大型船用曲軸曲柄制造工藝研究

楊萬(wàn)彪 張俊彥

(石鋼京誠(chéng)裝備技術(shù)有限公司，遼寧115000)

大型船用曲軸重量大，加工精度要求高，制造技術(shù)難度大，其制造能力及水平標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家的造船工業(yè)水平。目前國(guó)際上大型船用曲軸市場(chǎng)由日本、韓國(guó)、捷克、西班牙等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家高度壟斷著，大連重工曲軸毛坯大部分采用韓國(guó)和日本的毛坯。目前國(guó)內(nèi)受制于曲柄制造技術(shù)及成本，沒(méi)有大批量生產(chǎn)大型曲柄毛坯的廠家，所以急需開(kāi)發(fā)出一種成型的、節(jié)約成本的曲柄毛坯制造工藝。

1 曲軸性能要求

船用曲軸良好的內(nèi)部組織、合理的金屬流線以及較高的尺寸精度與其制造工藝是密不可分的，鍛造成形的曲軸中，小型曲軸可以采用整體鍛造法，最終得到全纖維曲軸，這種曲軸主要用于配有中小型發(fā)動(dòng)機(jī)的中小型船舶，對(duì)于大中型船用曲軸則受到設(shè)備及工藝的限制只能采用自由鍛的方法進(jìn)行生產(chǎn)。組合式船用曲軸的制造難度相對(duì)前者來(lái)說(shuō)要大得多。

2 曲柄主要制造方法

(1)塊鍛法，缺點(diǎn)是加工余量大，成本高，而且質(zhì)量很難達(dá)標(biāo)，廢品率比較高。

(2)環(huán)鍛法，其缺點(diǎn)是該工藝對(duì)設(shè)備和工人的操技能要求很高，生產(chǎn)中不易實(shí)現(xiàn)，而且鍛件中仍然存有氣孔的危險(xiǎn)。

(3)模鍛法，主要缺點(diǎn)是不同型號(hào)的曲拐需要用不同的模具，生產(chǎn)成本相對(duì)較高，尤其是利用模鍛法生產(chǎn)大型船用曲軸曲柄時(shí)要求壓力機(jī)有很高的噸位，此外對(duì)模具的強(qiáng)度也有非常高的要求，在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用不易實(shí)現(xiàn)。

(4)鐓鍛法，該方法的缺點(diǎn)是生產(chǎn)中的制造成本太高，不適合小批量生產(chǎn)。

(5)彎鍛法，彎鍛法是目前我國(guó)生產(chǎn)大型船用曲軸曲柄普遍采用的一種方法，該法主要包括彎曲鍛造和壓平兩個(gè)階段。彎鍛法成形容易，操作簡(jiǎn)便，金屬纖維流向好，對(duì)壓機(jī)噸位要求不高，機(jī)械加工量相對(duì)塊鍛法和環(huán)鍛法小，模具制造成本低?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外采取的彎曲鐓鍛法主要有RR、TR、NTR、NRR法。

以上介紹的幾種彎鍛方法的主要問(wèn)題是：(1)兩曲柄內(nèi)側(cè)底部有嚴(yán)重褶皺，外側(cè)出現(xiàn)外凸和內(nèi)凹，曲柄銷(xiāo)處也出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)凹，有的內(nèi)凹都超過(guò)了加工面，加工后內(nèi)凹帶有局部黑皮。(2)有的為了把褶皺除掉采用加大加工余量，這樣大大增加了成本，有的鋼錠利用率還不到25%。

3 曲柄毛坯成型方法研究

我們發(fā)明1種新的全纖維鍛造彎壓成型方法，這種新方法不同于RR、TR、NTR、NRR方法，這幾種方法的共同原理是采用鐓鍛-彎曲鍛造兩步成型。我們的方法是鐓鍛-加工-彎曲三步成型。

具體成型過(guò)程如下：

(1)第一步由鋼錠到鍛件的自由鍛造，按照曲柄的粗加工調(diào)質(zhì)圖，根據(jù)曲柄性能要求選擇好鍛造比，算出鋼錠。第一步就是把鋼錠鍛造成蝴蝶狀毛坯，這一步利用鐓粗、拔長(zhǎng)過(guò)程滿(mǎn)足曲柄的鍛造比要求，鍛后鍛件我們稱(chēng)為蝴蝶狀毛坯。鍛造過(guò)程示意圖如圖1所示。

圖1 鍛造過(guò)程示意圖Figure 1 Schematic diagram of forging process

圖2 蝴蝶狀毛坯加工示意圖Figure 2 Machining schematic diagram of butterfly-shaped forging blank

圖3 下模具與上錘頭Figure 3 Bottom moulds and top hammer

(2)第二步加工蝴蝶狀毛坯，尺寸滿(mǎn)足粗加工圖，蝴蝶狀毛坯鍛完、熱處理出爐后轉(zhuǎn)機(jī)加工序，加工到滿(mǎn)足粗加工尺寸(粗加工尺寸根據(jù)精加工尺寸厚度方向加余量)，如圖2所示。

(3)第三步成型，把加工好的蝴蝶狀毛坯利用壓機(jī)和模具壓力成型。模具如圖3所示。

把加工后的蝴蝶狀毛坯加熱后，平放在下模具上，用上錘頭向下壓，使加工后的蝴蝶狀毛坯充滿(mǎn)下模具型腔，彎壓過(guò)程演示如圖4。此步驟完成后，曲柄毛坯從下模具中脫模后，放在下平砧上，用操作機(jī)夾住舌板輔具，然后用上平砧壓實(shí)，壓平過(guò)程如圖5所示。

圖4 彎壓過(guò)程演示Figure 4 Schematic diagram of bendpressing process

圖5 壓平過(guò)程Figure 5 Schematic diagram of flatting process

4 結(jié)論

為了保證曲柄的全纖維組織，采用全過(guò)程彎鍛方法，此種彎壓鍛造成型方法已通過(guò)大量計(jì)算機(jī)模擬，同時(shí)蝴蝶狀鍛件已成功試制。此種成型方法有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)通過(guò)第一步鍛造，滿(mǎn)足了曲柄要求的鍛造比，使曲柄更加致密，同時(shí)保證了曲柄的全纖維組織。

(2)通過(guò)第二步加工，把鍛造好的毛坯加工成成品曲柄打開(kāi)的形狀，同時(shí)把曲柄中間的軸部分直接加工成圓形，曲柄軸加工成圓形這一點(diǎn)可以節(jié)省很多余量，大大提高鋼錠利用率。曲柄臂的厚度按調(diào)質(zhì)量留加工余量就可以，不用考慮曲柄底部褶皺而特別加大余量。這樣也可以節(jié)省原材料，提高鋼錠利用率。

(3)第三步直接彎壓成型，這一步壓機(jī)只要很小的壓力就可以把加工后的毛坯直接壓到模具里，利用上垂頭的半圓弧凹口和下模具的圓弧凹坑把曲柄的圓軸部分直接壓實(shí)，曲柄臂直接擠滿(mǎn)模具，這步保證了曲柄柄臂的粗加工后狀態(tài)，使曲柄軸進(jìn)一步壓實(shí)。壓完后，曲柄毛坯脫模，然后壓平修整，符合曲柄調(diào)質(zhì)粗加工圖。彎壓成型這步?jīng)]有改變曲柄鍛后的全纖維狀態(tài)，只是1個(gè)成型步驟，避免了其它彎鍛方法中出現(xiàn)的曲柄臂內(nèi)部褶皺和凹坑現(xiàn)象。

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