柴油機(jī)曲軸鍛件鐓鍛工藝優(yōu)化研究

杜紹貴 華利 唐艷

(中車(chē)資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司資陽(yáng)曲軸分公司，四川 資陽(yáng)641301)

用于鐵路機(jī)車(chē)柴油機(jī)裝機(jī)的某型曲軸于2008年設(shè)計(jì)投產(chǎn)，采用中碳合金電渣鋼，以曲軸鍛件鐓鍛、正火+高溫回火、粗加工交貨。投產(chǎn)以來(lái)，由于產(chǎn)量小，其鐓鍛工藝存在的諸多問(wèn)題沒(méi)有得到顯現(xiàn)。近兩年來(lái)，由于需求增加，加之原材料價(jià)格上漲，內(nèi)部成本壓降，亟待對(duì)該曲軸鍛件鐓鍛工藝進(jìn)行優(yōu)化，以降低制造成本，特別是原材料成本。

1 原鐓鍛工藝主要問(wèn)題

分析原鐓鍛工藝條件下生產(chǎn)的曲軸鍛件完工交驗(yàn)拷線(xiàn)數(shù)據(jù)，研究該曲軸鍛件的鍛件圖、坯料圖、光坯圖、變形圖等，概括出該曲軸鍛件原鐓鍛工藝有以下主要問(wèn)題。

1.1 加工留量(單邊)偏大

輸出端法蘭軸向、徑向最大機(jī)加工留量分別是21 mm和22 mm；曲柄臂軸向開(kāi)檔最大加工留量11 mm；曲柄臂平衡塊安裝面最大加工余量55 mm；曲柄臂外圓周最小加工余量28 mm。機(jī)加工留量大，增加了材料消耗、鍛造及鍛后熱處理能耗、粗加工工時(shí)等。

1.2 制坯料損大

由于采用RR鐓鍛成形，鐓鍛前，需將光坯加工成臺(tái)階坯進(jìn)行分料，即分別加工出主軸頸、連桿頸環(huán)槽。該曲軸鍛件鍛前坯料直徑?320 mm，主軸頸直徑?295 mm，加工量25 mm；連桿頸直徑?280 mm，加工量40 mm。該曲軸鍛件光坯規(guī)格?323 mm×6400 mm，重量4115 kg，而鍛前坯料重3695 kg，從曲軸光坯到曲軸鍛件鍛前坯料，加工制坯料損420 kg，制坯料損率高達(dá)10.2%。

1.3 材料利用率偏低

由于曲軸鍛件機(jī)加工留量大，再加上用戶(hù)需要高低倍試片、力學(xué)性能試棒，該曲軸鍛件重3640 kg，而交貨狀態(tài)曲軸1800 kg，因此從曲軸鍛件到交貨狀態(tài)曲軸的材料利用率僅有49.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于近幾年新開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，嚴(yán)重影響曲軸鍛件的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1.4 曲軸鍛件不校直率偏低

RR鐓鍛成形工藝顯著特點(diǎn)之一是加熱一拐、鐓鍛成形一拐，也就是獲得一支完整的曲軸鍛件，需要經(jīng)過(guò)多個(gè)火次加熱、單拐鐓鍛。由于涉及加熱支撐、坯料轉(zhuǎn)運(yùn)、鐓鍛支撐、脫模、鍛后擺放等，曲軸鍛件彎曲控制難度大，因此需要利用鍛后正火空冷時(shí)對(duì)曲軸鍛件實(shí)施熱校直。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，該曲軸鍛件的不校直率通常在35%～45%之間。曲軸鍛件校直降低了生產(chǎn)效率，增加了能耗。

1.5 塌角缺陷嚴(yán)重

RR鐓鍛成形工藝，從“平面型平衡塊安裝面曲柄臂”曲軸彎曲鐓鍛過(guò)程來(lái)說(shuō)，其平衡塊安裝面兩端的4個(gè)尖角為坯料最后填充部分，因此極易產(chǎn)生塌角缺陷[1]。塌角缺陷導(dǎo)致局部加工余量不足，需對(duì)曲軸鍛件實(shí)施校直或校彎，嚴(yán)重時(shí)需對(duì)塌角曲拐實(shí)施局部加熱返修。塌角缺陷返修難度大，耗時(shí)費(fèi)工，增加曲軸鍛件鍛造成本。

2 工藝優(yōu)化方案

針對(duì)該曲軸鍛件原鐓鍛工藝存在的不足之處，在盡可能減少新制模具投入的前提下，通過(guò)縮減曲軸件機(jī)加工留量來(lái)減少材料消耗，采用光坯代替臺(tái)階坯鐓鍛來(lái)減少鍛前制坯料損；曲柄臂平衡塊安裝面采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，鐓鍛過(guò)程中運(yùn)用預(yù)上彎技術(shù)以改善塌角缺陷；在成形模具定位側(cè)增加支撐模以改善曲軸鍛件長(zhǎng)度和彎曲度，提高曲軸鍛件不校直率。

2.1 縮減曲軸鍛件加工留量

由于曲軸鍛件到交貨狀態(tài)曲軸的材料利用率僅有49.5%，也充分說(shuō)明曲軸鍛件的機(jī)加工留量是偏大的。對(duì)優(yōu)化前20支曲軸鍛件的鐓鍛完工交驗(yàn)拷線(xiàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其實(shí)際加工余量比較大，普遍達(dá)到機(jī)加工留量的2/3以上?？紤]到該曲軸鍛件后續(xù)粗加工變形不大，結(jié)合RR曲軸鐓鍛工藝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定了優(yōu)化后曲軸鍛件各部位機(jī)加工留量并設(shè)計(jì)了曲軸鍛件圖，見(jiàn)圖1，該曲軸鍛件重3125 kg，材料利用率57.6%，較優(yōu)化前提高8.1%。

2.2 采用光坯鐓鍛

光坯鐓鍛，也就是鍛前制坯只需加工出連桿頸環(huán)槽而不加工出主軸頸環(huán)槽。光坯鐓鍛可以節(jié)省鍛前制坯工時(shí)、刀具消耗，關(guān)鍵是減小了光坯規(guī)格、減少了制坯料損，避免過(guò)多切斷主軸頸纖維流線(xiàn)。該曲軸鍛件原工藝光坯規(guī)格為?323 mm×6400 mm，鍛前加工制坯料損420 kg，料損率達(dá)10.2%，且每支光坯需加工主軸頸環(huán)槽10個(gè)，連桿頸環(huán)槽6個(gè)；而采用光坯鐓鍛，其光坯規(guī)格為?295 mm×6121 mm，重量為3283 kg，而鍛前坯料重量為3060 kg，加工制坯料損223 kg，料損率6.8%，料損率降低4%，且每支光坯只需加工7個(gè)連桿頸環(huán)槽，生產(chǎn)效率提高1倍。

2.3 曲柄臂平衡塊安裝面標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

圖1中S-S視圖所示曲柄臂平衡塊安裝面即為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)[2]。有三個(gè)特點(diǎn)：

(1)5 mm、R30 mm、R80 mm、35 mm(飛邊最大高度，厚度為13.5 mm)四個(gè)參數(shù)對(duì)不同曲軸鍛件通用；

(2)曲柄臂平衡塊安裝面為平面，加工余量為均勻的15 mm；

(3)平衡塊安裝面的4個(gè)尖角，即安裝面兩端“肩膀”為“貓耳朵”(“CAT EAR”)[3]結(jié)構(gòu)，屬于收斂型結(jié)構(gòu)，在曲軸鐓鍛過(guò)程第三階段，即壓靠階段，金屬的流動(dòng)速度較大，速度矢量方向與平衡塊安裝面兩端“肩膀”的偏離最小，能夠確保曲柄臂成形飽滿(mǎn)[1]。

圖1 優(yōu)化后的曲軸鍛件圖Figure 1 Optimized crankshaft forging drawing

2.4 應(yīng)用預(yù)上彎技術(shù)

RR曲軸鐓鍛成形過(guò)程，分為三個(gè)連續(xù)的階段：第一階段是水平鐓粗，這個(gè)階段隨著外力施加，坯料長(zhǎng)度縮短、截面積增大，而連桿頸和主軸頸仍然同心，稱(chēng)之為“純鐓粗”階段；第二階段是水平鐓粗+垂直彎曲，這個(gè)階段坯料長(zhǎng)度縮短、截面積增大的同時(shí)，坯料逐漸充滿(mǎn)型腔以獲得最終的曲柄臂形狀，同時(shí)連桿頸、主軸頸中心發(fā)生錯(cuò)移形成曲拐半徑，稱(chēng)之為“鐓、彎同時(shí)”階段；第三階段是左右模具與彎曲上、下模壓靠，坯料完全充滿(mǎn)型腔，完成一個(gè)曲拐的終鍛，稱(chēng)之為“壓靠階段”。預(yù)上彎就是在第一階段通過(guò)彎曲下模將坯料向上頂彎以達(dá)到偏心聚料(向安裝面方向聚料)的目的從而保證曲柄臂平衡塊安裝面兩端“肩膀”充填飽滿(mǎn)。預(yù)上彎技術(shù)的關(guān)鍵是控制預(yù)上彎量的大小。

2.5 增加支撐模

如圖2所示，該圖為第2拐成形模具組裝圖，圖中右側(cè)視圖三副模具從左至右分別為定位擋板、定位模、支撐模，該支撐模能有效改善曲軸鍛件長(zhǎng)度和彎曲度。

圖2 曲軸鍛件第2拐成形模具組裝圖Figure 2 Forming die assembly drawingof the second turn of crankshaft forging

3 成形試驗(yàn)及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)材料

考慮工藝優(yōu)化成本，選用45鋼代替中碳合金電渣鋼作為試驗(yàn)材料，45鋼化學(xué)成分滿(mǎn)足GB/T 699—2015標(biāo)準(zhǔn)要求即可。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備及工藝

經(jīng)計(jì)算，某內(nèi)燃機(jī)車(chē)曲軸鍛件采用現(xiàn)有液壓機(jī)+RR專(zhuān)用曲軸鐓鍛裝置成形是合適的。為使成形試驗(yàn)結(jié)果更具代表性，鐓鍛4拐曲軸鍛件，圖3為4拐曲軸鍛件坯料，該坯料未加工出主軸頸環(huán)槽(圖中羅馬數(shù)字表示)。為保證坯料透燒，鍛前加熱采用兩段式，坯料加熱溫度為1180+20℃，加熱爐規(guī)格為?300 mm×910 mm，鐓鍛加熱、成形順序?yàn)榈?拐→第2拐→第3拐→第4拐。鐓鍛成形過(guò)程中，彎曲開(kāi)始前的預(yù)上彎量預(yù)設(shè)為35 mm。

圖3 4拐曲軸鍛件坯料Figure 3 Four-turn crankshaft forging blank

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

圖4為鐓鍛成形試驗(yàn)4拐曲軸鍛件實(shí)物，經(jīng)平臺(tái)按交貨狀態(tài)拷線(xiàn)，其最小軸向加工余量6 mm、徑向加工余量12 mm，加工余量滿(mǎn)足要求。曲軸鍛件外觀(guān)：第1、4拐曲柄臂平衡塊安裝面兩端有輕微塌角，但能夠滿(mǎn)足加工要求，經(jīng)評(píng)估，可以實(shí)施小批量試制，小批量試制時(shí)可增加預(yù)上彎量。

圖4 4拐曲軸鍛件Figure 4 Four-turn crankshaft forging

4 小批量試制及結(jié)果

4.1 小批量試制工藝

小批量試制工藝要點(diǎn)：

(1)坯料鍛前加熱溫升曲線(xiàn)以及加熱爐規(guī)格與成形試驗(yàn)相同；

(2)鐓鍛成形順序“P”端法蘭→第6拐→第5拐……第1拐共計(jì)7火次；

(3)考慮到曲柄臂平衡塊安裝面兩端輕微塌角，將彎曲開(kāi)始前的預(yù)上彎量從35 mm增加到45 mm；

(4)坯料規(guī)格與成形試驗(yàn)相同；

(5)首批次鐓鍛2支，圖5為其中一支實(shí)物鍛件的第4拐和第5拐。

4.2 存在缺陷及其原因分析和解決措施

檢查曲軸鍛件外觀(guān)質(zhì)量(如圖5所示)，發(fā)現(xiàn)在曲軸鍛件曲柄臂頂圓靠主軸頸側(cè)，普遍存在圓弧形夾層缺陷，深淺不一。

圖5 實(shí)物鍛件的第4和第5拐Figure 5 The fourth and fifth turns of physical forgings

分析原因后認(rèn)為該缺陷是由于彎曲開(kāi)始前預(yù)上彎量偏大所致。當(dāng)預(yù)上彎量偏大時(shí)，彎曲下模型腔邊緣過(guò)早接觸坯料，同時(shí)在坯料相應(yīng)位置壓出圓弧形小臺(tái)階，終鍛壓靠時(shí)高出彎曲下模左右兩側(cè)型腔的部分金屬被壓入曲柄臂形成夾層。夾層缺陷在曲柄臂頂圓粗加工后磁粉檢測(cè)時(shí)有明顯的磁痕顯示。得益于交貨狀態(tài)曲軸曲柄臂頂圓靠主軸頸側(cè)有較大的倒角，可將該夾層缺陷完全消除，因此首批次兩支曲軸鍛件仍順利交出。為解決該夾層缺陷，將彎曲下模兩側(cè)型腔增加R80 mm和R10 mm圓弧，見(jiàn)圖6。這樣即便預(yù)上彎量偏大，也不會(huì)在坯料上壓出圓弧形小臺(tái)階，可避免夾層缺陷的產(chǎn)生。圖7為彎曲下模改進(jìn)后生產(chǎn)的曲軸鍛件。

(a)改進(jìn)前 (b)改進(jìn)后圖6 改進(jìn)前后彎曲下模型腔Figure 6 Bended lower model cavities before andafter improving

圖7 改進(jìn)生產(chǎn)后的曲軸鍛件Figure 7 Crankshaft forgings after improving production

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)預(yù)上彎技術(shù)的核心是預(yù)上彎量的控制，可通過(guò)改進(jìn)彎曲下模型腔設(shè)計(jì)，在預(yù)上彎量偏大的情況下也不形成夾層缺陷，從而保證曲柄臂充填飽滿(mǎn)，不產(chǎn)生塌角缺陷。

(2)光坯鐓鍛是一種先進(jìn)的工藝技術(shù)，有利于減小光坯規(guī)格、減少鍛前制坯料損，從而提高曲軸材料利用率。某內(nèi)燃機(jī)車(chē)曲軸鍛件鐓鍛成形工藝優(yōu)化研究表明，光坯鐓鍛具有可推廣性。

(3)某內(nèi)燃機(jī)車(chē)曲軸鍛件批量生產(chǎn)再一次驗(yàn)證了曲柄臂平衡塊安裝面采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的技術(shù)可行性、工藝再現(xiàn)性。

(4)為有效控制曲軸鍛件長(zhǎng)度、彎曲度，提高曲軸鍛件不校直率，工藝設(shè)計(jì)推薦在定位側(cè)增加支撐模。