大型多曲柄復(fù)雜曲軸的設(shè)計(jì)及成形技術(shù)

文/林劍，鄭良·陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限責(zé)任公司

曲軸是機(jī)車、船舶等發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中的重要部件。本文主要根據(jù)某型號(hào)曲軸的特點(diǎn)，使用了一種比較合理有效的設(shè)計(jì)及成形技術(shù)，并獲得了組織均勻、綜合性能優(yōu)異且結(jié)構(gòu)完整的產(chǎn)品。

超大型曲軸是機(jī)車、船舶等發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中的重要部件，該類產(chǎn)品具有尺寸大、形狀復(fù)雜、幾何精度要求高、使用性能苛刻等特點(diǎn)，因此鍛造成形難度很大。以往，對(duì)于此類產(chǎn)品多采用分段式鍛造成形，在實(shí)際生產(chǎn)中存在精度差、生產(chǎn)效率低、操作復(fù)雜等諸多難題。為了解決上述存在的問題，采用整體鍛造工藝方案較合理、經(jīng)濟(jì)，生產(chǎn)效率高，并在工藝實(shí)施過程中便于操作。

曲軸的鍛模設(shè)計(jì)及校正模設(shè)計(jì)方案

該鍛件為8拐16缸曲軸，材料為40CrNiMoA，是機(jī)車、船舶等發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)中的重要部件，此產(chǎn)品尺寸大、形狀復(fù)雜、8拐成“米”字形360°均布。拐與拐之間的間距比較小，只有約42mm，曲軸外形輪廓尺寸為φ372mm×2738mm，鍛件重量大約為630kg，鍛件最大截面面積為4.8×104mm2，鍛件投影面積為6.6×105mm2，二維圖詳見圖1。

圖1 鍛件二維圖

⑴在產(chǎn)品整體模鍛型腔分模面的設(shè)計(jì)上，分模面依據(jù)零件的外形結(jié)構(gòu)和走勢(shì)，兩側(cè)采用沿曲柄外形曲面分模，該設(shè)計(jì)方案可以不增加鍛件的出模斜度，形成自然出模，并且可以避免非加工面上增加多余的加工余塊，大大減少了后期的加工量，節(jié)省了原材料的消耗。三維分模示意圖如圖2所示。

圖2 曲軸鍛件分模圖

⑵對(duì)于產(chǎn)品基準(zhǔn)的選擇，為了便于機(jī)加找正定位中心、減少累計(jì)公差，在設(shè)計(jì)上采用了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與加工基準(zhǔn)為同一基準(zhǔn)的原則。模具實(shí)物照片如圖3所示。

圖3 曲軸模具照片

⑶通過對(duì)曲軸成形的數(shù)值模擬，在毛邊槽的設(shè)計(jì)上，毛邊倉(cāng)部設(shè)計(jì)為雙倉(cāng)，對(duì)于水平方向不易充滿的中部曲柄部分，其毛邊槽橋部的設(shè)計(jì)為下模不增設(shè)橋部，只保留上模橋部。通過MSC.SuperForge三維數(shù)值模擬，結(jié)果如圖4所示。

圖4 曲軸充滿情況數(shù)值模擬結(jié)果圖

⑷針對(duì)曲軸整體校正模具的型腔設(shè)計(jì)，選擇兩頭主軸及連桿頸為校正部位，空出曲柄和其連接的軸頸，校正模收縮率選擇為1.0%～1.2%。校正模具的三維數(shù)模如圖5所示。通過運(yùn)用三維數(shù)值模擬，完成對(duì)校正模具合理性的校驗(yàn),具體結(jié)果如圖6所示。

圖5 曲軸校正模三維數(shù)模

圖6 數(shù)值模擬校正模結(jié)果

曲軸的模鍛成形及校正工藝方案

模鍛

⑴先將臥鍵裝在模具上并用銷將模具固定在630kJ對(duì)擊錘錘頭上；模具規(guī)格為3000mm×800mm×550mm，材料為5CrNiMo鋼，模鍛前先預(yù)熱模具，預(yù)熱溫度250～350℃，預(yù)熱時(shí)間不小于12小時(shí)，設(shè)備工作風(fēng)壓不小于0.7MPa。采用機(jī)油+石墨的潤(rùn)滑方式充分潤(rùn)滑模具與坯料。

⑵使用天然氣加熱爐加熱，當(dāng)爐溫達(dá)到溫度后，將毛坯放入加熱爐內(nèi)加熱，毛坯料必須放置于合格區(qū)內(nèi)。爐溫再次升到設(shè)定溫度后，保溫足夠時(shí)間，保證毛坯料加熱充分，達(dá)到以后立即將坯料迅速轉(zhuǎn)移，放置在經(jīng)過預(yù)熱的模具中，先輕擊，后快速取出坯料，清理吹凈氧化皮后放入模具中再重?fù)舫尚?，并空冷?/p>

熱處理

采用電阻爐進(jìn)行熱處理。熱處理制度采用正火，將鍛件放置于爐底板上，單層擺放，底部增加支架，防止加熱過程中產(chǎn)生變形。鍛件裝爐后開始送電升溫，當(dāng)爐溫達(dá)到設(shè)定溫度后，開始計(jì)算保溫時(shí)間，時(shí)間達(dá)到后直接出爐進(jìn)行空冷。理化檢測(cè)檢查過熱、過燒項(xiàng)目，結(jié)果為鍛口組織正常，無(wú)脫碳。

校正

校正設(shè)備采用31500kN油壓機(jī)，校正模具規(guī)格為2400mm×800mm×500mm, 材料為5CrNiMo鋼，校正前需將模具預(yù)熱，溫度在250～350℃之間，預(yù)熱時(shí)間不小于12小時(shí)。最終曲軸鍛件如圖7所示。

圖7 曲軸鍛件

結(jié)論

⑴分模面依據(jù)零件的外形結(jié)構(gòu)和走勢(shì)，兩側(cè)采用沿曲柄外形曲面分模，不增加出模斜度自然出模，非加工面上不增加多余的加工余塊。避免機(jī)械加工斷續(xù)切削，延長(zhǎng)刀具的使用壽命。

⑵采用此模鍛成形技術(shù)生產(chǎn)的大型曲軸產(chǎn)品，表面質(zhì)量良好、規(guī)格尺寸精確、流線分布合理、組織性能優(yōu)異、機(jī)械加工余量小、材料利用率高，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

⑶采用此模鍛成形技術(shù)生產(chǎn)的大型曲軸產(chǎn)品，產(chǎn)品合格率達(dá)100%，克服了分段鍛造成形造成產(chǎn)品規(guī)格尺寸不合格、且無(wú)法返修等導(dǎo)致產(chǎn)品合格率低的缺點(diǎn)。

⑷通過對(duì)成形原理、工藝流程等分析、改進(jìn)、優(yōu)化，解決了分段鍛造成形過程中曲柄錯(cuò)位、脫節(jié)等技術(shù)難題，提高了產(chǎn)品合格率和生產(chǎn)效率，同時(shí)降低了工裝模具的消耗。

⑸采用此模鍛成形技術(shù)生產(chǎn)的大型曲軸產(chǎn)品，過程控制簡(jiǎn)單、質(zhì)量控制容易、性能穩(wěn)定可靠，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的大批量、工業(yè)化生產(chǎn)。