特大型船用曲軸成形的多向模鍛工藝

曹峰華, 任 杰, 牛龍江

(上海電機學院 材料學院, 上海 201306)

大型船用曲軸是大型船舶發動機的核心部件,隨著造船業的蓬勃發展，大型船用曲軸需求量巨大[1-3]。曲軸工作時始終承受交變載荷的作用，服役環境惡劣，性能要求高[4，5]。制造優良性能的曲軸一直是各國從業人員研究的重點領域。

大型曲軸尺寸及質量巨大，單件曲軸質量達數十乃至百余t，難以整體鍛造成形，一般采用半組合式結構，即由輸出端軸頸、自由端軸頸、中間主軸頸和曲拐組成[6，7]。而其中的曲拐由于質量大、性能要求高、成形困難是整個曲軸制造的關鍵難點。大型曲拐的毛坯自由鍛成形有環鍛法、塊鍛法及彎鍛法等[8-11]。前兩種方法鍛造時留有大量的余塊，后續機械加工量大、成本高。在機械加工的過程中，金屬纖維被切斷，鍛件的性能難以得到保證。因此，目前各國已經基本不采用這兩種方法成形。彎鍛法由于成形簡單，操作方便，所得鍛件金屬纖維完整，是目前應用較廣泛的曲拐成形方法。但彎鍛法也存在諸多不足，如成形過程中容易出現折疊、縮腰、減薄等缺陷[12-16]，并且曲拐銷部難以按零件形狀成形，導致材料利用率仍然很低。日本室蘭制鋼所于20世紀80年代曾采用插板模鍛曲拐，該方法原理簡單，鍛造工序少，質量和材料利用率都得到大幅度提升。但該成形方法模具裝拆操作復雜；后續脫模困難，不斷增加的曲拐新品種及單件小批量的訂貨又導致模具成本較高。因此，該方法目前應用較少。為提高成形精度、性能質量和成本效率，研究一種成形件質量高、成本低的曲拐制造方法，是大型曲軸乃至船舶行業發展的重點課題。

多向模鍛作為一種節能省材、加工精密的制造技術，已經被應用于諸多鍛件的成形。它是在多向模鍛液壓機上，利用多分模面的組合模鍛，使加熱后的毛坯在壓機一次行程的作用下，形成高精度的形狀復雜鍛件的專用工藝[17-19]。本文以減少加工余量、提高材料利用率為目的，提出了一種特大型船用曲拐成形的多向模鍛工藝。利用數值模擬及物理實驗相結合的方法，驗證分析了該工藝的可行性，對后續低成本生產曲拐有重要指導意義。

1 曲拐多向模鍛工藝設計

1.1 曲拐多向模鍛工藝方案

結合曲拐的幾何特征，利用多向模鍛液壓機垂直方向能提供合模力及穿孔力的特點，本曲拐多向模鍛成形設計了兩步工序：工序1曲拐銷成形，將經過預鍛的熱態毛坯放入模腔內，合模后利用穿孔缸連接的壓實模直接強壓型腔內的熱毛坯,使坯料充滿型腔，一方面有利于毛坯內疏松及空洞的壓實，另一方面可以成形曲拐銷；工序2曲拐臂成形，更換壓實模為擠壓凸模，將工序1所得預鍛鍛件周身切皮3 mm,其目的是為了使終鍛坯料容易再次放入型腔，將終鍛坯料回爐加熱至固定溫度，熱態料放入型腔，利用擠壓凸模反擠壓成形曲拐臂。

1.2 曲拐多向模鍛工裝設計

根據上述工藝方案，所設計的曲拐多向模鍛成形工裝結構如圖1所示。工裝主要包括：上合模套、模腔、下合模套、凹模及附件等，上合模套由上合模板通過擋板、連接銷與下插件連接而成。模腔由動半模腔和靜半模腔閉合而成，其中動半模腔固定在下合模套上，靜半模腔固定在墊板上。上合模套與多向模鍛壓機橫梁固定連接，壓實模、擠壓凸模先后與穿孔缸固定連接。該工裝結構主要特點是無需單獨增加脫模工序，在鍛造完成后利用氣缸可以直接將模具與鍛件分離，并且可以通過調節脫模板及墊板的尺寸來成形不同尺寸的曲拐。節約了因尺寸不同而增加的模具成本。

工藝過程：按要求連接各部件，將工裝放置在壓力機工作臺，定位對中，氣缸拉動下合模套至固定位置，使動半模腔、靜半模腔及凹模形成一個開口向上的型腔。放入熱態坯料，上合模套在壓機橫梁的帶動下，下行固定動、靜半模型腔；裝有壓實模的穿孔缸下行壓實至預定位置；穿孔缸、合模缸先后回程、移動工作臺開出，氣缸推動下合模套開模，取出工件待冷，工序1完成。將冷卻后的預鍛坯周身切皮3 mm，進爐加熱保溫，同時將壓實模更換成擠壓凸模，移動工作臺開入，裝料、合模，進行反擠壓。取料過程與工序1相同。至此，曲拐的成形完成。

圖1曲拐多向模鍛成形原理工裝結構圖

1.3 坯料設計

本文以70機曲拐零件圖為例，在相應的區域放置余量或余塊，所得鍛件如圖2所示，利用多向模鍛成形的鍛件的材料利用率可達68%，相比彎鍛成型工藝，材料利用率得到大幅度提升。利用鋼錠鍛造下料制成如圖3所示毛坯。

圖2 曲拐鍛件圖

圖3 曲拐毛坯圖

2 曲拐多向模鍛工藝成形有限元分析模型

船用曲拐材料為S34MnV，將測定的S34 MnV應力應變關系曲線導入forge軟件。為簡化模擬計算，工裝的輔助部件均略去，僅保留型腔、凹模、凸模。取1/2的模型進行計算。坯料選用四面體網格單元進行網格劃分，單元數98 664個。曲拐的多向模鍛分2個工序：壓實與反擠壓，其有限元模型如圖4所示。

圖4曲拐多向模鍛工藝成形有限元分析模型

3 模擬結果分析

3.1 金屬流動規律分析

圖5(a)和圖5(b)為壓實過程的金屬流動情況。整個壓實過程中，坯料中部金屬變形量較小，與凸模接觸的上端部坯料及與凹模接觸的下端部坯料金屬流動較快，產生較大變形，下端部坯料被擠入凹模型腔形成曲拐銷，上端部坯料被壓成預定弧形狀。圖5(c)和圖5(d)為反擠壓過程的金屬流動情況，兩曲臂金屬隨著擠壓凸模的下行而向上流動，直至預定高度。

圖5成形不同階段的速度分布圖

3.2 等效應變分析

從圖6等效應變分布云圖可以看出：壓實階段，坯料主要塑性變形區集中在與凸模接觸的上端部及與凹模接觸的下端部，擠壓階段主要塑性變形區集中在與擠壓凸模接觸的兩曲臂。在整個變形過程中，擠壓凸模底部接觸的坯料變形最激烈，此處等效應變值最大。

4 實 驗

為進一步驗證工藝方案的可行性，在6.5 MN多向模鍛液壓機(合模缸5 MN、穿孔缸1.5 MN)上進行了1∶10比例實驗，如圖7所示。實驗結果表明，利用多向模鍛成形曲拐鍛件效果良好，所設計的方案切實可行。

5 結 語

(1) 結合多向模鍛液壓機的特點，提出了大型曲拐的多向模鍛成形工藝方案，并設計了成形工裝。成形鍛件材料利用率達68%，較目前彎鍛工藝，材料利用率得到大幅度提升。

(2) 利用forge軟件對曲拐的多向模鍛成形過程進行了三維有限元數值模擬，分析了金屬流動情況和等效應變變化規律。

(3) 利用6.5 MN多向模鍛液壓機進行了1∶10比例實驗，成形效果良好，進一步驗證了工藝方案的可行性。

參考文獻

[1] 張文平,周倩.船用曲軸的制造工藝現狀介紹[J].科技創新與應用,2016(6):88-89.

[2] 滕啟臣,張曉宇.淺議大型船用曲軸毛坯的鍛造[J].鍛壓裝備與制造技術,2010(5):61-65.

[3] 唐衛宏,滕啟臣,曲貴龍.大型船用曲軸的鍛造[J].金屬加工(熱加工),2010 (3):46-49.

[4] HENRY J P,TOPLOSKY J, ABRAMCZUK M.Crankshaft durability prediction-a new 3-D approac[EB/OL].[2018-01-08].http://paperuri:(0da2lf8927509e4a1e3cb285e0384544).

[5] 孫明月,李殿中,李依依,等.大型船用曲軸曲拐的彎鍛過程模擬與實驗研究[J].金屬學報,2005,41(12):1261-1266.

[6] SUN Jun,FU Yonghong,DENG Mei,et al. Optimization design of crankshaft bearing combining crankshaft strength factor[J]. Transactions of CSICE(Chinese Society for Internal Combustion Engines),2009,27(1):92-95.

[7] 宋士丹,胡朝備.特大型船用曲軸曲拐鍛造工藝研究[J].大型鑄鍛件,2001 (1):11-13,22.

[8] 胡朝備,王海君,董慶江,等.特大型船用曲軸曲拐鍛造工藝研究[J].一重技術,1998(2):18-21.

[9] 朱文寶. K98MC-C船用曲軸曲拐鍛造成形工藝研究[D].秦皇島：燕山大學,2010.

[10] 王菁. 船用305曲軸曲拐鐓鍛成形工藝研究[D].秦皇島：燕山大學,2009.

[11] 何文武,張學忠,劉建生,等.大型全纖維曲軸的鐓鍛成形工藝研究[J].大型鑄鍛件，2008(3):1-3.

[12] ZHANG YJ, HUI W J, DONG H. Hot forging simulation analysis and application of microalloyed steelcrankshaft[J]. Journal of Iron and SteelResearch,2007,14(5):189-194.

[13] 杜紹貴,毛章雄,周杰,等.大型全纖維曲軸TR法成形研究[J].金屬加工(熱加工),2008(15):20-23.

[14] 萬煦義.大中型全纖維曲軸鍛造方法的探討[J].大型鑄鍛件，2006(3):45-52.

[15] 武玉波. 船用大型組合式曲軸曲柄鍛造工藝的數值模擬及實驗研究[D].秦皇島：燕山大學,2005.

[16] HO S, LEE Y L, KANG H T,et al. Optimization of a crankshaft rolling process for durability[J].International Journal of Fatigue, 2009,31(5):799-808.

[17] 任運來,聶紹珉,苗雅麗.多向模鍛技術的發展及應用[J].重型機械,2014(4):1-8.

[18] 任運來,牛龍江,曹峰華,等.多向模鍛工藝與設備的發展[J].上海電機學院學報，2014,17(3):125-131.

[19] 林峰,張磊,孫富,等.多向模鍛制造技術及其裝備研制[J].機械工程學報，2012,48(18):13-20.