楊萬彪 張俊彥

(石鋼京誠裝備技術(shù)有限公司，遼寧115000)

大型船用曲軸重量大，加工精度要求高，制造技術(shù)難度大，其制造能力及水平標志著一個國家的造船工業(yè)水平。目前國際上大型船用曲軸市場由日本、韓國、捷克、西班牙等少數(shù)幾個國家高度壟斷著，大連重工曲軸毛坯大部分采用韓國和日本的毛坯。目前國內(nèi)受制于曲柄制造技術(shù)及成本，沒有大批量生產(chǎn)大型曲柄毛坯的廠家，所以急需開發(fā)出一種成型的、節(jié)約成本的曲柄毛坯制造工藝。

1 曲軸性能要求

船用曲軸良好的內(nèi)部組織、合理的金屬流線以及較高的尺寸精度與其制造工藝是密不可分的，鍛造成形的曲軸中，小型曲軸可以采用整體鍛造法，最終得到全纖維曲軸，這種曲軸主要用于配有中小型發(fā)動機的中小型船舶，對于大中型船用曲軸則受到設(shè)備及工藝的限制只能采用自由鍛的方法進行生產(chǎn)。組合式船用曲軸的制造難度相對前者來說要大得多。

2 曲柄主要制造方法

(1)塊鍛法，缺點是加工余量大，成本高，而且質(zhì)量很難達標，廢品率比較高。

(2)環(huán)鍛法，其缺點是該工藝對設(shè)備和工人的操技能要求很高，生產(chǎn)中不易實現(xiàn)，而且鍛件中仍然存有氣孔的危險。

(3)模鍛法，主要缺點是不同型號的曲拐需要用不同的模具，生產(chǎn)成本相對較高，尤其是利用模鍛法生產(chǎn)大型船用曲軸曲柄時要求壓力機有很高的噸位，此外對模具的強度也有非常高的要求，在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用不易實現(xiàn)。

(4)鐓鍛法，該方法的缺點是生產(chǎn)中的制造成本太高，不適合小批量生產(chǎn)。

(5)彎鍛法，彎鍛法是目前我國生產(chǎn)大型船用曲軸曲柄普遍采用的一種方法，該法主要包括彎曲鍛造和壓平兩個階段。彎鍛法成形容易，操作簡便，金屬纖維流向好，對壓機噸位要求不高，機械加工量相對塊鍛法和環(huán)鍛法小，模具制造成本低?，F(xiàn)在國內(nèi)外采取的彎曲鐓鍛法主要有RR、TR、NTR、NRR法。

以上介紹的幾種彎鍛方法的主要問題是：(1)兩曲柄內(nèi)側(cè)底部有嚴重褶皺，外側(cè)出現(xiàn)外凸和內(nèi)凹，曲柄銷處也出現(xiàn)嚴重內(nèi)凹，有的內(nèi)凹都超過了加工面，加工后內(nèi)凹帶有局部黑皮。(2)有的為了把褶皺除掉采用加大加工余量，這樣大大增加了成本，有的鋼錠利用率還不到25%。

3 曲柄毛坯成型方法研究

我們發(fā)明1種新的全纖維鍛造彎壓成型方法，這種新方法不同于RR、TR、NTR、NRR方法，這幾種方法的共同原理是采用鐓鍛-彎曲鍛造兩步成型。我們的方法是鐓鍛-加工-彎曲三步成型。

具體成型過程如下：

(1)第一步由鋼錠到鍛件的自由鍛造，按照曲柄的粗加工調(diào)質(zhì)圖，根據(jù)曲柄性能要求選擇好鍛造比，算出鋼錠。第一步就是把鋼錠鍛造成蝴蝶狀毛坯，這一步利用鐓粗、拔長過程滿足曲柄的鍛造比要求，鍛后鍛件我們稱為蝴蝶狀毛坯。鍛造過程示意圖如圖1所示。

圖1 鍛造過程示意圖Figure 1 Schematic diagram of forging process

圖2 蝴蝶狀毛坯加工示意圖Figure 2 Machining schematic diagram of butterfly-shaped forging blank

圖3 下模具與上錘頭Figure 3 Bottom moulds and top hammer

(2)第二步加工蝴蝶狀毛坯，尺寸滿足粗加工圖，蝴蝶狀毛坯鍛完、熱處理出爐后轉(zhuǎn)機加工序，加工到滿足粗加工尺寸(粗加工尺寸根據(jù)精加工尺寸厚度方向加余量)，如圖2所示。

(3)第三步成型，把加工好的蝴蝶狀毛坯利用壓機和模具壓力成型。模具如圖3所示。

把加工后的蝴蝶狀毛坯加熱后，平放在下模具上，用上錘頭向下壓，使加工后的蝴蝶狀毛坯充滿下模具型腔，彎壓過程演示如圖4。此步驟完成后，曲柄毛坯從下模具中脫模后，放在下平砧上，用操作機夾住舌板輔具，然后用上平砧壓實，壓平過程如圖5所示。

圖4 彎壓過程演示Figure 4 Schematic diagram of bendpressing process

圖5 壓平過程Figure 5 Schematic diagram of flatting process

4 結(jié)論

為了保證曲柄的全纖維組織，采用全過程彎鍛方法，此種彎壓鍛造成型方法已通過大量計算機模擬，同時蝴蝶狀鍛件已成功試制。此種成型方法有以下優(yōu)點：

(1)通過第一步鍛造，滿足了曲柄要求的鍛造比，使曲柄更加致密，同時保證了曲柄的全纖維組織。

(2)通過第二步加工，把鍛造好的毛坯加工成成品曲柄打開的形狀，同時把曲柄中間的軸部分直接加工成圓形，曲柄軸加工成圓形這一點可以節(jié)省很多余量，大大提高鋼錠利用率。曲柄臂的厚度按調(diào)質(zhì)量留加工余量就可以，不用考慮曲柄底部褶皺而特別加大余量。這樣也可以節(jié)省原材料，提高鋼錠利用率。

(3)第三步直接彎壓成型，這一步壓機只要很小的壓力就可以把加工后的毛坯直接壓到模具里，利用上垂頭的半圓弧凹口和下模具的圓弧凹坑把曲柄的圓軸部分直接壓實，曲柄臂直接擠滿模具，這步保證了曲柄柄臂的粗加工后狀態(tài)，使曲柄軸進一步壓實。壓完后，曲柄毛坯脫模，然后壓平修整，符合曲柄調(diào)質(zhì)粗加工圖。彎壓成型這步?jīng)]有改變曲柄鍛后的全纖維狀態(tài)，只是1個成型步驟，避免了其它彎鍛方法中出現(xiàn)的曲柄臂內(nèi)部褶皺和凹坑現(xiàn)象。

[1] 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.

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

[3] 余云嵐，張堅. 我國船用低速大功率柴油機曲軸制造技術(shù)的發(fā)展[J]. 船舶與海洋工程，2009(4)：38-41.

[4] 孫峰，胡朝備，張國剛，等. 船用柴油機大型曲軸鍛件的研制[J]. 上海電機學院學報，2012，15(3)：206-210.

[5] 朱文寶. K98MC-C 船用曲軸曲拐鍛造成形工藝研究[D]. 燕山大學，2010：1-3.