船用曲軸鍛件成形技術(shù)的發(fā)展

許樹(shù)森 任運(yùn)來(lái) 齊作玉

(1.上海電氣上重鑄鍛有限公司，上海200245；2.上海電機(jī)學(xué)院，上海200240)

一艘輪船的心臟是柴油機(jī)，而柴油機(jī)里最為核心的部件就是曲軸了。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力強(qiáng)大，需要通過(guò)曲軸傳遞給螺旋槳來(lái)推動(dòng)輪船前進(jìn)。

一般來(lái)說(shuō)，柴油機(jī)的氣缸數(shù)越多、缸徑越大、活塞行程越長(zhǎng)、汽缸壓力越大，輸出功率也就越大。隨著輪船大型化的發(fā)展，缸徑越來(lái)越大。為此，曲軸也就越來(lái)越大。

曲軸成形經(jīng)歷過(guò)鑄鐵、鑄鋼。但為了使重量減輕、尺寸緊湊和性能更佳，曲軸由鑄造發(fā)展成為鍛造成形。鍛造成形的曲軸按生產(chǎn)方式包括：整體模鍛，整體自由鍛，(全纖維)分段模鍛，由鍛件構(gòu)成半組合或全組合。整體模鍛受到壓機(jī)噸位限制，鍛造的曲軸尺寸較小。整體自由鍛難度大，且加工量大。全組合曲軸的各直段是獨(dú)立鍛件，通過(guò)熱裝或焊接起來(lái)，其剛度強(qiáng)度不如半組合曲軸，應(yīng)用受限。因此，全纖維分段模鍛曲軸和半組合曲軸成為中型和大型曲軸的成形技術(shù)應(yīng)用主流。

1 全纖維分段模鍛技術(shù)

將普通冶煉鋼錠鍛造拔長(zhǎng)到一定程度時(shí)，沿拔長(zhǎng)方向的材料性能會(huì)優(yōu)于垂直于拔長(zhǎng)方向的性能，即沿著拔長(zhǎng)方向、變形方向或晶粒流向的鍛件性能好[1]。為此，人們把此類鍛造稱為連續(xù)晶粒流向(Continuous Grain Flow, CGF)鍛造或全纖維鍛造。對(duì)整體自由鍛的曲軸坯料，曾有過(guò)鍛成簡(jiǎn)單形狀，再靠機(jī)加工獲得曲拐的生產(chǎn)方式。但是，它除了耗時(shí)、浪費(fèi)材料外，還因?yàn)椴糠掷w維被切斷，性能比起保留全纖維曲拐的性能明顯要低。

故CGF全纖維鍛造應(yīng)運(yùn)而生。然而，萬(wàn)噸模鍛水壓機(jī)最多只能模鍛幾百公斤重的模鍛件，而萬(wàn)噸自由鍛水壓機(jī)則能鍛造重達(dá)幾百噸的大型自由鍛鍛件[2]。這說(shuō)明，整體模鍛受到壓機(jī)噸位限制，可鍛造的曲軸尺寸很小，而自由鍛成形大型曲軸鍛件也一直存在耗時(shí)、耗材問(wèn)題。隨著造船大型化以及曲軸的大型化的發(fā)展，在自由鍛壓機(jī)上的胎模鍛或機(jī)構(gòu)局部模鍛的全纖維CGF(簡(jiǎn)稱全纖維)鍛造技術(shù)就產(chǎn)生了。典型曲軸CGF鍛造技術(shù)包括：20世紀(jì)50年代法國(guó)研究的RR鍛造法和波蘭研究的TR鍛造法，以及20世紀(jì)60年代美國(guó)使用多向壓機(jī)的鍛造法等。

提高成形精度、性能質(zhì)量和成本效率一直是全纖維鍛造發(fā)展的目標(biāo)。1983年，相比其它國(guó)家的自由鍛仍在手工操作或少部分自動(dòng)操作，美國(guó)約6.8 t重的曲軸鍛件已經(jīng)能自動(dòng)上料和鍛造操作了。針對(duì)中小批量、形狀各異的鍛件，采用計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，成為當(dāng)時(shí)世界高效率鍛造的領(lǐng)先者。后來(lái)，日本神戶鋼廠學(xué)習(xí)美國(guó)技術(shù)，將計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)引入曲軸鍛造，改進(jìn)壓機(jī)設(shè)備，形成新的RR方法，稱NRR法，其50 MN的RR壓機(jī)基本結(jié)構(gòu)不變，但新增了10 MN側(cè)鐓缸，用于推動(dòng)沖模。側(cè)鐓缸的伸長(zhǎng)通過(guò)位移表測(cè)量，兩側(cè)模座的移動(dòng)則通過(guò)高頻脈沖發(fā)生器探測(cè)。對(duì)3個(gè)階段劃分運(yùn)動(dòng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制側(cè)鐓缸的伸長(zhǎng)以匹配模座的運(yùn)動(dòng)。該方法使材料利用率提高10%，將傳統(tǒng)加工量減少一半。TR鍛造法是20世紀(jì)最成功的全纖維曲軸鍛造方法，其原理見(jiàn)圖1。通過(guò)肘桿機(jī)構(gòu)，把壓機(jī)的壓力分解成垂直彎曲力和比例增加的水平鐓粗力，一次成形一拐，從而鍛造出整個(gè)曲軸。這種裝置可以用于自由鍛液壓機(jī)等多種壓機(jī)上。這種方法與以前的自由鍛方法相比，有材料省、質(zhì)量高、廢品少、生產(chǎn)率高和勞動(dòng)強(qiáng)度低等顯著優(yōu)點(diǎn)。TR鍛造法適用于15～100 MN壓機(jī)。在2000年的國(guó)際鍛造師會(huì)議上，波蘭學(xué)者介紹，世界上許多國(guó)家的企業(yè)都在使用TR技術(shù)。有的企業(yè)還用TR法替代了RR法和傳統(tǒng)鍛造法。

1—模架 2—油缸 3—沖頭 4—鍛件 5—上模塊6—肘桿 7—下模塊 8—下砧塊 9—底板圖1 TR鐓鍛裝置工作原理Figure 1 Working principle of TR upsetting device

日本神戶鋼廠是曲軸的專業(yè)生產(chǎn)廠家。2010年，除了其它船用鍛件，僅曲軸產(chǎn)品就占其總銷售額的70%。神戶鋼廠在船用曲軸的制造技術(shù)方面申請(qǐng)了很多專利，至今27項(xiàng)專利成果仍然有效，包括一組用液壓缸替代TR肘桿機(jī)構(gòu)的裝置及相關(guān)成形技術(shù)的專利。

天津市康庫(kù)得機(jī)電技術(shù)有限公司在TR法的機(jī)構(gòu)原理上，自己研究設(shè)計(jì)和制造了專用的曲軸彎曲鐓鍛機(jī)和機(jī)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了成熟先進(jìn)的工藝，并稱之為NTR法。根據(jù)其公開(kāi)的專利信息和樣本介紹可知，康庫(kù)得發(fā)明了多項(xiàng)專利。歸納其主要特點(diǎn)有：(1)把TR機(jī)構(gòu)發(fā)展成了NTR新型專機(jī)；(2)把原來(lái)固定機(jī)械匹配的彎曲與鐓鍛發(fā)展為可按需求的精確計(jì)算機(jī)控制匹配；(3)發(fā)明可靠的鎖模機(jī)構(gòu)，從而減少了壓機(jī)力的功率需求并保證了單拐精度質(zhì)量；(4)可靠簡(jiǎn)單精確的分度定位裝置保證了整體形狀精度和質(zhì)量，對(duì)置中空柱塞缸可往復(fù)移動(dòng)供油裝置，保證了結(jié)構(gòu)緊湊和效率等。其新壓力機(jī)和機(jī)構(gòu)占地和重量相對(duì)傳統(tǒng)水壓機(jī)要小得多，大大節(jié)省了設(shè)備投資。同時(shí)，采用這一設(shè)備生產(chǎn)能耗較低，加工精度更高，提高了曲軸產(chǎn)品成材率，加工工時(shí)也更短。據(jù)介紹，以前老工藝下材料利用率為30%左右，新工藝下能達(dá)到65%～75%，有很大提高。

2 大型曲拐鍛造技術(shù)

為了使螺旋槳有較高的推進(jìn)效率，要求柴油機(jī)有較低的轉(zhuǎn)速。低速柴油機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳，效率高。對(duì)于推動(dòng)幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)噸遠(yuǎn)洋船舶航行的低速柴油機(jī)，用于傳遞巨大扭矩的曲軸是一個(gè)制造要求極高的重要零件。對(duì)于低速兩沖程柴油機(jī)，當(dāng)氣缸直徑為400 mm(40機(jī))以上，其曲軸難以通過(guò)整體鍛造或全纖維鍛造制造。因此，設(shè)計(jì)上采用由鍛件構(gòu)成半組合曲軸。半組合曲軸的關(guān)鍵件是曲拐鍛件。

捷克VITKOVICE公司曾鍛造實(shí)心曲拐，再通過(guò)機(jī)加工加工出凹槽。但不屬于CGF，只用于生產(chǎn)相對(duì)小且要求低的曲拐。

國(guó)際上，大型曲拐鍛造主要采用以下鍛造方法：

2.1 彎鍛

1985年，神戶鋼廠申請(qǐng)了曲拐彎曲鍛造方法和裝置專利，其專利原理示意圖如圖2。

1—鍛坯 2—上模 3—下模圖2 曲拐彎鍛法Figure 2 Bending forging method of crank throw

彎鍛法應(yīng)用廣泛。除了日本神戶鋼廠，采用過(guò)彎鍛法的企業(yè)還有韓國(guó)斗山重工、捷克VITKOVICE公司、上重鑄鍛公司和鞍山重機(jī)等。

彎鍛法大致成形過(guò)程如下：

(1)制坯，見(jiàn)圖3。

(2)彎曲。

(3)平整，見(jiàn)圖4。

2.2 插板模鍛

圖3 彎鍛法制坯示意圖Figure 3 Blanking schematic by bending forging method

1—錘頭 2—坯料 3—沖頭圖4 彎鍛法平整示意圖Figure 4 Levelling schematic by bending forging method

1—上插板 2—坯料 3—套膜 4—下模圖5 曲拐插板模鍛示意圖Figure 5 Die forging schematic of crank inserting plate

日本室蘭制鋼所于20世紀(jì)80年代曾采用插板模鍛曲拐，見(jiàn)圖5。采用了下模和上插板的套模對(duì)長(zhǎng)方形鍛坯進(jìn)行鍛造，生產(chǎn)出接近曲拐外形的曲拐鍛件。因?yàn)檫€是有部分金屬自由變形，該方法仍屬于胎模鍛。該方法的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，火次少，質(zhì)量高，節(jié)約鍛件材料，實(shí)際應(yīng)用中節(jié)材效果也很明顯。20世紀(jì)80年代，上重曾派人在日本室蘭學(xué)習(xí)過(guò)該技術(shù)并有詳細(xì)生產(chǎn)記錄。但后來(lái)韓國(guó)斗山買斷和引進(jìn)了該技術(shù)。韓國(guó)斗山在使用該方法多年后又放棄了，改為彎鍛。其原因可

能是因?yàn)椴灏宀迦肷疃却?，模具裝拆操作復(fù)雜，曲拐新品種的不斷增加和單件小批量的訂貨導(dǎo)致模具成本高等，由此限制了生產(chǎn)率的提高，限制了曲拐生產(chǎn)量和規(guī)格尺寸的擴(kuò)大。

武漢重工鑄鍛有限責(zé)任公司曾在國(guó)內(nèi)公開(kāi)了“船用大型柴油機(jī)曲軸曲拐制造工藝及裝置”的發(fā)明專利。該專利與早期日本室蘭制鋼所的曲拐模鍛相比，基本原理大致相同。據(jù)悉，該方法也曾在該公司應(yīng)用。

2.3 淺插入胎膜鍛

與已經(jīng)淘汰的插板模鍛相比，日本研究出了大自由面淺插入的胎模鍛，克服了小自由面深插入帶來(lái)的不利因素，如插板工作環(huán)境差、壽命低，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝拆不便等。兩項(xiàng)淺插入專利如下：

(1)神戶淺插入胎模鍛。1992年，日本神戶申請(qǐng)了半組合曲軸曲拐的成形專利。該方法采用外形多角的餅形坯料，利用三角上模和V型下模淺插入坯料鍛造成形，比彎鍛法和插板模鍛都簡(jiǎn)單且容易控制成形。其專利原理示意圖見(jiàn)圖6。

(2)室蘭淺插入胎模鍛。日本室蘭制鋼所放棄了原來(lái)的插板模鍛，卻保留了淺插入胎膜鍛造法這一大型曲拐鍛造成形的技術(shù)專利，其原理見(jiàn)圖7。該方法仍采用矩形坯料，特點(diǎn)是，插板不用插很深，保證坯料自由面積多，減少了插入力，改善了插板受力狀態(tài)。接下來(lái)的鍛造采用胎膜拔長(zhǎng)與精成形。比起以前插板模鍛，淺插入可以鍛造更大型的曲拐，并能使坯料得到充分鍛造，質(zhì)量好，成本低。

3 未來(lái)大型曲軸鍛造技術(shù)的發(fā)展方向

3.1 大型化的應(yīng)對(duì)措施

理論上講，目前最大型的曲拐還是90機(jī)曲拐。對(duì)于90機(jī)以上的曲拐，尺寸更大，質(zhì)量要求更高。為此，淺插入模鍛技術(shù)還是我國(guó)大型曲拐鍛造企業(yè)應(yīng)該優(yōu)先考慮研究和發(fā)展的技術(shù)，以此來(lái)應(yīng)對(duì)未來(lái)曲拐進(jìn)一步大型化的趨勢(shì)。

1—下模 2—上模 3—坯料 4—夾板 5—錘頭圖6 神戶公司淺插入胎模鍛示意圖Figure 6 Schematic of shallow insertion die forging by Kobe company

1—坯料 2—下模 3—錘頭 4—插板圖7 室蘭制鋼所淺插入胎膜鍛造法示意圖Figure 7 Schematic of shallow insertion die forging by Muroran Steel

3.2 研究新的曲拐成形工藝及裝置

本文前面曾介紹了全纖維曲軸的專門(mén)裝置或?qū)C(jī)。對(duì)于大型曲拐，除了專用模具，目前專門(mén)裝置或?qū)C(jī)還沒(méi)有。然而，在成形工藝的基礎(chǔ)上，研究出新的大型曲拐成形工藝及裝置仍是未來(lái)發(fā)展的方向。

上海重型機(jī)器廠有限公司的研究人員曾申請(qǐng)了“大型船用曲軸曲拐的擠壓成形裝置及成形方法”專利和“開(kāi)合式曲拐擠壓裝置及大型船用曲軸曲拐的成形方法”專利。

2015年工業(yè)和信息化部、財(cái)政部批準(zhǔn)了關(guān)于船用低速柴油機(jī)曲柄鍛件關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目，目前有關(guān)方仍在研發(fā)之中。

設(shè)備上，國(guó)內(nèi)擁有大型擠壓機(jī)的企業(yè)，如有680 MN和260 MN多功能擠壓機(jī)的青海康泰有限公司，有500 MN擠壓機(jī)的河北宏潤(rùn)重工股份有限公司，都在考慮利用現(xiàn)有擠壓機(jī)，通過(guò)研究新的曲拐成形工藝及裝置，擠壓出曲拐。

工藝上，提高材料利用率將是主要發(fā)展方向。由于曲拐臂上的主軸頸孔需要在裝配上加工掉，它占曲拐近1/3的重量。未來(lái)研究出工藝能成形出主軸頸孔是很有必要的。

4 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)船用曲軸鍛件成形技術(shù)的發(fā)展方面，無(wú)論是CGF還是曲拐成形，發(fā)展重點(diǎn)都是圍繞著提高質(zhì)量、效率、材料利用率和減少加工余量研究。曲軸鍛件自動(dòng)化、智能化和系統(tǒng)化將是實(shí)現(xiàn)發(fā)展目標(biāo)的必由之路和有效途徑。

[1] 呂亞臣，齊作玉，于中海，等. 大鍛件統(tǒng)計(jì)學(xué)t檢驗(yàn)法的研究和應(yīng)用[J]. 大型鑄鍛件，2012(5)：39 -42.

[2] 呂亞臣，任運(yùn)來(lái)，齊作玉. 大型自由鍛非自由化的研究方向[J]. 大型鑄鍛件，2011(4)：45 -48.