■南車(chē)資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司曲軸事業(yè)部 潘明明

曲軸鍛造及鍛后預(yù)備熱處理質(zhì)量控制

■南車(chē)資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司曲軸事業(yè)部 潘明明

論述了RR/TR法曲軸鐓鍛工藝過(guò)程中影響曲軸質(zhì)量和導(dǎo)致曲軸變形的各種因素，針對(duì)這些因素總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)給出一定的指導(dǎo)性解決方案，也提出了曲軸鍛后預(yù)備熱處理的變形控制方法。通過(guò)所提到的控制方法實(shí)施，曲軸鍛件質(zhì)量得到提升，曲軸制造成本下降。

1. RR/TR法曲軸鐓鍛工藝

曲軸是柴油機(jī)的關(guān)鍵零件，工作時(shí)曲軸受力狀況極其復(fù)雜，其制造質(zhì)量的好壞是影響柴油機(jī)性能和可靠性的重要因素，尤其是大中型柴油機(jī)曲軸，制造工藝復(fù)雜，其制造成本占柴油機(jī)制造成本的1/5～1/4。

（1）R R法曲軸鐓鍛工藝 由法國(guó)人R.Roedrer工程師于20世紀(jì)30年代末發(fā)明，又稱(chēng)“大型曲軸彎曲鐓鍛法”，是利用一種專(zhuān)用裝置，稱(chēng)為曲軸鐓鍛裝置，一個(gè)火次里將一定長(zhǎng)度的光坯料鐓鍛和彎曲成纖維連續(xù)的完整曲拐的工藝方法，通過(guò)逐拐變形便可得到金屬纖維連續(xù)的整體曲軸鍛件。圖1為其成形原理簡(jiǎn)圖。當(dāng)壓力機(jī)活動(dòng)橫梁下壓時(shí)，壓力機(jī)壓力借由上模架兩側(cè)四個(gè)斜壓面將壓力分解為鐓粗的水平力和彎曲的垂直力。隨著壓力機(jī)活動(dòng)橫梁的下壓，合在一起的上下模座在上模架的4個(gè)斜壓面作用下沿水平導(dǎo)軌向中心運(yùn)動(dòng)，固定在上下模座上的模具隨之?dāng)D壓坯料成形曲拐的曲柄臂，同時(shí)彎曲模向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行錯(cuò)拐，由此逐拐鐓鍛成形整支曲軸。

（2）T R法曲軸鐓鍛工藝 隨著柴油機(jī)功率的不斷發(fā)展和不斷生產(chǎn)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)RR鐓鍛法鐓粗力不夠，對(duì)鍛造壓力噸位要求大，一般50MN以上壓力機(jī)才能鍛出大功率中速機(jī)曲軸。基于上述原因，20世紀(jì)60年代，波蘭波茲南金屬成形研究所魯特教授成功研究了一種TR彎曲鐓鍛法。其原理與RR彎曲鐓鍛法相同，但彎曲鐓鍛裝置結(jié)構(gòu)比較優(yōu)越，能夠得到大得多的水平鐓粗力。其是通過(guò)肘桿機(jī)構(gòu)，把壓力機(jī)壓力分解為垂直彎曲分力和水平鐓粗分力，力的分配比較合理。在鐓鍛過(guò)程中，隨著肘桿傾角逐漸變小，水平鐓粗力逐漸增大，在鐓鍛終點(diǎn)時(shí)達(dá)到最大值，約為壓力機(jī)名義噸位1.2倍。

圖1 RR法曲軸鐓鍛成形

圖2 TR法曲軸鐓鍛成形

2. 影響曲軸鍛造質(zhì)量變形的因素

從RR/TR法曲軸鐓鍛工藝原理的介紹中我們可看出，RR法和TR法曲軸鐓鍛成形工藝原理是相同的，且均為逐拐成形。通常在某一曲拐成形時(shí)，將裝在模具中已經(jīng)成形的曲拐或法蘭一側(cè)稱(chēng)為定位側(cè)，如圖1右側(cè)所示，使用的模具稱(chēng)為定位模具，將尚未參與變形的一側(cè)稱(chēng)為夾緊側(cè)，如圖1左側(cè)所示，使用的模具稱(chēng)為夾緊模具。

影響曲軸鍛造質(zhì)量和變形的因素有曲軸鍛造加熱、曲軸鍛造過(guò)程支撐及曲軸鍛造脫模和曲軸鍛后正火熱處理。

（1）曲軸坯料加熱 曲軸坯料鍛造加熱是影響曲軸鍛造變形的最重要因素之一。目前我公司主要使用天然氣進(jìn)行曲軸坯料加熱，所使用設(shè)備稱(chēng)作曲拐加熱爐。曲拐加熱爐的質(zhì)量直接影響曲軸坯料的加熱質(zhì)量，同時(shí)也直接影響曲軸鍛造變形控制。

（2）爐溫均勻性 曲拐加熱爐爐溫均勻性直接決定了坯料溫度的均勻性，坯料溫度均勻性直接影響著曲軸鍛造成形質(zhì)量，坯料溫度越均勻，越有利于金屬流動(dòng)，爐溫均勻性差，則不利于金屬流動(dòng)，在曲軸坯料的鐓鍛成形過(guò)程中則容易出現(xiàn)曲柄臂成形不飽滿(mǎn)和大量鍛造飛邊的出現(xiàn)，爐溫均勻性直接決定著曲軸鐓鍛成形的成敗。

曲拐加熱爐的加熱氣氛直接影響坯料的氧化程度，理想的曲拐加熱爐氣氛為中性偏還原性氣氛，以減少曲軸坯料在加熱過(guò)程中的氧化。坯料在加熱過(guò)程中形成的氧化皮在鐓鍛過(guò)程中，隨著金屬的變形部分氧化皮剝落后落在成形模具型腔內(nèi)，隨著曲軸鐓鍛的進(jìn)行被壓入曲柄外圓或連桿頸頂部，嚴(yán)重影響曲軸鍛件余量；未剝落氧化皮在曲軸鐓鍛成形后會(huì)直接附著在曲軸上，如氧化皮較厚則同樣影響曲軸鍛件余量。

曲拐加熱爐本身質(zhì)量也是影響曲軸質(zhì)量的重要因素。在曲軸鍛造過(guò)程中，已成形的曲柄再次拐成形時(shí)參與定位，在曲軸鍛造過(guò)程中不希望參與定位的曲柄發(fā)生變形。曲拐爐質(zhì)量差或爐口尺寸與坯料直徑不匹配，在坯料加熱過(guò)程中，參與定位的曲柄被加熱，在定位時(shí)曲柄發(fā)生變形，曲軸質(zhì)量變差。

加熱支撐決定了曲軸在鐓鍛前的彎曲情況。曲軸坯料被加熱至鍛造溫度時(shí)，金屬材料塑性增加，在沒(méi)有良好支撐的條件下，曲軸坯料則在加熱后因坯料自重發(fā)生彎曲變形。已經(jīng)彎曲的坯料則在鐓鍛變形后曲軸本身肯定是彎曲的，且因不同曲軸曲拐角度不同，則不同曲軸存在不同程度的多段S形彎曲，此類(lèi)彎曲難以通過(guò)校直進(jìn)行修復(fù)，且此類(lèi)校直存在非常大的殘余應(yīng)力。

（3）鐓鍛過(guò)程 隨著壓力機(jī)活動(dòng)橫梁的下壓，通過(guò)斜面板或肘桿結(jié)構(gòu)將豎直向下的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為上下模座水平方向向中心運(yùn)動(dòng)，固定在上下模座上的模具隨之?dāng)D壓坯料成形曲拐的曲柄臂。同時(shí)，彎曲模向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行錯(cuò)拐，由此逐拐鐓鍛成形整支曲軸。在整個(gè)鐓彎過(guò)程中，鐓彎變形力非常大，如在支撐不足或不當(dāng)，和模具壓緊不實(shí)的情況下，曲軸坯料的鐓彎變形抗力會(huì)導(dǎo)致曲軸明顯的彎曲，且因曲軸曲拐方向不同，容易形成多段S形彎曲。

（4）曲軸脫模 曲軸鐓鍛為全封閉式模鍛，鐓鍛完成后曲軸脫模力較大，如脫模不當(dāng)，強(qiáng)行脫模，容易導(dǎo)致曲軸發(fā)生彎曲變形和曲柄臂發(fā)生扭曲變形，嚴(yán)重影響曲軸鍛件質(zhì)量。

（5）曲軸鍛后正火熱處理 曲軸鍛后正火熱處理的目的是消除曲軸鍛造殘余應(yīng)力，正火溫度在850℃以上，鋼材已達(dá)到奧氏體化溫度。為保證生產(chǎn)效率，一般曲軸裝爐量較大，存在多層裝爐情況，則在正火保溫溫度下因曲軸自重和其他曲軸施加的壓應(yīng)力導(dǎo)致曲軸發(fā)生變形，該變形一般是通過(guò)專(zhuān)用校直設(shè)備來(lái)消除，校直是利用正火的余溫進(jìn)行的。因校直工序曲軸存在變形殘余應(yīng)力，增加了退火工序用以消除校直殘余應(yīng)力。

3. 控制措施

（1）曲拐加熱爐爐溫均勻性 改進(jìn)燃燒燒嘴結(jié)構(gòu)，或使用平焰燒嘴，使在曲拐加熱爐爐膛內(nèi)部無(wú)明顯火焰，保證坯料加熱主要是通過(guò)熱輻射的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，則坯料溫度的均勻性得以提高，更有利于金屬鍛造成形，同時(shí)坯料局部過(guò)熱過(guò)燒風(fēng)險(xiǎn)降低。

（2）曲拐加熱爐燃燒氣氛控制 通過(guò)增加配比閥，天然氣根據(jù)鼓風(fēng)量進(jìn)行自動(dòng)配比保證充分燃燒，確保曲拐加熱爐燃燒氣氛為中性氣氛偏還原性氣氛。通過(guò)增加該控制閥，使得坯料氧化大幅減小，避免曲軸鍛造后氧化皮擠占曲軸加工余量。

我公司正在研制中頻電感應(yīng)加熱裝置，已完成某型曲軸的小批量試制。采用中頻感應(yīng)加熱曲軸坯料的溫度均勻性更高且坯料氧化很小。中頻感應(yīng)加熱不失為目前最好的曲軸坯料鍛造加熱方式。

（3）曲拐加熱爐質(zhì)量要求 要求曲拐加熱爐爐壁光滑平整，隨著曲拐爐的使用，爐膛耐火材料產(chǎn)生爐渣影響爐壁平整時(shí)必須及時(shí)清理爐渣，當(dāng)爐渣堆積較多時(shí)必須及時(shí)更換曲拐爐，以免因爐渣影響曲拐爐的爐溫均勻性。另曲拐爐爐口尺寸在方便觀察火色的情況下應(yīng)盡可能的小，一方面增加加熱效率，另一方面避免已成形曲柄被加熱。

（4）曲軸坯料加熱支撐 曲軸坯料被加熱至鍛造溫度時(shí)，金屬材料塑性增加，使用高度可調(diào)整的支撐小車(chē)，支撐小車(chē)可在曲拐加熱爐軌道上前后移動(dòng)，調(diào)整好支撐高度和選擇合理支撐點(diǎn)，盡可能地減少坯料在加熱時(shí)的變形，減小曲軸變形。

（5）曲軸鍛造支撐 曲軸鐓鍛過(guò)程支撐，減小曲軸在鍛造過(guò)程中因變形抗力非常大而導(dǎo)致的曲軸變形。曲軸種類(lèi)繁多，不同曲軸通過(guò)增加或減小墊片的方式來(lái)保證在曲柄成形過(guò)程中曲軸支撐貼實(shí)，同時(shí)支撐小車(chē)能夠在曲軸軸向方向上移動(dòng)以便于選擇合理的支撐點(diǎn)。通過(guò)合理的支撐，將曲軸鐓鍛過(guò)程中產(chǎn)生的變形抗力所帶來(lái)的曲軸變形趨勢(shì)抵消，盡可能減小曲軸變形。

（6）控制脫模形變 曲軸鍛造成形后脫模是通過(guò)橋式起重機(jī)給予整個(gè)曲軸豎直向上的拉力。鋼絲繩兩個(gè)施力點(diǎn)距離越大曲軸越易變形，但此時(shí)力矩較大，曲軸容易脫模。施力點(diǎn)間距離越小則曲軸越不易變形，但此時(shí)力矩小，曲軸不易脫模。為改善曲軸脫模時(shí)曲軸變形，選擇合理的施力點(diǎn)間距，利用頂出缸將曲軸頂起后，配合移動(dòng)缸將曲軸夾緊，下拉頂出缸配合橋式起重機(jī)起吊曲軸脫模，盡量減小曲軸彎曲變形和因脫模力巨大而引起的曲柄變形。

（7）正火前曲軸劃線檢查 在正火工序執(zhí)行之前，對(duì)毛坯曲軸鍛件進(jìn)行劃線檢查，主要檢查曲軸各曲拐開(kāi)檔余量情況和曲軸的彎曲情況，并在劃線檢查結(jié)果中給出曲軸彎曲對(duì)曲軸開(kāi)檔余量的影響，對(duì)正火工序曲軸裝爐給出指導(dǎo)意見(jiàn)，避免在正火溫度下因隨意裝爐后曲軸發(fā)生變形而影響后工序余量。

（8）正火變形控制 正火工序嚴(yán)格參照正火前劃線結(jié)果，通過(guò)控制裝爐方式，利用正火溫度下曲軸自重矯正曲軸彎曲而不影響曲軸開(kāi)檔余量。

對(duì)于曲軸中間及兩端有彎曲情況的曲軸，通過(guò)摸索總結(jié)出相應(yīng)措施，來(lái)矯正曲軸彎曲，具體措施如下：①不彎曲的曲軸塞緊楔鐵后，用錘子敲緊楔鐵。②彎曲度在5mm以?xún)?nèi)曲軸塞緊楔鐵。③彎曲度在5～10mm曲軸，塞緊后稍松楔鐵。④彎曲度在15～20mm曲軸，根據(jù)情況懸空8～12mm。⑤彎曲度在25～30mm的曲軸，懸空15～20mm。⑥細(xì)長(zhǎng)的8拐以上曲軸，必須有4個(gè)以上的支撐點(diǎn)。⑦裝爐時(shí)，所有曲軸第一支撐點(diǎn)和最后一支撐點(diǎn)與曲軸接觸部位必須用楔鐵塞緊。曲軸中部必須懸空，使用用楔鐵和墊片調(diào)整支撐點(diǎn)間隙控制變形范圍。

數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計(jì)分析表明，90%以上曲軸通過(guò)正火變形控制和曲軸彎曲矯正無(wú)需校直，即可滿(mǎn)足后序機(jī)加工要求，則90%以上曲軸無(wú)需退火工序。

4. 結(jié)語(yǔ)

影響曲軸鍛造質(zhì)量和變形的因素有曲軸鍛造加熱，曲軸鍛造過(guò)程支撐及曲軸鍛造脫模和曲軸鍛后正火熱處理。

改進(jìn)優(yōu)化曲拐加熱爐或投入使用中頻電感應(yīng)加熱裝置來(lái)保證曲軸的加熱質(zhì)量，同時(shí)做好坯料加熱支撐來(lái)確保曲軸坯料鐓鍛前的直線度；鐓鍛過(guò)程選擇合理的支撐點(diǎn)防止曲軸在鐓鍛時(shí)發(fā)生彎曲變形和利用壓力機(jī)做好脫模減小曲軸彎曲和曲柄臂變形；增加正火前的劃線檢查，嚴(yán)格要求正火裝爐方式控制正火變形。各項(xiàng)措施的執(zhí)行不僅保證了曲軸鍛件質(zhì)量和控制曲軸彎曲變形，也因曲軸彎曲控制而取消了校直工序和去應(yīng)力退火工序，降低了曲軸制造成本。

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20150706