低速柴油機曲柄熱處理變形控制研究

毛雪芹 祁 波 王國棟 馬曉兵 康 兵

(武漢重工鑄鍛有限責任公司，湖北430084)

曲柄是柴油機運動機構(gòu)的關(guān)鍵部件，其形狀特殊，機械加工部位較多，在熱處理過程中極易發(fā)生變形，以致無法滿足產(chǎn)品后續(xù)加工要求。在曲柄的各個加工部位中，內(nèi)檔部位的加工最為復雜，在熱處理過程中變形問題也最為突出。有效控制熱處理過程中曲柄內(nèi)檔尺寸的變化，是曲柄熱處理變形控制的重點和難點，也是熱處理專業(yè)技術(shù)人員長期研究和探索的重要課題。

低速柴油機曲柄最常用的材質(zhì)有M60.6和S34MnV兩種，熱處理方式為正火+正火+回火。分別選用三組材質(zhì)為S34MnV的某機型曲柄，以不同的裝爐方式進行熱處理，通過對比曲柄在不同裝爐方式下熱處理后內(nèi)檔尺寸的變化，來確定最為合適的裝爐方式和變形控制措施。

1 試驗過程及試驗方法

1.1 曲柄裝爐方式為豎立式

曲柄的工藝路線為：煉鋼→鍛造→粗加工→熱處理→精加工。

所選用的某機型曲柄，其粗加工圖內(nèi)檔基本尺寸為179 mm，頸部總厚度基本尺寸為769 mm，如圖1所示。按照我公司曲柄熱處理和機械加工相關(guān)要求，熱處理前內(nèi)檔尺寸需控制在179 mm±5 mm范圍內(nèi)；熱處理后內(nèi)檔變形需控制在±10 mm范圍內(nèi)，即內(nèi)檔張大和縮小尺寸均不超過10 mm，方可滿足后續(xù)精加工要求。首先選用六件曲柄(分別記為①、②、③、④、⑤、⑥)在臺車爐進行正火+正火+回火熱處理，然后對它們的內(nèi)檔尺寸進行測量，統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

圖1 曲柄粗加工示意圖Figure 1 Schematic diagram of rough machining for crank

由表1中數(shù)據(jù)可以看出，曲柄在采用豎立式裝爐進行熱處理后，其內(nèi)檔尺寸明顯增大，其張開尺寸范圍為14～21 mm。六件曲柄熱處理后內(nèi)檔變形均超出控制范圍，無法滿足后續(xù)精加工要求。因此，只有對該六件產(chǎn)品重新進爐加熱后進行校正，以使內(nèi)檔尺寸符合加工要求。這樣不僅增加了生產(chǎn)成本，也延緩了產(chǎn)品流轉(zhuǎn)速度。

表1 豎立式裝爐時曲柄的熱處理變形情況Table 1 Heat deformation situations of crank under charging in vertical type 單位：mm

1.2 曲柄裝爐方式為平裝式

同樣地，選用另外六件S34MnV曲柄(分別記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ)進行平裝式裝爐，熱處理工藝仍為正火+正火+回火。然后測量六件曲柄內(nèi)檔尺寸，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 平裝式裝爐時曲柄的熱處理變形情況Table 2 Heat deformation situations of crank under charging in horizontal type 單位：mm

由表2可見，采用平裝式裝爐時，由于產(chǎn)品自身重力的作用，熱處理后內(nèi)檔明顯收縮，縮小尺寸范圍為5～19 mm。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ號曲柄內(nèi)檔縮小尺寸超出控制范圍，無法滿足精加工要求。其余兩件曲柄內(nèi)檔雖亦有縮小，但滿足加工要求。

1.3 曲柄裝爐方式優(yōu)化(平裝且內(nèi)檔塞入墊鐵和楔鐵)

對比表1、表2的數(shù)據(jù)，對裝爐方式進行優(yōu)化，即采用平裝式裝爐且在曲柄內(nèi)檔處塞入墊鐵和楔鐵。如圖2所示，先在曲柄下面放入墊鐵，再在墊鐵上塞入相應規(guī)格的楔鐵，并控制好墊鐵和楔鐵放置方向，將楔鐵塞緊。曲柄第一次正火后，曲柄內(nèi)檔會張大，在第二次正火入爐前重新調(diào)整楔鐵高度，略微下降5～10 mm，這樣經(jīng)第二次正火后，曲柄內(nèi)檔尺寸與熱處理前基本保持不變，在回火后恰好達到工藝控制要求范圍。

圖2 曲柄裝爐優(yōu)化示意圖Figure 2 Schematic drawing of improved charging for the crank

按照圖2所示裝爐，又進行了其他六件曲柄(分別記為(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6))的熱處理，然后測量六件曲柄的內(nèi)檔尺寸，如表3所示。

由表3可知，曲柄平裝式裝爐且在內(nèi)檔處塞入墊鐵和楔鐵，待熱處理完畢后，其內(nèi)檔尺寸變化控制在4～6 mm，完全滿足后續(xù)精加工要求。

表3 優(yōu)化裝爐后曲柄的熱處理變形情況Table 3 Heat deformation situations of crank after improved charging 單位：mm

2 分析討論

通過對比曲柄在不同裝爐方式下進行熱處理內(nèi)檔尺寸的變化，分析如下：

(1)當采用豎立式裝爐，曲柄在加熱時隨著溫度的不斷升高，工件內(nèi)部應力逐漸增大，而在后續(xù)正火出爐冷卻過程中，因工件表層和心部的冷卻速度不一致，導致體積收縮不均而產(chǎn)生熱應力。在熱應力的作用下，由于表層冷卻速度比心部快得多，表層要收縮，而中心溫度尚高阻止表層收縮，對表層產(chǎn)生拉應力，心部則產(chǎn)生壓應力。隨著冷卻過程的繼續(xù)進行，由于工件心部最后冷卻，體積收縮不能自由進行而使表層受壓應力、心部受拉應力，即在熱應力的作用下最終使工件表層受壓而心部受拉。這種現(xiàn)象受到冷卻速度、熱處理工藝參數(shù)等因素的影響。冷卻速度愈快，冷卻過程中在熱應力作用下產(chǎn)生的不均勻塑性變形愈大，內(nèi)檔張開愈嚴重。

(2)當采用平裝式裝爐，內(nèi)檔未塞入墊鐵和楔鐵時，曲柄在加熱時隨著溫度不斷升高，其屈服強度不斷降低，同時在工件內(nèi)部存在殘余應力(機加應力、鍛造應力等)，當溫度上升到一定程度時，工件各部位屈服強度的變化就會引起不均勻的塑性變形而造成其形狀改變。若上檔支撐不嚴，處于懸臂狀態(tài)時，在長時間的高溫過程中，由于重力作用產(chǎn)生高溫蠕變，而使上檔下墜。在兩次正火過程中，上檔與下檔間的尺寸逐漸收縮，形成產(chǎn)品變形。在采用了改進的裝爐方式進行熱處理時，由于在曲柄內(nèi)檔塞入了合適的墊鐵和楔鐵，在加熱過程中，雖然也會由于工件內(nèi)部產(chǎn)生應力(主要為熱應力和組織應力)，引起內(nèi)檔變形，但曲柄上檔的變形受到墊鐵和楔鐵的支撐和阻擋，下墜的力度不足以使產(chǎn)品發(fā)生較大變形，因此內(nèi)檔尺寸變化可控制在較小范圍。

3 結(jié)論

(1)無論平裝式或豎立式裝爐，曲柄在熱處理過程中均會發(fā)生變形。但相比而言，采用平裝式時曲柄內(nèi)檔變形量較小。

(2)采用平裝式裝爐，在曲柄內(nèi)檔塞入墊鐵和楔鐵，并在生產(chǎn)過程中適時加以調(diào)整，能夠有效控制曲柄的內(nèi)檔變形，使其滿足后續(xù)加工要求。

(3)低速柴油機曲柄熱處理變形控制的研究，對其他類型產(chǎn)品熱處理變形控制具有借鑒和指導意義。