大型六拐曲軸自由鍛造工藝研究

文/趙艷敏,李晶晶,趙熙喆·沈陽(yáng)鑄鍛工業(yè)有限公司鍛造分公司

大型六拐曲軸自由鍛造工藝研究

文/趙艷敏,李晶晶,趙熙喆·沈陽(yáng)鑄鍛工業(yè)有限公司鍛造分公司

本文主要闡述大型六拐曲軸鍛件的鍛造過(guò)程，并分析過(guò)程中的各個(gè)控制要點(diǎn)和操作方法，確定出較為合理的工藝參數(shù)，從而保證六拐曲軸的外觀質(zhì)量及內(nèi)在質(zhì)量。

壓縮機(jī)是動(dòng)力機(jī)械的心臟，曲軸則是壓縮機(jī)中的脊梁。作為傳遞動(dòng)力的傳動(dòng)體，曲軸將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并向外輸出全部功率。由于其工作中承受周期不斷變化的氣體力、往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量慣性力、旋轉(zhuǎn)急動(dòng)離心力等復(fù)雜交變載荷，同時(shí)還要承受振動(dòng)附加應(yīng)力的作用，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和橫向與縱向振動(dòng)，承受拉、壓、彎曲等載荷，受力情況復(fù)雜，容易產(chǎn)生疲勞破壞，因此對(duì)曲軸的強(qiáng)度、剛性、韌性和耐磨性等綜合機(jī)械性能提出了較高的要求。針對(duì)大型六拐曲軸，對(duì)鍛件本身的形狀尺寸，尤其是拐與拐之間的角度尺寸控制也極為嚴(yán)格。

工藝確定過(guò)程

鍛件的工藝尺寸及技術(shù)要求

我公司為某氣壓機(jī)廠生產(chǎn)的六拐曲軸鍛件圖如圖1所示，交貨重量9100kg，材質(zhì)35CrMo，按氣壓機(jī)廠0061-2002Ⅴ組標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

由表1可看出，六拐曲軸鍛件形狀較復(fù)雜，技術(shù)條件要求嚴(yán)格，其主要生產(chǎn)技術(shù)難點(diǎn)在于：

⑴該曲軸曲拐成120°夾角均勻分布，因此鍛造成形時(shí)要保證角度準(zhǔn)確，這是鍛造成形難點(diǎn)。

⑵超聲波探傷、低倍、金相等內(nèi)部質(zhì)量要求嚴(yán)格，需從冶煉、鍛造和鍛后熱處理等多方面采取相應(yīng)技術(shù)措施，才能確保達(dá)到技術(shù)要求。

工藝流程

其工藝流程為：冶煉——鋼錠加熱——鍛造——鍛后熱處理——鍛件外觀檢驗(yàn)——機(jī)械加工——物理檢驗(yàn)——交貨。

表1 技術(shù)指標(biāo)

圖1 六拐曲軸鍛件圖

工藝方案制定

冶煉

由于對(duì)六拐曲軸的低倍組織及非金屬夾雜物的要求比較嚴(yán)格，為保證其質(zhì)量，采用真空精煉工藝，即電爐粗煉鋼水+LFV鋼包精煉。真空精煉過(guò)程要嚴(yán)格控制真空度和真空保持時(shí)間，真空度要控制在100帕以下，保持時(shí)間15～20分鐘。這樣就能保證從源頭上有效控制鋼錠內(nèi)部質(zhì)量，減少鋼中夾雜與偏析，控制S、P≤0.015%、〔H〕≤3ppm。

本工藝選用14t真空精煉鋼錠，材料利用率為65%。

鋼錠加熱

加熱的目的是使鋼獲得單一的奧氏體組織，提高塑性，降低變形抗力，同時(shí)使分子擴(kuò)散，成分均勻化。加熱溫度和保溫時(shí)間是加熱過(guò)程的主要控制參數(shù)。頭幾火在保證不過(guò)燒的情況下，溫度盡可能的高，選擇1220～1250℃；最后一火選擇1150～1180℃，這樣保證曲軸在要求的剩余鍛比情況下，能夠得到比較細(xì)的晶粒，同時(shí)保證魏氏組織的形成級(jí)別符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

六拐曲軸鍛造工藝編制

⑴一火：壓鉗口，倒棱，錯(cuò)水口。

操作中要確保鉗口不能壓偏，這樣才能保證鋼錠的軸心不致于在后續(xù)變形過(guò)程中發(fā)生偏斜，避免大鋼錠中心部位冶金質(zhì)量較差部分流動(dòng)到危險(xiǎn)截面。

⑵二火：鐓粗至φ1600mm。

根據(jù)鍛件機(jī)械性能和探傷要求，鍛造比選取K≥4。14t鋼錠直接拔長(zhǎng)不能滿足鍛比的要求，故增加鐓粗工序。保證鐓粗直徑足夠大以提高鍛比，使曲軸的綜合性能指標(biāo)得到提升。鐓粗后將保溫時(shí)間增加50%以增加下道工序壓實(shí)效果。

⑶三火：寬砧走扁方拔長(zhǎng)至截面為正六方800mm的坯料。

鋼錠的鍛透程度、內(nèi)部裂紋的萌生和鍛件成形質(zhì)量，均與變形坯料的尺寸變化直接有關(guān)。反映在拔長(zhǎng)工序中體現(xiàn)在對(duì)相對(duì)送進(jìn)量（砧寬比）、料寬比和壓下量等方面，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行有效地控制?？v向砧寬比及橫向料寬比示意圖如圖2所示。

圖2 縱向砧寬比及橫向料寬比示意圖

平砧拔長(zhǎng)矩形截面坯料，其實(shí)質(zhì)就是矩形毛坯進(jìn)行局部鐓粗加剛端影響的結(jié)果。由于直接處于砧子作用下的變形區(qū)要受到與其毗鄰自由端（不變形端）的作用，故與平砧單獨(dú)鐓粗方柱體相比：當(dāng)砧寬比A/H＜0.5時(shí)，會(huì)增大變形體中心的軸向拉應(yīng)力σx，同時(shí)坯料心部變形量小，不利于中心壓實(shí)。而砧寬比A/H＞0.5時(shí)，會(huì)減小變形體中心的軸向拉應(yīng)力σx。當(dāng)A/H≥0.6～0.8時(shí)，軸向會(huì)作用壓應(yīng)力，此時(shí)坯料心部受力狀態(tài)良好，變形區(qū)出現(xiàn)側(cè)面單鼓形，坯料中間區(qū)域變形量大，有利于焊合冶金缺陷。

寬砧走扁方拔長(zhǎng)法，就是為保證拔長(zhǎng)變形體的內(nèi)部質(zhì)量，采用大送進(jìn)量即滿砧進(jìn)給，A=W(W為上砧寬度）；大壓下量，每次壓下率εH1和εH2都在20%左右。在拔長(zhǎng)過(guò)程中，控制縱向砧寬比W/H在0.6～0.8之間，絕大部分拔長(zhǎng)變形時(shí)間內(nèi)，瞬時(shí)砧寬比在一個(gè)方向，即軸向可以達(dá)到最佳參數(shù)值0.7，控制橫向料寬比0.5＜B/H＜2（如圖2所示）。經(jīng)過(guò)90°翻轉(zhuǎn)，確保坯料在不同方向上均產(chǎn)生壓縮變形，翻轉(zhuǎn)180°可使坯料在一個(gè)方向上變形十分充分，達(dá)到鍛件內(nèi)部組織和性能比較均勻的效果。拔長(zhǎng)過(guò)程中，坯料一直呈扁方狀態(tài)，在橫向截面表現(xiàn)為壓扁。根據(jù)剛塑性力學(xué)拉應(yīng)力理論，這種條件下，坯料的變形主要在坯料中心部分，壓下量增大，易變形區(qū)擴(kuò)大。再由于坯料心部受與其毗鄰自由端（不變形端）的限制，軸向受壓，從而增強(qiáng)了心部壓實(shí)效果，使鋼錠心部的疏松、夾雜物被充分打碎壓合。故寬砧走扁方拔長(zhǎng)法，既可保證坯料心部充分變形，使鋼錠內(nèi)部不可避免的孔隙提前焊合，又可避免產(chǎn)生RST效應(yīng)及表面變形不均勻。

寬砧走扁方拔長(zhǎng)法就是用上、下寬平砧（砧寬800mm），按照WHF法壓下程序，根據(jù)具體的變形數(shù)據(jù)，在高溫下對(duì)坯料進(jìn)行拔長(zhǎng)鍛造。按照WHF法中的展寬系數(shù)公式：α=0.78-0.14H－3、△b=α·△H（α：展寬系數(shù)；H：壓下前高度；△H：高度壓下量；△b：寬度展寬量），確定每一次變形的工藝參數(shù)，計(jì)算出該拔長(zhǎng)各過(guò)程的截面尺寸。

具體操作過(guò)程為：上下800mm寬砧，先將鐓粗后的坯料拔至1500mm。滿砧進(jìn)給壓下率為20%。

⑴開始第一次走扁方拔長(zhǎng)：以180°翻轉(zhuǎn)，壓至截面950mm×1810mm。

⑵翻轉(zhuǎn)90°開始進(jìn)行第二次走扁方拔長(zhǎng)：以180°翻轉(zhuǎn)，壓至截面950mm×1400mm。

⑶翻轉(zhuǎn)90°壓至截面：φ1150mm，開坯正六方形截面800mm（圖3）。

圖3 寬砧走扁方拔長(zhǎng)坯料圖

為了確保圖1中Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ部位之間互成60°，首先要鍛六方鍛坯。按經(jīng)驗(yàn)公式：（A為六拐曲軸板部寬度，B為板部厚度），確定鍛制六方鍛坯的尺寸為六方800mm。要求六方必須保證尺寸、角度正確，避免在后序變形時(shí)因此而發(fā)生角度失控。

⑷四～五火：進(jìn)行角度預(yù)置，在不同部位、不同方向鍛出曲拐、曲拐徑（具體方法如圖4所示），對(duì)曲拐角度進(jìn)行修正，出成品。

為確保曲軸鍛件內(nèi)部質(zhì)量，對(duì)鍛造操作提出如下注意事項(xiàng)：

⑴鍛制正六方鍛坯要求六方要正，保證尺寸、角度的準(zhǔn)確性，避免在后序變形時(shí)因此而發(fā)生角度失控。

⑵壓曲板時(shí)，要壓正六角形角對(duì)角方向，使其互成60°角。

⑶分料時(shí)控制好卡料尺寸，防止曲拐脫節(jié)。

⑷整個(gè)鍛造過(guò)程中注意旋轉(zhuǎn)方向，防止將三個(gè)曲拐角度壓反，造成角度錯(cuò)誤無(wú)法修復(fù)。

鍛后熱處理

圖4 六拐曲軸四～五火鍛造工藝卡片

圖5 等溫退火曲線

由于六拐曲軸鍛造火次多，操作控制復(fù)雜，為避免曲軸鍛件鍛后存在粗晶、混晶、魏氏組織、白點(diǎn)等缺陷，鍛后六拐曲軸采用等溫退火處理，達(dá)到細(xì)化晶粒、調(diào)整組織、防止白點(diǎn)、提高鍛后切削性能目的。具體熱處理加熱曲線如圖5所示。

鍛件外觀檢驗(yàn)

采用此工藝共生產(chǎn)7件大型六拐曲軸鍛件，經(jīng)檢驗(yàn)其中一件曲拐部分角度偏差約2°，重新修整后也達(dá)到了工藝要求。

鍛件物理檢驗(yàn)

實(shí)施該工藝方案后，所鍛大型六拐曲軸鍛件探傷合格，性能達(dá)到技術(shù)要求，結(jié)果均優(yōu)于氣壓機(jī)廠0061-2002Ⅴ組要求。

結(jié)論

⑴采用角度預(yù)置法整體鍛造大型六拐曲軸，是一種新型的鍛造工藝方法。所鍛曲軸金屬纖維連續(xù)無(wú)扭曲，鍛件質(zhì)量較好，工裝輔具投入少，鍛件附加值高，經(jīng)濟(jì)效益顯著，可應(yīng)用于多種等角度多拐曲軸鍛造生產(chǎn)，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

⑵鍛造過(guò)程中縱向砧寬比、橫向料寬比及壓下率的控制，對(duì)保證鍛造寬薄板類鍛件內(nèi)部質(zhì)量具有重要作用。

趙艷敏，沈陽(yáng)鑄鍛工業(yè)有限公司鍛造分公司技術(shù)部主任工藝師，高級(jí)工程師。主要從事自由鍛造工藝開發(fā)及技術(shù)服務(wù)工作。主持完成的核電站用217t雙鉤國(guó)產(chǎn)化開發(fā)研制獲得沈陽(yáng)鑄鍛公司科技成果一等獎(jiǎng)，第三代CAP1400核電屏蔽電動(dòng)泵飛輪保持環(huán)的研制獲得沈陽(yáng)鑄鍛公司科技成果銀獎(jiǎng)。