玉柴Y6CK曲軸鍛造工藝開發(fā)

文/祝占宏，宮顯宇，王志國，韓海河，王麗霞·內(nèi)蒙古一機集團富成鍛造有限公司

玉柴Y6CK曲軸鍛造工藝開發(fā)

文/祝占宏，宮顯宇，王志國，韓海河，王麗霞·內(nèi)蒙古一機集團富成鍛造有限公司

玉柴Y6CK曲軸是歐Ⅲ標準發(fā)動機的關(guān)鍵件之一，由廣西玉柴公司研發(fā)，富成鍛造公司承擔該曲軸鍛件的設(shè)計、生產(chǎn)，產(chǎn)品如圖1所示。玉柴Y6CK曲軸鍛件為曲面分模，平衡塊形狀復雜，柄塊高寬比大，不易充滿。鍛件材料為非調(diào)質(zhì)鋼48MnV，鍛造工藝性和鍛后控溫冷卻技術(shù)要求比較高。

鍛造工藝難點

⑴鍛件平衡塊形狀復雜且高寬比大，柄塊頂部不易充滿。

⑵采取曲面分模，出模力分布不均且較大，頂出設(shè)計無法借用現(xiàn)有斯太爾曲軸的頂桿布置，需重新設(shè)計。

⑶材料48MnV的鍛造工藝性和鍛后控溫冷卻技術(shù)要求比較高。

⑷鍛件形狀復雜，需要合理的分配預鍛、終鍛打擊能量，防止鍛件充不滿或過大的載荷對設(shè)備造成的損壞。

有限元分析

圖1玉柴曲軸鍛件圖

根據(jù)玉柴Y6CK曲軸鍛件沿軸向體積分布規(guī)律，項目組設(shè)計了預鍛毛坯，始鍛溫度為1270℃，終鍛溫度為1250℃。根據(jù)Gleeble2000熱模擬試驗判定，48MnV高溫變形抗力與60號鋼相近，模擬分析采用DEFORM3D軟件材料庫中的AISI-1060材料數(shù)據(jù)。圖2所示為曲軸鍛造工藝模擬分析模型。設(shè)定壓力機工作速度為250mm/s，模具溫度為250℃。

圖2玉柴曲軸鍛造工藝模擬分析模型

采用絕對網(wǎng)格尺寸劃分方式，最小單元邊長為5mm（約等同于鍛模最小圓角半徑），單元尺寸比為3。毛坯初始網(wǎng)格單元數(shù)為43285個，經(jīng)過36次網(wǎng)格重新劃分完成預鍛工步分析。經(jīng)過7s散熱（鍛件轉(zhuǎn)移節(jié)拍），預鍛毛坯放入終鍛模膛進行終鍛分析。經(jīng)過10次網(wǎng)格重新劃分完成終鍛工步分析。

圖3預鍛充型情況

圖4預鍛件溫度分布

根據(jù)圖3～6預鍛工步分析結(jié)果。由此可知，預鍛結(jié)束時預鍛件充型較好，只在第三、四平衡塊頂端留有3mm未充滿?？紤]到，終鍛件與預鍛件高度尺寸設(shè)計原則，即預鍛件較終鍛件高3～5mm，因此終鍛合模時該部位與模膛接觸，可充型飽滿。

圖5預鍛件等效應變分布

圖6預鍛工步載荷－位移曲線

由溫度場可知，預鍛結(jié)束時溫度較高，經(jīng)過7s散熱后仍可保持在較高的溫度段，不影響終鍛工步鍛件成形。考慮到此載荷－位移曲線為液壓機條件下的成形曲線，根據(jù)經(jīng)驗公式可知，最大成形載荷為1.09E8N/1.4＝0.78E8N，即最大成形載荷為7800t，小于壓力機最大可持續(xù)使用壓力12800t，因此預鍛充型質(zhì)量較好。

圖7～10為終鍛工步分析結(jié)果。由分析結(jié)果可知，預鍛未充滿的第三、四平衡塊部位充型完好，終鍛載荷為1.43E8N/1.4＝1.02E8N，即10200t，符合壓力機長期使用要求。

圖7終鍛充型良好

圖8終鍛件溫度分布

圖9終鍛件等效應變分布

圖10終鍛工步載荷－位移曲

鍛造工藝分析

⑴加熱溫度。加熱溫度對48MnV的綜合力學性能影響顯著，鍛件要達到技術(shù)協(xié)議中的力學性能要求，必須控制好加熱溫度。在查閱大量相關(guān)資料、咨詢原材料生產(chǎn)廠家技術(shù)專家后，項目組確定了48MnV的始鍛溫度為1220～1250℃，終鍛溫度為1100℃，考慮到毛坯從加熱爐到預鍛工步的散熱，將加熱溫度設(shè)定為1240～1270℃。

⑵模鍛斜度。根據(jù)曲軸的形狀特點，結(jié)合16000t壓力機的設(shè)備特性，項目組設(shè)計了合理的預鍛工步，在襠部增加了較厚的連皮，為終鍛提供足夠金屬，以充滿模膛；將終鍛?？谠O(shè)計為變斜度，在距?？?4mm處將模鍛斜度設(shè)計為5°，即有利于鍛件切邊后形成較小的飛邊痕，又可以提高終鍛時充型能力，利于鍛件充滿。

⑶模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計。玉柴Y6CK曲軸平衡塊形狀復雜且高寬比大，與現(xiàn)生產(chǎn)的斯太爾曲軸差異很大，設(shè)計時需采用曲面分模，在模具設(shè)計上無法借鑒平面分模的設(shè)計思想。由于玉柴Y6CK曲軸模膛較深，頂出力較大且分布不均，加之分模面在水平方向上的面積較小，在設(shè)計模具頂出機構(gòu)時必須考慮模具強度，項目組經(jīng)過論證、模擬，最終機構(gòu)采用8根φ24.2mm的頂桿，這樣提高了頂出機構(gòu)的穩(wěn)定性。

⑷鍛件的機械性能控制。鍛后冷卻速率對48MnV的綜合力學性能的影響顯著，冷卻速率決定了珠光體和鐵素體含量比例和晶粒度，并影響了釩的碳化物的析出量和形態(tài)，進而表現(xiàn)在鍛件的抗拉強度、伸長率、斷面收縮率和沖擊韌性的變化。根據(jù)富成鍛造公司設(shè)備狀況，試制期間采取了鍛后正火處理，在850℃下保溫180min后進行霧冷，滿足了鍛件的機械性能指標。

鍛造能量設(shè)定

根據(jù)鍛造工藝有限元分析結(jié)果，制定了試生產(chǎn)時16000t壓力機的打擊能量。在實際試生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，終鍛后有部分鍛件柄塊有未充滿現(xiàn)象，考慮到預鍛金屬流動性好，形成飛邊的金屬過多，終鍛時沒有足夠的金屬充滿型腔，通過調(diào)整預鍛、終鍛打擊能量，增大預鍛后的連皮厚度，以此提高終鍛時金屬充滿模膛的能力。調(diào)整后的參數(shù)可以滿足鍛件柄塊充滿要求。

結(jié)束語

玉柴Y6CK曲軸為非調(diào)質(zhì)鋼曲軸的代表，鍛后需進行控溫冷卻，減少了熱處理工序，從而降低了鍛件的制造成本。目前，該技術(shù)國內(nèi)應用較少，富成鍛造公司通過不斷的生產(chǎn)驗證來完善鍛后控溫冷卻的工藝參數(shù)，從而使非調(diào)質(zhì)鋼曲軸鍛件達到更高的機械性能要求。