道依茨65D非調(diào)質(zhì)鋼曲軸鍛造工藝研究

文／韓海河，車奇楠，高揚(yáng)·內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)富成鍛造有限責(zé)任公司

道依茨65D非調(diào)質(zhì)鋼曲軸鍛造工藝研究

文／韓海河，車奇楠，高揚(yáng)·內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)富成鍛造有限責(zé)任公司

非調(diào)質(zhì)鋼作為一類特殊鋼材，具有能源消耗小、環(huán)境污染低、制造周期短等特點(diǎn)。道依茨65D非調(diào)質(zhì)鋼曲軸裝配于某新型輕卡發(fā)動(dòng)機(jī)，項(xiàng)目組針對(duì)該曲軸的特性，合理的設(shè)計(jì)了鍛造工藝、工裝，借助鍛造有限元分析技術(shù)不斷優(yōu)化工藝，制造出精度高、性能好的曲軸鍛件。

道依茨65D非調(diào)質(zhì)鋼曲軸（以下簡(jiǎn)稱65D曲軸）裝配于某新型輕卡發(fā)動(dòng)機(jī)，該系列發(fā)動(dòng)機(jī)因性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉在國(guó)內(nèi)占有較大市場(chǎng)。65D曲軸材質(zhì)為S38MnSiV，屬于典型的非調(diào)質(zhì)鋼，由于該曲軸鍛件要求精度高、柄塊大、鍛造成形困難，所以一直依賴國(guó)外進(jìn)口，圖1所示為65D曲軸鍛件。

工藝技術(shù)難點(diǎn)分析及解決措施

工藝技術(shù)難點(diǎn)分析

⑴鍛造成形工藝。65D曲軸屬于中型精化曲軸，拔模斜度僅為2°。曲軸平衡塊薄（19.2mm）且高（單側(cè)72.5mm），屬難充滿類鍛件，局部鍛造復(fù)雜系數(shù)為S3級(jí)。此類產(chǎn)品如果預(yù)鍛充形效果差，大量金屬流到模膛外，就會(huì)導(dǎo)致終鍛件無(wú)法充滿；預(yù)鍛成形效果不理想的中間毛坯將會(huì)導(dǎo)致終鍛打擊力過(guò)大，降低模具使用壽命并且對(duì)設(shè)備造成影響。

⑵雙模膛制造技術(shù)。為滿足產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本，提高鍛造效率，項(xiàng)目組在工裝設(shè)計(jì)中采用了10～16t模鍛錘雙工位四模膛結(jié)構(gòu)（一模兩件），對(duì)于中型曲軸鍛件來(lái)說(shuō)尚屬首次。

圖1 65D曲軸鍛件

⑶非調(diào)質(zhì)鋼鍛后處理技術(shù)。65D曲軸材料為S38MnSiV，屬于典型的非調(diào)質(zhì)鋼，因國(guó)內(nèi)此類材料生產(chǎn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)嚴(yán)重不足，毛坯性能是否達(dá)標(biāo)成為研發(fā)該曲軸的關(guān)鍵。

⑷加工制造技術(shù)。實(shí)現(xiàn)“一模兩件”雙模膛生產(chǎn)，對(duì)模具質(zhì)量和模具精度要求較高，這要求模具制造技術(shù)和模具壽命必須得到保證。

圖2 工藝模擬分析

工藝技術(shù)難點(diǎn)解決措施

⑴借助有限元分析技術(shù)，優(yōu)化鍛造工藝（圖2）。項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了十余種鍛造方案，利用Deform-3D鍛造仿真分析軟件，對(duì)每種預(yù)、終鍛成形過(guò)程進(jìn)行模擬，不斷改進(jìn)和優(yōu)化工藝，獲得了最佳的預(yù)、終鍛工藝參數(shù)，有限元模擬相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 模擬相關(guān)參數(shù)

⑵采用一模兩件方式生產(chǎn)，要求加熱溫度、生產(chǎn)節(jié)拍、模具收縮比率等關(guān)鍵工藝參數(shù)必須準(zhǔn)確。10～16t模鍛錘生產(chǎn)線配備先進(jìn)的溫控感應(yīng)裝置，可保證坯料加熱溫度、加熱時(shí)間的一致；流轉(zhuǎn)工序采用自動(dòng)化機(jī)器人或機(jī)械手，確保生產(chǎn)節(jié)拍的一致。保證參數(shù)穩(wěn)定、準(zhǔn)確的前提下，再結(jié)合外界環(huán)境溫度的影響，就能很準(zhǔn)確的計(jì)算出各工序的熱收縮系數(shù)。

⑶針對(duì)非調(diào)質(zhì)鋼S38MnSiV材料特性，項(xiàng)目組研究了S38MnSiV材料的成形工藝特點(diǎn)和組織性能變化，增建了懸掛冷卻生產(chǎn)線進(jìn)行余熱處理（圖3），確保該曲軸的組織結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。

圖3 65D曲軸懸掛冷卻生產(chǎn)線

⑷為了保證模具精度，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了模具加工數(shù)模，利用數(shù)控加工中心對(duì)模具進(jìn)行整體加工，模膛表面經(jīng)拋光處理后方可使用。

工藝流程及鍛造工藝制定

工藝流程

65D曲軸鍛件的鍛造工藝流程如下：下料→加熱（中頻爐）→預(yù)鍛成形（10t）→終鍛成形（16t）→切邊（1600t壓力機(jī)）→懸掛處理→技術(shù)檢驗(yàn)→硬度檢驗(yàn)→外觀檢驗(yàn)→表面清理→探傷→鍛件終檢。

鍛造工藝

⑴下料規(guī)格。根據(jù)65D曲軸鍛件圖，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算、實(shí)體造型及有限元分析得出下料規(guī)格尺寸為φ150mm×（1240±1）mm，經(jīng)小批量（50件）生產(chǎn)驗(yàn)證，滿足生產(chǎn)要求，納入工藝。

⑵加熱。S38MnSiV材料的鍛造適宜溫度為1200～1280℃，加熱后由于熱量散失造成的毛坯降溫約20℃，因此修正加熱溫度為1220～1300℃，中頻爐加熱節(jié)拍為50件/h，采用光學(xué)高溫計(jì)進(jìn)行溫度抽檢并做好記錄，避免造成坯料過(guò)燒或溫度過(guò)低。

⑶鍛造成形。根據(jù)模擬分析結(jié)果，預(yù)、終鍛打擊次數(shù)均為3次，避免多次打擊的情況下出現(xiàn)鍛造缺陷。由于平衡塊為非加工，每次鍛造完成后需先用風(fēng)管對(duì)模膛進(jìn)行徹底清理，然后再用石墨進(jìn)行模具潤(rùn)滑冷卻，防止因氧化物堆積造成平衡塊充形不完全。

⑷切邊。采用1600t壓力機(jī)一工步完成切邊過(guò)程。

熱處理

鍛后先入急冷室急冷，冷至600℃以下轉(zhuǎn)入緩冷室，緩冷至室溫后出爐。而后入車底爐回火，回火溫度為（650±20）℃，保溫240min即可。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)工藝試制及生產(chǎn)驗(yàn)證，制定出合理、正確的65D曲軸生產(chǎn)工藝方案及鍛造工藝參數(shù)，為大規(guī)模生產(chǎn)提供指導(dǎo)。試制所用的生產(chǎn)設(shè)備、工藝裝備、檢測(cè)儀器及檢測(cè)方法能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量要求，生產(chǎn)的65D曲軸鍛件幾何尺寸、外觀精度、機(jī)械性能等指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。