Tt的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

式中：Ts——精鍛熱校正溫度，℃；Tt——精鍛熱切邊溫度，℃；TtΔ——精鍛熱切邊溫度條件下再減少的溫度值，℃。

4.4 優(yōu)化和控制精鍛錘擊次數(shù)

凸輪軸鍛造滾擠制坯、終鍛成形、熱校正等的錘擊次數(shù)與鍛造制坯溫度、終鍛溫度、熱校正溫度以及金屬冷卻收縮率密切相關(guān)，鍛造錘擊次數(shù)過(guò)多或過(guò)少，會(huì)導(dǎo)致凸輪軸鍛造始鍛溫度、終鍛溫度、熱校正溫度過(guò)低或過(guò)高、金屬冷卻收縮率變小或變大。

4.5 優(yōu)化和控制精鍛操作時(shí)間

凸輪軸鍛造金屬冷卻收縮率與“鍛造（滾擠制坯、終鍛）→熱切邊→熱校正”各工步的操作時(shí)間有關(guān)，操作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短，都會(huì)導(dǎo)致凸輪軸鍛造終鍛溫度、熱切邊溫度、熱校正溫度的過(guò)低或過(guò)高、金屬冷卻收縮率變小或變大。通過(guò)優(yōu)化和控制凸輪軸鍛造操作時(shí)間，可為最終成形的鍛件達(dá)到精鍛尺寸要求提供條件。

4.6 實(shí)施效果

大功率柴油機(jī)凸輪軸精鍛成形經(jīng)上述操作并實(shí)際驗(yàn)證，最終取得了顯著且可量化的應(yīng)用效果：可拓展現(xiàn)有鍛造工藝、鍛模和模鍛錘設(shè)備等使用功能和使用范圍，將凸輪軸模鍛件合格率由GB/T 12362普通級(jí)96%提高到精密級(jí)98%以上，不僅達(dá)到精鍛尺寸要求，而且在形狀、尺寸和質(zhì)量等關(guān)鍵技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)上具有均質(zhì)性、穩(wěn)定性和一致性，如圖3所示。

圖3 凸輪軸精鍛件實(shí)物

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）綜合考慮鍛造材料牌號(hào)與規(guī)格、鍛造形狀與尺寸、加熱條件與方法、工藝過(guò)程與方法、模鍛錘設(shè)備與特點(diǎn)、鍛模設(shè)計(jì)與制造、鍛造操作與冷卻方式等條件的基礎(chǔ)上，解決了在模鍛錘設(shè)備上實(shí)現(xiàn)大功率柴油機(jī)凸輪軸精鍛的關(guān)鍵與共性技術(shù)難題。

（2）大功率柴油機(jī)凸輪軸精鍛技術(shù)是優(yōu)化和控制鍛模結(jié)構(gòu)與尺寸、金屬冷卻收縮率、鍛造始鍛溫度、終鍛溫度、熱切邊溫度與熱校正溫度、鍛造滾擠制坯、終鍛、熱校正錘擊次數(shù)以及“鍛造（滾擠制坯、終鍛）→熱切邊→熱校正”操作時(shí)間等多維度、多層級(jí)、多變量的集成精鍛技術(shù)。

（3）替代了傳統(tǒng)鍛造工藝，拓展了現(xiàn)有鍛造工藝、鍛模和模鍛錘設(shè)備的使用功能和使用范圍，將凸輪軸鍛件合格率由普通級(jí)96%提高到精密級(jí)98%以上，在形狀、尺寸和質(zhì)量等關(guān)鍵技術(shù)質(zhì)量特性指標(biāo)上具有均質(zhì)性、穩(wěn)定性和一致性，具有應(yīng)用的有效性和廣泛性。