近終形鍛造技術(shù)在船用柴油機(jī)運(yùn)動(dòng)部件中的應(yīng)用（上）

文/熊武，于海娟·武漢重工鑄鍛有限責(zé)任公司

近終形鍛造技術(shù)在船用柴油機(jī)運(yùn)動(dòng)部件中的應(yīng)用（上）

文/熊武，于海娟·武漢重工鑄鍛有限責(zé)任公司

行業(yè)發(fā)展形勢(shì)

目前，我國(guó)鍛造行業(yè)高檔次模鍛件產(chǎn)品的研制生產(chǎn)仍相當(dāng)落后，航空、航天、核電、冶金等核心鍛件主要依賴(lài)進(jìn)口。鍛造行業(yè)是能耗相對(duì)較高、污染相對(duì)嚴(yán)重，但是又關(guān)系民生的基礎(chǔ)行業(yè)。既要保證快速發(fā)展，又能節(jié)材降耗、節(jié)能減排、提高效率、降低成本，保護(hù)環(huán)境、提高技術(shù)含量是中國(guó)鍛造行業(yè)未來(lái)發(fā)展的共識(shí)。鍛造行業(yè)節(jié)能減排應(yīng)從直接節(jié)能和間接節(jié)能兩個(gè)方面研究。前者涉及到降低設(shè)備能耗、提高設(shè)備利用率，采用能耗低的新技術(shù)、新材料、新工藝；后者則從節(jié)約上下功夫，減少前端的資源消耗和后續(xù)的切削加工，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

近終形鍛造技術(shù)的提出

隨著國(guó)家對(duì)裝備制造業(yè)的重視，形成了以鍛造成形新工藝、新材料、現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、精密加工技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、潤(rùn)滑技術(shù)及新型裝備與自動(dòng)化技術(shù)等相結(jié)合的一種先進(jìn)精密塑性成形技術(shù)。這些新技術(shù)、新工藝不斷應(yīng)用于鍛造行業(yè)，促進(jìn)部分零件實(shí)現(xiàn)了少切削余量成形或凈成形，即“成形件”接近于“零件”，達(dá)到了少、無(wú)切削加工的水平，減少了材料浪費(fèi)，達(dá)到大幅降低生產(chǎn)成本的需求。這種工藝技術(shù)我們稱(chēng)之為近終形鍛造技術(shù)，即鍛造出來(lái)的毛坯尺寸非常接近產(chǎn)品所要求的尺寸。武漢重工公司在大馬力船用低速柴油機(jī)運(yùn)動(dòng)部件中應(yīng)用該技術(shù)的有連桿、十字頭銷(xiāo)、活塞桿、氣缸蓋和曲軸。下面結(jié)合實(shí)例詳細(xì)介紹一下近終形鍛造技術(shù)的應(yīng)用。

近終形鍛造技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

連桿的自由鍛造與模鍛成形技術(shù)

從圖1中可以看出，連桿作為較為復(fù)雜的鍛件，其生產(chǎn)中的成形過(guò)程較為復(fù)雜，對(duì)鍛造操作工人的要求很高，涉及到壓實(shí)、分料、長(zhǎng)度控制等多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，鍛后還要防止連桿長(zhǎng)度上的彎曲、平面的正反扭曲等，這樣的鍛件進(jìn)行成本控制是不容易的。

圖2是連桿最終使用時(shí)的立體圖，通過(guò)圖1、2的對(duì)比，我們可以看出，實(shí)際上的連桿最終使用時(shí)與自由鍛造的鍛件重量相距甚遠(yuǎn)，出現(xiàn)這種差距的原因是工藝技術(shù)水平的差距。

我們知道在去掉鋼錠的冒口部分（約20%）、底部（3%～5%）加上鍛造過(guò)程中的加熱損耗（2%～5%）之后，現(xiàn)在自由鍛造的材料利用率最高也就是75%左右，對(duì)于復(fù)雜鍛件70%已經(jīng)是極限，還不包括鍛造操作過(guò)程中的分料損失，如何在工藝上提高，使鍛件形狀接近最終成形時(shí)的形狀，是工藝降成本的迫切要求。

圖1 某機(jī)型自由鍛造連桿鍛件圖

圖2 連桿最終使用時(shí)的立體圖

連桿模鍛技術(shù)的研究

自由鍛造走向模鍛是市場(chǎng)迫切需求，也是企業(yè)自身發(fā)展的需求。模鍛不僅僅是成本上的節(jié)約，同時(shí)也是質(zhì)量的保證，模鍛產(chǎn)品通過(guò)型腔的擠壓，在內(nèi)部質(zhì)量上優(yōu)于同類(lèi)自由鍛造產(chǎn)品。

兩種工藝技術(shù)最終對(duì)成本的影響是非常顯著的，比如針對(duì)某種特定機(jī)型，工藝上對(duì)鋼錠的要求分別是：自由鍛造12t鋼錠只能生產(chǎn)一件產(chǎn)品，而模鍛14t鋼錠可以生產(chǎn)兩件產(chǎn)品，通過(guò)以上兩種工藝方法的對(duì)比可以說(shuō)明，模鍛在原材料節(jié)約上有著非常大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)模鍛鍛件因?yàn)橥庑我呀?jīng)非常接近最終產(chǎn)品，在后續(xù)的機(jī)械加工所需臺(tái)時(shí)較少，產(chǎn)品第二次熱處理的能耗更低，生產(chǎn)周期更短，對(duì)滿(mǎn)足客戶(hù)交貨期及產(chǎn)品質(zhì)量有非常大的優(yōu)勢(shì)。

兩種工藝技術(shù)對(duì)比，模鍛連桿的生產(chǎn)成本僅為自由鍛造連桿的60%左右，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中具有壓倒性的優(yōu)勢(shì)。兩種工藝方法在粗加工的時(shí)候，模鍛更加接近最終成形的尺寸，因此模鍛的鍛造工藝重量也就更為接近最終所需產(chǎn)品的重量。兩種工藝下材料的利用率，相對(duì)來(lái)說(shuō)，模鍛的更高，同時(shí)因?yàn)楣に嚪椒ǖ牟煌诮咏罱K產(chǎn)品的成形過(guò)程中，消耗的輔料更少，模鍛的生產(chǎn)成本更低。低成本、優(yōu)質(zhì)量、短周期、高效率是金融危機(jī)后的供貨特點(diǎn)，這就對(duì)生產(chǎn)工藝提出了更高要求，批量性產(chǎn)品模鍛或者部分模鍛是未來(lái)鍛造行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

十字頭銷(xiāo)摔子成形技術(shù)

十字頭銷(xiāo)作為船用鍛件，也是非常具有代表性的產(chǎn)品之一，它的外形較為簡(jiǎn)單，但是在工藝設(shè)計(jì)上也是有難度的。我們知道船用產(chǎn)品無(wú)論是設(shè)計(jì)計(jì)算還是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)造都要經(jīng)過(guò)船級(jí)社的審查。這就涉及到產(chǎn)品試樣的選取及工藝成本控制的矛盾問(wèn)題。在工藝試驗(yàn)上，要求每件產(chǎn)品都帶試樣，這樣在設(shè)備允許的范圍內(nèi)，可以采取多件連鍛，兩端試樣的方法是降低生產(chǎn)成本及試驗(yàn)費(fèi)用的有效方法。

十字頭銷(xiāo)在工藝設(shè)計(jì)上一般都是以光軸形式出現(xiàn)，多數(shù)采用數(shù)件連鍛，這樣光軸的直線(xiàn)度，以及鍛造時(shí)的圓度就是影響工藝成本的最主要因素，采用摔子鍛造的光軸，單邊余量可控制在10mm以?xún)?nèi)，然后通過(guò)鍛后熱處理、船檢合格后單件交貨。圖3為船檢合格后單件十字頭銷(xiāo)粗加工后的照片。

利用摔子成形直徑在500mm、長(zhǎng)度為7000mm的光軸與一般自由鍛造的光軸相比，直徑方向余量減少20mm左右，材料利用率約提高5%～7%，加上后續(xù)的機(jī)械加工等因素的影響，工藝成本降低7%左右。經(jīng)過(guò)摔子成形的光軸類(lèi)鍛件，在工藝上更加省料，生產(chǎn)的成本更低，成本比自由鍛造成形的光軸低7%～8%，因此摔子是成形光軸類(lèi)產(chǎn)品的必備工裝。

圖3 某機(jī)型粗加工后十字頭銷(xiāo)

活塞桿的自由鍛造與法蘭鐓鍛成形技術(shù)

活塞桿屬于兩端帶法蘭類(lèi)的軸系鍛件，在鍛件中也具有代表性。一般成形這種鍛件時(shí)，鋼錠經(jīng)過(guò)鐓拔，達(dá)到鍛件成形所需要的鍛造比之后，開(kāi)始號(hào)印分料，桿部可以通過(guò)摔子成形，但是法蘭一般寬度在200mm以?xún)?nèi)，鍛造完成后，法蘭寬度基本上在400mm以上，最終產(chǎn)品的法蘭寬度并不寬，這就造成工藝上的成本浪費(fèi)。

通過(guò)圖4和圖5的對(duì)比可以看出，對(duì)于成形較小法蘭的鍛件，法蘭寬度精度僅僅靠自由鍛造成形時(shí)的操作控制并不現(xiàn)實(shí)，在實(shí)際操作中，為了控制兩法蘭之間的距離，法蘭的寬度有所放寬，這就造成了實(shí)際上的實(shí)物比鍛造工藝要求的寬度還要大很多。法蘭直徑較小時(shí)，浪費(fèi)材料不明顯，但是直徑大的鍛件，這一矛盾就凸顯了。如船用的中間軸、槳軸，還有一些帶法蘭的水電鍛件軸類(lèi)，其法蘭直徑超過(guò)1500mm，鍛件重量超過(guò)1400kg，兩個(gè)法蘭鍛件重量就是2800kg，折算成鋼錠大約4～5t。

圖4 自由鍛活塞桿鍛件圖

圖5 粗加工后的活塞桿

在此基礎(chǔ)上，軸類(lèi)鍛件利用模具鐓鍛成形，嚴(yán)格控制法蘭寬度，壓縮鍛件與最終產(chǎn)品之間的尺寸差別，尤其是通過(guò)摔子控制桿部尺寸，通過(guò)法蘭鐓鍛技術(shù)控制法蘭寬度，如圖6、7所示。

圖6 法蘭鐓鍛前模具及工藝圖

圖7 法蘭鐓鍛后示意圖

通過(guò)以上技術(shù)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)自由鍛造與模鍛的區(qū)別，就20t鍛件而言，使用模具分步鍛造，鍛件與最終使用產(chǎn)品之間的機(jī)械加工廢料減少10%～15%，也就是說(shuō)生產(chǎn)成本控制上降低10%～15%。因此，法蘭鐓鍛技術(shù)是成形帶法蘭軸系鍛件產(chǎn)品的發(fā)展方向。

《近終形鍛造技術(shù)在船用柴油機(jī)運(yùn)動(dòng)部件中的應(yīng)用（下）》見(jiàn)2016第11期