船用曲軸的制造工藝現(xiàn)狀介紹

張文平　周倩

摘 要：文章介紹了船用曲軸制造技術的進展及其工藝特點， 指出了各方法的優(yōu)缺點，評述了船用曲軸制造技術在國內外的發(fā)展和應用，并提出今后船用曲軸制造方法的發(fā)展方向。

關鍵詞：船用曲軸；鍛造；鐓鍛；鑄造

1 概述

曲軸是發(fā)動機的核心部件之一，被稱為發(fā)動機的“心臟”，其制造成本約占發(fā)動機總造價的10%-20%[1]，而對船用曲軸而言，這一比例甚至可以達到1/3。曲軸與活塞桿相連，工作過程中在活塞桿的推動下，曲軸繞主軸頸軸線做旋轉運動，進而將活塞的往復運動轉化為曲軸的旋轉運動，完成功率輸出[2]。曲軸要承受彎曲力矩、扭轉力矩以及交變載荷等的作用，所受載荷大，受力復雜，易產生疲勞破壞。所以，對大型曲軸的強度、剛度和耐磨性等力學性能提出了較高要求。

2 船用曲軸的分類

船用曲軸的制造工藝可分為兩類：一種是整體制造的曲軸，主要用于中小船舶；另一種是組裝式曲軸，主要用于萬噸輪和發(fā)電用低速二沖程柴油發(fā)動機[3]。船用低速柴油機上的大缸徑曲軸，普遍采用組合的形式，根據(jù)裝配方式的不同，可分為全組合式和半組合式。

3 船用曲軸的制造工藝現(xiàn)狀

3.1 組合式船用曲軸制造工藝

全組合大型船用曲軸就是把主軸頸、曲臂、曲拐銷分別加工，然后將其裝配在一起（如圖1）；半組合大型船用曲軸則將曲臂和曲拐銷加工成為一個整體（即曲拐），然將曲拐和軸頸部件熱壓成為整體來組成大型船用曲軸（如圖2）。組合式曲軸的曲拐有鍛造和鑄造兩種制造方法。

低速柴油機所用的大型船用曲軸，主要生產企業(yè)基本上均采用半組合式工藝。目前生產大型低速柴油機曲軸的企業(yè)主要有：韓國現(xiàn)代、韓國斗山重工業(yè)株式會社、日本神戶制鋼、捷克維特科維策股份公司等[4]。

（1）鍛造曲拐。組合式曲軸鍛造的難點在于曲拐鍛造。其鍛造方法有：塊型鍛造法、環(huán)鍛法、模鍛法、彎鍛法、鐓鍛法等。目前國內生產曲軸毛坯鍛件的企業(yè)主要有兩家，鞍鋼重機和一重集團。

（2）鑄造曲拐。鑄造曲拐的優(yōu)點是較經(jīng)濟，成型性好，缺點是容易產生鑄造缺陷。在生產過程中，必須對每道工序嚴格控制，控制住針孔、夾渣和疏松等缺陷的產生，以確保質量。鑄鋼曲拐生產的工藝，主要有以下三種[5]：平鑄法、豎鑄法、模鑄法。

3.2 整體式曲軸生產工藝

3.2.1 整體式自由鍛工藝。曲軸的自由鍛成形工藝，可以分為塊鍛和彎鍛。塊鍛工藝是將毛坯鍛成方塊，再機加工成形。這一方法鍛制的曲拐余量大，纖維流線被切斷，降低了其抗彎曲和抗疲勞能力，質量較差，加工后曲臂的內側常常出現(xiàn)嚴重鬼線及疏松性傷痕等缺陷。彎鍛是將毛坯先壓成扁坯，再進行彎曲模架彎曲，最后修整成形。其優(yōu)點是余量少，材料利用率有所提高，金屬纖維流向好，抗彎曲和抗疲勞能力較好。塊鍛和彎鍛工藝效率較低，對工人的技術水平要求較高，勞動強度大，僅適用于小批量生產。

3.2.2 全纖維曲軸鐓鍛成型工藝。該工藝將金屬材料鍛造成棒料，然后機加工成臺階軸，最后在鐓鍛專用模具內成形，每次只對一個曲拐進行熱變形。在模具內，當位于上方的彎曲模塊對棒料進行彎曲變形的同時，位于下方的左右鐓粗模塊同時向中間作鐓粗運動。第一個曲拐不需定位，從第二個曲拐起，需要依次用已鍛出的曲拐進行定位。

全纖維鐓鍛法是生產直徑為120-350mm的大型全纖維曲軸鍛件的主要生產方法。全纖維鐓鍛曲軸又具體分為以下幾種方法：（1）RR法鍛造曲軸。該法是在專用的工裝模具上，利用墩鍛彎曲聯(lián)合工序，完成曲軸成形。當液壓機橫梁下落時，在模座的斜面上，液壓機的力被分解成為水平墩鍛分力和垂直夾緊分力。坯料被夾緊后，兩個模座相向移動預墩曲臂。同時，中間彎曲模在夾緊連桿頸后，向下彎曲，曲柄隨之成形[5]。RR法鍛造曲軸的缺點是，在鍛造過程中，它產生的水平墩鍛分力為一定值，該力與設備公稱力之比，僅等于33%；鐓粗和彎曲同時進行，工藝參數(shù)不能調整，曲臂的尖角處常出現(xiàn)填充不滿；采用臺肩式棒料毛坯，金屬纖維被切斷，降低了曲軸的強度；由于局部加熱，多拐分步成形后需熱校直[6]。（2）TR法鍛造曲軸。TR法是利用肘桿機構來實現(xiàn)力的分解。水平墩鍛力和垂直夾緊力在變形過程中是肘桿和水平線夾角的函數(shù)。其變化規(guī)律是：水平墩鍛力從最小值到最大值；垂直夾緊力從最大值到最小值。符合曲柄成形過程中對水平和垂直兩個分力的實際需要。最大的水平墩鍛力可達設備公稱力的1.2倍，相應于RR法的3.6倍，故它能充分利用設備的能力。（3）雙向水壓機鍛造曲軸。雙向水壓機是一種專用性很強的曲軸鍛造設備，1961年在依爾武德國家曲軸公司投產使用。該設備由軸向水壓機和徑向水壓機聯(lián)合鍛造。軸向水壓機用來墩鍛曲臂，徑向水壓機用來彎曲連桿頸。模具部分由模塊組成。一套完整的模具應包括法蘭模、止推模、曲臂模、壓環(huán)模、彎曲模和曲柄分度模[7]。由于各工作缸直接作用在鍛件上，可根據(jù)曲軸的不同形狀，任選幾步成形。該方法成形精度高，加工余量小，金屬纖維連續(xù)程度更高。（4）其它專用壓機鍛造工藝。全纖維曲軸的其它鍛造工藝包括德國帝森集團VSG公司的VSG鐓鍛法；20世紀70年代初，英國發(fā)明的CIVROD法；天津大學和天津市康庫德機電技術有限公司聯(lián)合研究出NTR鍛造法等。

3.3 模鍛

汽車用曲軸整體模鍛工藝較成熟，2005～2010年，我國引進了十多條大型的曲軸自動化生產線，其中部分采用了韓國、日本的步進梁技術。受設備噸位及模具制造能力的限制，國內文獻報道的最大的模鍛曲軸是第二重型機械集團公司模具分廠所生產的KV12大型曲軸，曲軸長1852mm，重340kg[8]。船用曲軸的模鍛工藝主要為分段模鍛法，工序如下：首先將鋼錠鍛成“糖葫蘆”形坯料，然后將安裝在活動橫梁上的三個上模剛性組合后，對加熱坯料進行預鍛，得到飛邊很厚的曲軸坯；再拆除上模的剛性組合，先鍛中間，后對兩邊依次進行終鍛，得到飛邊較薄鍛件；切除飛邊后，最后將三個上模剛性組合，進行曲軸校正。該工藝由于所需設備太大，故應用不廣[9]。

3.4 鑄造

隨著鑄造技術的進步，球墨鑄鐵的力學性能已經(jīng)接近碳鋼的水平，且其耐磨性好、減震性好，有極高性價比。球墨鑄鐵越來越廣泛的應用到曲軸的制造中來。據(jù)報導，美國曾生產長9.5m，重15t的鑄造曲軸。蘇聯(lián)克羅敏斯克熱力機車廠專門生產球鐵曲軸，其長度為2480～3600mm，主軸頸直徑為220～250mm。比利時ACEC公司的鑄造廠生產的最大球鐵曲軸毛重達4t[10]。國內生產的最大的鑄造曲軸為廣州柴油機廠的12V320曲軸鑄件重量約6.5t[11]。曲軸的鑄造工藝，廣泛采用粘土砂震實與高壓造型工藝、鐵模覆砂工藝與樹脂砂重力鑄造工藝。曲軸造型澆注工藝一般有，平澆一平冷、平澆一立冷、立澆一立冷、斜澆一斜冷與斜澆一反立冷。在中大型球鐵曲軸生產方面，國內廣泛采用金屬型覆砂工藝生產。吠喃樹脂自硬砂具有操作簡便，鑄件表面質量好，精度高，砂型不必烘干，落砂容易清理等優(yōu)點，因此用自硬砂鑄型取代粘土砂干砂型生產大型鑄件是當前國內外鑄造業(yè)的共同發(fā)展趨勢。

4 小結及展望

在我國，小型曲軸主要采用模鍛或鑄造工藝生產；船用中高速柴油機曲軸的生產主要采用全纖維鍛造成形及鑄造，其中，全纖維鍛造曲軸由于金屬流線保存的好，具有較好的綜合力學性能，生產技術相對穩(wěn)定，應用較廣；球墨鑄鐵曲軸經(jīng)過適當?shù)臒崽幚砗笠簿哂休^好的力學性能，且制造成本低，推廣應用在中低功率柴油機上可取得較好的經(jīng)濟效益；低速船用柴油機曲軸現(xiàn)階段主要采用半組合式工藝生產。

（1）柴油發(fā)動機向著大功率、綠色環(huán)保的方向發(fā)展，對曲軸結構、力學性能及加工制造精度提出了更高的要求。所以，對于全纖維鍛造工藝的研究應集中在：a.進一步提高曲軸的強度、剛度等力學性能。比如，采用光坯直接擠壓方案，進一步提高曲軸外輪廓的金屬纖維連續(xù)性，使曲軸的疲勞強度更高。b.提高產品質量及精度，通過對鐓粗及壓彎力分別控制，對鐓粗過程中壓彎時機的合理選擇，模具相關參數(shù)的合理設計，進一步降低曲軸加工余量，提高材料利用率。c.要大力研發(fā)曲軸鐓彎成形的專用設備，雖然一次性投資較大，但可以大大縮短產品的制造周期，提高生產效率。

（2）球墨鑄鐵曲軸具有較好的力學性能，較短的制造周期和生產成本，在中小曲軸上，出現(xiàn)了以鑄代鍛的趨勢。對于大型船用鑄造曲軸的鑄造工藝及熱處理工藝還需進一步研究，明確相應的工藝參數(shù)及穩(wěn)定其生產工藝，要切實控制好大型鑄造曲軸的廢品率。

（3）雖然大型組合式曲軸我國于2005年才實現(xiàn)零的突破，但是產能擴張較快，如今，不僅滿足能國內需要，而且開始部分出口國外。組合式曲軸的曲拐毛坯鍛造難度較大，需要應用比例實驗、數(shù)值模擬分析等手段進一步研究曲拐的成形過程，減少鍛造余量，提高材料的利用率。要從理論上進一步研究毛坯和模具尺寸對成形過程的影響，減少成形缺陷。

參考文獻

[1]彭麗華.內燃機曲軸制造技術新論[J].金屬成形工藝，2004（2）：11-22.

[2]鄭會賽.大型船用曲軸曲拐鍛造新工藝及工裝研究[D].秦皇島：燕山大學，2012.

[3]朱明旗.以科技創(chuàng)新奠定世界第一造船大國基礎—8K90MC-C大缸徑船用柴油機曲軸下線[J].上海企業(yè)，2008（9）：30-31.

[4]余云嵐，張堅.我國船用低速大功率柴油機曲軸制造技術的發(fā)展[J].上海造船，2009（4）：38-41.

[5]李基棠.曲軸的制造關鍵在毛坯[A].2008中國船舶工業(yè)協(xié)會鑄鍛分會論文集[C].2008：129-130.

[6]張學忠，何文武，劉建生，等.大型曲軸彎曲鐓鍛技術的研究[J].機械工程與自化，2008（6）：198-200.

[7]郭志仁.國內外大型曲軸鍛造工藝及其裝置[J].重型機械，1983（3）：39-46.

[8]宋春堂，高劍波.大型曲軸鍛模的加工工藝[J].模具工業(yè)，1994（4）：49-51.

[9]左陽春，馮麗魁，趙恒義，等.大型曲軸的幾種成型方法及比較[J].熱加工工藝，2008（3）：130-132.

[10]張俊.關于8E350ZDC柴油機球墨鑄鐵曲軸的設計問題[J].武漢造船，1983（1）：25-49.

[11]周亙.中速柴油機球鐵曲軸鑄造技術現(xiàn)狀調研及質量問題探討[J].現(xiàn)代鋼鐵，1993（1）：21-31.