S90級船用曲拐擠壓成形試生產(chǎn)研究

張彥娟， 孫統(tǒng)輝， 任 杰， 張瑞華

（1.洛陽中重鑄鍛有限責任公司， 河南 洛陽 471039；2.中信重工機械股份有限公司， 河南 洛陽 471039；3.上海電機學院， 上海 201100）

0 引 言

曲軸是機器傳遞動力與運動或運動方式轉(zhuǎn)換的零件，廣泛用于以內(nèi)燃機為動力的機器。在大型船舶中曲軸被譽為“心臟”中的部件，承擔船舶發(fā)動機動力的輸出，是整個機械動力系統(tǒng)的推動源[1-3]。大型船舶的曲軸服役中既承擔巨大的載荷，又工作于潮濕、酸性的環(huán)境中，因此，其物理性能要求高，如強度、剛度以及耐磨性等；曲軸在組織上也要求嚴格，必須內(nèi)部缺陷數(shù)量少，纖維組織分布合理。此外還要求鍛件的材料利用率高，以期達到良好的制造經(jīng)濟效益。

當曲軸的尺寸、質(zhì)量比較大時，實現(xiàn)其整體制造有技術(shù)與經(jīng)濟兩方面的困難。因此，當主軸頸超過300 mm后采用組合結(jié)構(gòu)，由4種零件組合而成，即輸入端、曲拐、主軸頸和輸出端，其中曲拐是形狀復雜、質(zhì)量大、數(shù)量多和承載復雜的零件，圖1所示為S90級曲軸和裝配前的曲拐零件，曲軸質(zhì)量為19.8×103kg。

圖1 S90級曲軸和裝配前的曲拐零件

為保證大型船舶航行的安全性，曲拐采用冶煉鑄錠、鍛造制坯、切削加工和熱處理的工藝進行生產(chǎn)，鍛造起著改善鑄錠組織、為切削加工提供良好形狀的坯料、為熱處理做好組織準備的作用，曲拐鍛造工藝經(jīng)歷了如下發(fā)展過程。

（1）塊鍛法：根據(jù)曲拐的尺寸，將鋼錠鍛造成長方體狀，然后按曲拐厚度分段切開，得到曲拐鍛坯，如圖2所示。其特點是鍛造成形容易，不需要工裝模具，鍛造火次少，但金屬纖維分布不合理，材料利用率低，后續(xù)加工量大，經(jīng)濟效益差，已被淘汰[4]。

圖2 曲拐塊鍛法

（2）環(huán)鍛法：采用中空鋼錠或沖孔的鍛坯進行擴孔，再鍛成扁方環(huán)，從中間切斷成形為U型坯料，得到2個曲拐鍛件，如圖3所示。其特點是材料利用率能提高，減少了后續(xù)切削的工作量，金屬纖維連續(xù)、分布合理，但鍛件成形工序多且復雜，工裝模具更換多，效率低，所以應用較少。

圖3 曲拐環(huán)鍛法

（3）彎鍛法：其是目前國內(nèi)外應用最多的方法，將鋼錠鍛成曲拐展開的形狀，然后彎曲成形，壓平修整得到鍛件，如圖4所示。其特點是金屬纖維連續(xù)分布合理，工裝模具簡單，操作方便，成形容易，但在曲拐銷處容易產(chǎn)生折疊、超寬、缺料等缺陷，且鍛件材料利用率低，目前多用于小批量生產(chǎn)。

圖4 曲拐彎鍛法

（4）臺模鍛法：鋼錠先鍛成長方形截面的毛坯，然后放入淺凹模中成形曲拐頸端，再從上端沿對稱面將坯料切開，放倒拔長兩臂并精整，如圖5所示。其主要缺點：①施壓工序多，需采用3種凸模順序施壓，更換凸模頻繁、時間長，降低了生產(chǎn)效率；②生產(chǎn)的鍛件尺寸精度差，材料利用率低，后續(xù)加工量大，技術(shù)與經(jīng)濟效益較差。

圖5 曲拐臺模鍛法

鑒于國內(nèi)外曲拐鍛造技術(shù)的不完善和機械制造業(yè)的生產(chǎn)與發(fā)展對其巨大的需求，現(xiàn)研究一種新的擠壓技術(shù)生產(chǎn)曲拐。

1 曲拐擠壓成形技術(shù)

1.1 曲拐鍛造難點

組合曲軸用于大型船舶及其它大型機器，對其需求雖有一定的數(shù)量，但遠少于用于普通車輛的小尺寸曲軸的數(shù)量。就大型船舶制造需求的組合曲軸，約需500～800根，相應曲拐的數(shù)量為4 000～6 000個，其曲拐的質(zhì)量在10×103kg以上，實現(xiàn)曲拐近凈鍛造存在以下難點。

（1）難以采用常規(guī)的模鍛工藝。通常小尺寸曲軸的生產(chǎn)是采用專用模鍛生產(chǎn)線，如機械壓力機熱模鍛、液壓螺旋壓力機模鍛以及錘上模鍛生產(chǎn)線，既能較好地滿足產(chǎn)品技術(shù)要求，又滿足大批量生產(chǎn)，且投資不大。然而曲拐質(zhì)量大，所需生產(chǎn)線設備的壓力大，投資大，又因產(chǎn)量少，設備開動率低，導致技術(shù)與經(jīng)濟的綜合效益差。目前還沒有曲拐模鍛專用生產(chǎn)線，其鍛造都是在通用鍛壓設備上進行，如大型自由鍛液壓機或擠壓液壓機，這給提高曲拐鍛件的尺寸精度和生產(chǎn)效率造成了困難[5]。

（2）曲拐的尺寸大形狀復雜。由圖1可知，曲拐不僅尺寸大，而且形狀復雜，加熱保溫時間長，表面氧化嚴重，粘連的氧化皮易造成表面局部凹坑而缺料；通用鍛壓設備難以成形復雜的形狀，這使實現(xiàn)曲拐的小余量鍛造更加困難，也是目前曲拐鍛件材料利用率低的原因之一，目前曲拐鍛件與交貨零件的質(zhì)量比為2.1∶1，即鍛件材料利用率不到50%[6]。

（3）實現(xiàn)高生產(chǎn)效率和低能耗困難。通常電站用鍛件的價格高于船用鍛件的價格，如轉(zhuǎn)子價格是曲拐的近2倍，但曲拐的形狀要比轉(zhuǎn)子復雜，其鍛造成形需要的火次多，中間需更換的工具與輔具多，實現(xiàn)高生產(chǎn)效率和低能耗困難[7]。

1.2 曲拐擠壓成形方式選擇

1.2.1 曲拐的形狀特點與成形方式選擇

由圖1（a）、（b）可知，大型曲拐由兩曲臂和連桿頸組成，曲臂與曲軸主軸頸連接的一端稱為曲拐的主軸頸端，因服役與組裝的需求，此端為半圓形，并開有大的主軸孔；另一端與連桿頸制為一體，常稱為連桿頸端，因?qū)ΨQ關(guān)系，曲拐成U形，為減小旋轉(zhuǎn)運動的質(zhì)量，此端設計為近似錐狀截面；曲臂的中間段接近矩形厚板，間距較窄，通常小于兩臂的壁厚[8]。

基于大型曲拐的形狀特點，采用擠壓方式成形比較合適，其原因：①除兩端外，兩臂外形和其間距都近似為等截面，且長度較長，適合擠壓成形；②連桿頸和兩臂間距可一次擠壓成形；③兩端部的形狀可借助擠壓凸模與凹模兩端施壓成形。

1.2.2 曲拐形狀及擠壓工序的制定

由于曲拐的尺寸質(zhì)量大，目前沒有合適的軋制坯料，只能采用冶煉、鑄錠、鍛制坯的生產(chǎn)工藝，具體工藝流程：冶煉→鑄錠→加熱→自由鍛制坯→加熱→表面清理→擠壓成形→熱處理→切削加工。擠壓前的坯料形狀為長方體形，如圖6（a）所示，形狀簡單，便于自由鍛制坯，也便于擠壓前的表面清理。

由圖1可知，曲拐的主軸孔徑較大，受設備的運動自由度少和孔局部壁薄的限制，直接鍛造困難，留待后續(xù)切削加工制造。若采用擠壓成形不僅可節(jié)省材料，而且可減少相應的切削加工量，擠壓后的曲拐如圖6（b）所示。

圖6 曲拐的擠壓成形

1.3 曲拐擠壓模的結(jié)構(gòu)與工藝過程

1.3.1 曲拐擠壓模結(jié)構(gòu)

圖7所示為曲拐擠壓模結(jié)構(gòu)，由擠壓凸模、擠壓筒和擠壓凹模構(gòu)成

圖7 曲拐擠壓模結(jié)構(gòu)

1.3.2 曲拐擠壓成形過程

（1）擠壓模位于擠壓機動梁與移動工作臺之間，擠壓筒固定在移動工作臺上，擠壓凸模固定在動梁下面，擠壓模中心線與擠壓機中線重合。為便于將坯料放入擠壓凹模內(nèi)，擠壓前需將擠壓凹模隨擠壓筒從擠壓機正下方移出。曲拐的擠壓坯料質(zhì)量為10×103kg以上，加熱后的坯料需用吊鉗夾置放入凹模，如圖8所示。

圖8 移出擠壓筒放置坯料

（2）坯料放入凹模后，需將凹模隨擠壓筒移到擠壓機的工作位置，擠壓模中心線與擠壓機中線重合。擠壓機動梁帶動擠壓凸模下行進行擠壓，直至擠壓凸模到規(guī)定的位置，完成曲拐的擠壓成形，如圖9所示。

圖9 移入擠壓筒并擠壓成形

（3）完成曲拐的擠壓成形后，為減少模具受熱回火和取出擠壓成形的曲拐，擠壓凸模在擠壓機動梁帶動下，迅速退回，脫離擠壓凹模，如圖10所示。

圖10 擠壓凸模退出

（4）擠壓凸模退出后，擠壓機的下頂出機構(gòu)將成形的曲拐頂出，擠壓凹模隨擠壓筒從擠壓位置移出，再利用吊鉗將擠壓成形曲拐取走，如圖11所示。隨后進行下一次的曲拐擠壓成形，如此循環(huán)完成曲拐擠壓生產(chǎn)。

圖11 取出擠壓成形的曲拐

2 曲拐擠壓成形的數(shù)值模擬研究

為驗證曲拐擠壓成形技術(shù)方案的可行性，了解擠壓成形過程中材料的流動規(guī)律和變形分布，計算擠壓成形所需的載荷，采用數(shù)值模擬方法進行研究。

2.1 曲拐擠壓成形的數(shù)值模擬

2.1.1 力學模型

采用鍛造商業(yè)軟件forge進行數(shù)值模擬，擠壓模的材料選用模具鋼L6，坯料擠壓變形的初始溫度為1 230 ℃，模具的預熱溫度為350 ℃，擠壓速度為30 mm∕s，采用常摩擦條件，摩擦因子取0.7，模具零件與坯料間的換熱系數(shù)為60 W∕(m2·℃)，數(shù)值模擬的力學模型如圖12所示。

圖12 數(shù)值模擬的力學模型

2.1.2 曲拐擠壓成形過程的模擬

材料多樣且裝飾豐富的蓋碗茶具，適應著現(xiàn)代茶事活動需求，依然活躍在茶空間中。工藝及裝飾保留優(yōu)秀傳統(tǒng)技藝的同時與時俱進，形制上并無明顯突破，依舊是傳統(tǒng)的氣質(zhì)。功能上的新發(fā)展，使其漸漸成為適應各類茶事活動需求的不可或缺的一類茶具（如圖10）。

為了解曲拐擠壓成形的過程，在凸模的擠壓行程中取6個行程點觀察坯料的變形，分別是初始毛坯、擠壓行程分別為20%、40%、60%、80%、100%。擠壓坯料的成形狀況如圖13所示。

圖13 曲拐擠壓的坯料變形過程

2.1.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

由于曲拐的曲臂厚度大于兩臂間距，因而凸模較窄，擠壓成形過程分為2個階段，其分界點約在凸模行程80%處。

在凸模完成行程的80%前，此階段的變形主要集中在凸模下方與兩臂內(nèi)側(cè)，主軸頸端的兩臂內(nèi)側(cè)有一定的塌角，其是在擠壓的最初階段形成，當超過行程的20%后，塌角不再變化。此階段主要是劈開坯料、初步形成兩臂，兩端的成形較少。曲拐擠壓成形的載荷行程曲線如圖14所示，載荷增大緩慢且較小。

當超過行程的80%后，兩臂頂端處的坯料開始與凸模接觸并逐漸成形，此階段的擠壓載荷隨行程的增加而迅速增大，迫使兩端材料流向兩端深處，完成整個曲拐的成形。

2.2 曲拐擠壓成形的載荷計算

圖14 曲拐擠壓成形的載荷行程曲線

3 曲拐擠壓成形的生產(chǎn)試驗

曲拐擠壓成形的生產(chǎn)試驗包括鋼水冶煉、鑄錠、鋼錠加熱、自由鍛制坯、坯料加熱、坯料表面清理、擠壓成形、鍛后熱處理等全部技術(shù)過程。現(xiàn)進行曲拐的擠壓成形試驗，試驗件是S90曲拐，零件交貨質(zhì)量為16.7×103kg，擠壓后曲拐坯的質(zhì)量為27×103kg，擠壓后曲拐坯質(zhì)量是交貨零件的1.61倍。擠壓機的工程載荷為500 MN，擠壓過程中液壓系統(tǒng)顯示擠壓力為420 MN。曲拐擠壓成形的主要工藝過程如圖15所示。

圖15 曲拐擠壓生產(chǎn)試驗

生產(chǎn)試驗后，對擠壓成形的曲拐進行尺寸測量，滿足曲拐的后序機械加工的尺寸要求，試驗設備系統(tǒng)顯示，最大擠壓載荷為420 MN。說明采用擠壓成形方式進行曲拐生產(chǎn)可行。但在大批量生產(chǎn)中需注意以下環(huán)節(jié)。

（1）擠壓前坯料的形狀尺寸精度控制。擠壓前坯料的形狀尺寸精度是影響曲拐擠壓成形結(jié)果和擠壓順利進行的重要因素，當其精度過低時會導致2種不利結(jié)果：一是坯料尺寸大或形狀不規(guī)范，加熱后難以放入擠壓筒內(nèi)，導致無法進行擠壓；二是坯料尺寸小或形狀不規(guī)范，坯料與擠壓筒間隙大且不均勻，擠壓成形的曲拐兩臂長短不一，壁厚差別大。

（2）去除坯料的表面氧化皮。曲拐質(zhì)量大，擠壓前加熱、保溫時間長，出爐后表面有一層厚的氧化皮，若沒有去除干凈，會造成局部尺寸缺少而不合格，同時損傷模具。

（3）適當提高加熱溫度。曲拐兩端形狀是最后成形，此時端部材料的溫度降低較明顯，變形流動困難，端部難以成形飽滿，也導致擠壓載荷提升劇烈，適當提高加熱溫度可緩解或消除上述現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

針對目前曲拐鍛造技術(shù)現(xiàn)狀，提出了一種新的擠壓成形技術(shù)，以S90級曲拐為例，制定擠壓件的尺寸并設計了擠壓模，采用數(shù)值模擬方法模擬不同行程下坯料的成形狀況，計算了擠壓力載荷，并進行擠壓生產(chǎn)試驗，試驗結(jié)果表明：擠壓件的尺寸不僅可以滿足后續(xù)的機械加工要求，而且擠壓件的質(zhì)量與交貨零件的質(zhì)量之比僅為1.61∶1.0，數(shù)值模擬結(jié)果與生產(chǎn)驗證結(jié)果相差不大。