某出口內(nèi)燃機車曲軸鐓鍛成形工藝設(shè)計研究

文/何正海，杜紹貴，匡利華，單譽·中車資陽機車有限公司資陽曲軸分公司

王萬榮，金軍濤·寧夏長慶石油機械制造有限責(zé)任公司

針對某出口內(nèi)燃機車曲軸鍛件主軸頸開檔窄、曲柄臂厚度薄、平衡塊安裝面高的特點，進行鐓鍛成形難點分析，提出合理的曲柄臂設(shè)計方案和預(yù)上彎工藝，在數(shù)值模擬仿真技術(shù)的支持下，完成了該軸單拐和整軸鍛件的生產(chǎn)試制。

經(jīng)過多年的市場跟蹤與技術(shù)交流，2023 年年中與海外用戶簽訂了某新型鐵路內(nèi)燃機車曲軸組件樣件試制訂單。曲軸組件包含曲軸、曲軸齒輪、平衡塊、螺栓和彈性銷等，除曲軸成品以外，其余零件全部對外采購。曲軸技術(shù)要求高，材料為ASTM A983/983M-06(2011)標(biāo)準(zhǔn)的Grade 8A 合金鋼，超聲波探傷按美國軍事標(biāo)準(zhǔn)MILSTD-2154 執(zhí)行，即單個缺陷直徑不超過φ1.2mm，密集缺陷直徑不超過φ0.8mm；鍛件熱處理后的晶粒度應(yīng)為ASTM 8 級或更細，調(diào)質(zhì)力學(xué)性能要求：抗拉強度(Rm)≥1035MPa，屈服強度(Rp0.2)≥830MPa、伸長率(A50)≥14%(4D)、斷面收縮率(Z)≥40%，晶粒度等于或優(yōu)于8 級。曲軸成品幾何尺寸特征表現(xiàn)為窄主軸頸開檔、薄曲柄臂厚度、高平衡塊安裝面，鐓鍛成形以及長度控制難度大。該曲軸組件交付周期短，要求2023 年底交國內(nèi)廠家裝機后整機出口。作為曲軸成品制造的第一環(huán)節(jié)，能否有效解決鐓鍛成形以及長度控制兩個難點，直接關(guān)系樣件試制訂單能否按時、順利兌現(xiàn)。

曲軸幾何特征及鐓鍛成形難點分析

曲軸幾何特征分析

該曲軸長度3952mm，重量2522kg。主要由8 個曲拐和輸出端法蘭組成，圖1 為曲軸成品局部圖。曲軸主要幾何尺寸如表1 所示。從表1 可知。

表1 曲軸成品尺寸

圖1 成品局部圖

⑴主軸頸長度。曲軸成品主軸頸長度77mm，與其他型號的機車、船機曲軸相比，算是最小的，屬于典型的窄開檔曲軸。

⑵曲柄臂厚度。16 個曲柄臂厚度均為48mm，此前鐓鍛的曲軸曲柄臂厚度最小63mm。

⑶平衡塊安裝面高度。曲柄臂平衡塊安裝面距主軸頸中心172.5mm，相對于主軸頸直徑φ250mm，有47.5mm 的高差。

⑷主軸頸、連桿頸重疊度。主軸頸、連桿頸重疊度僅為連桿頸截面積的41%，相對于137.5mm 的沖程和183mm 的連桿頸長度，屬于典型的柔性細長軸。

鐓鍛成形難點分析

該曲軸為中小型曲軸，采用RR 法是最適宜的鐓鍛成形方法，不僅生產(chǎn)效率高，而且鍛造綜合成本較低。但曲軸的幾何特征造成以下鐓鍛成形難點。

⑴主軸頸長度小，會造成定位、夾緊擋板壽命偏低。

⑵曲柄臂厚度薄、截面積不大，其鐓鍛成形用料長度也不會大，因而其純鐓粗量必定偏小，不利于坯料向上聚集，在曲柄臂平衡塊安裝面與主軸頸高差大的情況下，曲柄臂極易塌角。

⑶主軸頸、連桿頸重疊度小，會導(dǎo)致曲柄臂鐓鍛定位及脫模時容易變形。

兩拐鍛件設(shè)計及鐓鍛成形試驗

兩拐鍛件設(shè)計

基于以往成功的經(jīng)驗，該曲軸鍛件在成品基礎(chǔ)上，綜合考慮機加工留量、熱處理變形、鐓鍛變形以及誤差，曲柄臂外圓周加放機加工余量20mm，連桿頸長度與主軸頸長度均加放12.5mm，平衡塊安裝面高度加放15mm，如圖2 所示。從圖2 可計算得知：

圖2 兩拐鍛件

⑴曲柄臂重量：90.5kg。

⑵單個曲柄臂坯料規(guī)格：φ280mm×195mm。

⑶曲拐長度356mm(2 個曲柄厚度+1 個連桿頸長度)。

⑷彎曲下模高度H下=372.5mm。

鐓鍛成形試驗

在完成相應(yīng)模具的制作后，我們進行了兩拐鍛件的成形試驗，成形試驗實物如圖3 所示。

圖3 兩拐成形試驗實物

從圖3 可以看出，曲柄臂平衡塊安裝面嚴(yán)重塌角，曲柄臂出現(xiàn)了一定的扭曲變形，且曲柄臂下半部位偏厚且有飛邊。這是因為曲拐鐓鍛時，純鐓粗量太小僅35.6mm，純鐓粗結(jié)束時坯料直徑約314mm 即半徑157mm，遠低于平衡塊安裝面高度187mm。錯拐時坯料被向下拉動，使曲柄臂鍛件下部偏厚并形成飛邊。

優(yōu)化設(shè)計與驗證

根據(jù)兩拐鐓鍛成形試驗結(jié)果，結(jié)合曲軸鐓鍛成形難點分析，對兩拐鍛件工藝設(shè)計參數(shù)進行了優(yōu)化調(diào)整，并采用數(shù)值模擬仿真分析和第二次鐓鍛成形進行效果驗證。

優(yōu)化調(diào)整內(nèi)容

⑴適量增加曲柄臂厚度。將曲柄臂連桿頸側(cè)加工余量增至19mm，主軸頸側(cè)加工余量不變，依然為12.5mm，以達到增加定位曲柄臂抗變形能力，解決曲柄臂變形問題。與此同時，增加余量等于增加用料長度，可起到增加純鐓粗量的目的，有利曲柄臂充滿。

⑵適量減小曲柄臂安裝面寬度。如圖4(a)、圖4(b)所示，使坯料更易向安裝面方向流動。

圖4 優(yōu)化前后曲柄

⑶適當(dāng)增大預(yù)上彎量，對彎曲下模進行優(yōu)化設(shè)計，使其預(yù)上彎量由26mm 增加至56mm，同時改進彎曲下模型腔底部圓弧面設(shè)計，避免預(yù)上彎時，坯料與彎曲下模外邊緣發(fā)生干涉形成夾層，如圖5(a)、圖5 (b)所示。

圖5 彎曲下模

⑷坯料規(guī)格由φ280mm×195mm 增加至φ286mm×200mm。

數(shù)值模擬仿真

在完成工藝設(shè)計參數(shù)優(yōu)化后，實施曲軸鐓鍛成形數(shù)值模擬仿真，模擬仿真結(jié)果如圖6 所示。

圖6 數(shù)值模擬仿真結(jié)果

從數(shù)值模擬仿真結(jié)果可以看出，優(yōu)化后曲拐成形滿足設(shè)計要求，曲柄臂平衡塊安裝面成形飽滿，曲柄臂外圓周面有飛邊產(chǎn)生。在整軸鐓鍛生產(chǎn)過程中，可在彎曲上、下模上設(shè)置飛邊槽，對于過大的飛邊也通過正火前熱態(tài)氣割的方式來解決。

第二次鐓鍛成形試驗

基于上述數(shù)值模擬分析，實施第二次鐓鍛成形試驗，以驗證兩者的相符性。第二次鐓鍛成形試驗實物如圖7 所示。從圖7 可知：曲柄臂平衡塊安裝面成形飽滿、曲柄臂主軸頸側(cè)外圓周有飛邊，與模擬結(jié)果相似。冷卻后平臺檢測結(jié)果表明，曲柄臂厚度、連桿頸長度、平衡塊安裝面高度、曲拐半徑滿足工藝設(shè)計要求。

圖7 第二次鐓鍛成形實物

整軸生產(chǎn)驗證

針對第二次鐓鍛成形試驗結(jié)果，在整軸生產(chǎn)前，一是在彎曲上、下模增加飛邊槽保證左右模座壓靠；二是在定位側(cè)增加第二定位模，減小曲軸鍛件彎曲同時改善曲柄臂受力變形。三是定位、夾緊擋板各準(zhǔn)備2 對以防變形。如圖8所示，整軸樣件平臺加工余量檢測結(jié)果滿足交驗要求，曲軸鍛件合格，可交付下工序。

圖8 整軸鍛件

結(jié)束語

⑴對于薄曲柄臂、高平衡塊安裝面曲軸鍛件，通常純鐓粗量偏小，不利于安裝面的成形，適當(dāng)增加純鐓粗和預(yù)上彎量，可以使坯料更多的向平衡塊安裝面方向集聚，有利于曲柄臂成形飽滿。

⑵對于柔性細長曲軸鍛件，定位側(cè)采用兩次定位是適宜的。

⑶彎曲上、下模上增加飛邊槽有利于鐓鍛壓靠，可有效控制曲軸鍛件長度。

⑷數(shù)值模擬仿真分析用于RR 法鐓鍛成形，可有效指導(dǎo)改善工藝設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化。