許樹森 任運來 齊作玉

(1.上海電氣上重鑄鍛有限公司，上海200245；2.上海電機學院，上海200240)

一艘輪船的心臟是柴油機，而柴油機里最為核心的部件就是曲軸了。柴油發(fā)動機的動力強大，需要通過曲軸傳遞給螺旋槳來推動輪船前進。

一般來說，柴油機的氣缸數(shù)越多、缸徑越大、活塞行程越長、汽缸壓力越大，輸出功率也就越大。隨著輪船大型化的發(fā)展，缸徑越來越大。為此，曲軸也就越來越大。

曲軸成形經(jīng)歷過鑄鐵、鑄鋼。但為了使重量減輕、尺寸緊湊和性能更佳，曲軸由鑄造發(fā)展成為鍛造成形。鍛造成形的曲軸按生產(chǎn)方式包括：整體模鍛，整體自由鍛，(全纖維)分段模鍛，由鍛件構(gòu)成半組合或全組合。整體模鍛受到壓機噸位限制，鍛造的曲軸尺寸較小。整體自由鍛難度大，且加工量大。全組合曲軸的各直段是獨立鍛件，通過熱裝或焊接起來，其剛度強度不如半組合曲軸，應用受限。因此，全纖維分段模鍛曲軸和半組合曲軸成為中型和大型曲軸的成形技術應用主流。

1 全纖維分段模鍛技術

將普通冶煉鋼錠鍛造拔長到一定程度時，沿拔長方向的材料性能會優(yōu)于垂直于拔長方向的性能，即沿著拔長方向、變形方向或晶粒流向的鍛件性能好[1]。為此，人們把此類鍛造稱為連續(xù)晶粒流向(Continuous Grain Flow, CGF)鍛造或全纖維鍛造。對整體自由鍛的曲軸坯料，曾有過鍛成簡單形狀，再靠機加工獲得曲拐的生產(chǎn)方式。但是，它除了耗時、浪費材料外，還因為部分纖維被切斷，性能比起保留全纖維曲拐的性能明顯要低。

故CGF全纖維鍛造應運而生。然而，萬噸模鍛水壓機最多只能模鍛幾百公斤重的模鍛件，而萬噸自由鍛水壓機則能鍛造重達幾百噸的大型自由鍛鍛件[2]。這說明，整體模鍛受到壓機噸位限制，可鍛造的曲軸尺寸很小，而自由鍛成形大型曲軸鍛件也一直存在耗時、耗材問題。隨著造船大型化以及曲軸的大型化的發(fā)展，在自由鍛壓機上的胎模鍛或機構(gòu)局部模鍛的全纖維CGF(簡稱全纖維)鍛造技術就產(chǎn)生了。典型曲軸CGF鍛造技術包括：20世紀50年代法國研究的RR鍛造法和波蘭研究的TR鍛造法，以及20世紀60年代美國使用多向壓機的鍛造法等。

提高成形精度、性能質(zhì)量和成本效率一直是全纖維鍛造發(fā)展的目標。1983年，相比其它國家的自由鍛仍在手工操作或少部分自動操作，美國約6.8 t重的曲軸鍛件已經(jīng)能自動上料和鍛造操作了。針對中小批量、形狀各異的鍛件，采用計算機控制，實現(xiàn)全自動化，成為當時世界高效率鍛造的領先者。后來，日本神戶鋼廠學習美國技術，將計算機控制系統(tǒng)引入曲軸鍛造，改進壓機設備，形成新的RR方法，稱NRR法，其50 MN的RR壓機基本結(jié)構(gòu)不變，但新增了10 MN側(cè)鐓缸，用于推動沖模。側(cè)鐓缸的伸長通過位移表測量，兩側(cè)模座的移動則通過高頻脈沖發(fā)生器探測。對3個階段劃分運動，通過計算機控制側(cè)鐓缸的伸長以匹配模座的運動。該方法使材料利用率提高10%，將傳統(tǒng)加工量減少一半。TR鍛造法是20世紀最成功的全纖維曲軸鍛造方法，其原理見圖1。通過肘桿機構(gòu)，把壓機的壓力分解成垂直彎曲力和比例增加的水平鐓粗力，一次成形一拐，從而鍛造出整個曲軸。這種裝置可以用于自由鍛液壓機等多種壓機上。這種方法與以前的自由鍛方法相比，有材料省、質(zhì)量高、廢品少、生產(chǎn)率高和勞動強度低等顯著優(yōu)點。TR鍛造法適用于15～100 MN壓機。在2000年的國際鍛造師會議上，波蘭學者介紹，世界上許多國家的企業(yè)都在使用TR技術。有的企業(yè)還用TR法替代了RR法和傳統(tǒng)鍛造法。

1—模架 2—油缸 3—沖頭 4—鍛件 5—上模塊6—肘桿 7—下模塊 8—下砧塊 9—底板圖1 TR鐓鍛裝置工作原理Figure 1 Working principle of TR upsetting device

日本神戶鋼廠是曲軸的專業(yè)生產(chǎn)廠家。2010年，除了其它船用鍛件，僅曲軸產(chǎn)品就占其總銷售額的70%。神戶鋼廠在船用曲軸的制造技術方面申請了很多專利，至今27項專利成果仍然有效，包括一組用液壓缸替代TR肘桿機構(gòu)的裝置及相關成形技術的專利。

天津市康庫得機電技術有限公司在TR法的機構(gòu)原理上，自己研究設計和制造了專用的曲軸彎曲鐓鍛機和機構(gòu)，開發(fā)了成熟先進的工藝，并稱之為NTR法。根據(jù)其公開的專利信息和樣本介紹可知，康庫得發(fā)明了多項專利。歸納其主要特點有：(1)把TR機構(gòu)發(fā)展成了NTR新型專機；(2)把原來固定機械匹配的彎曲與鐓鍛發(fā)展為可按需求的精確計算機控制匹配；(3)發(fā)明可靠的鎖模機構(gòu)，從而減少了壓機力的功率需求并保證了單拐精度質(zhì)量；(4)可靠簡單精確的分度定位裝置保證了整體形狀精度和質(zhì)量，對置中空柱塞缸可往復移動供油裝置，保證了結(jié)構(gòu)緊湊和效率等。其新壓力機和機構(gòu)占地和重量相對傳統(tǒng)水壓機要小得多，大大節(jié)省了設備投資。同時，采用這一設備生產(chǎn)能耗較低，加工精度更高，提高了曲軸產(chǎn)品成材率，加工工時也更短。據(jù)介紹，以前老工藝下材料利用率為30%左右，新工藝下能達到65%～75%，有很大提高。

2 大型曲拐鍛造技術

為了使螺旋槳有較高的推進效率，要求柴油機有較低的轉(zhuǎn)速。低速柴油機可以直接驅(qū)動螺旋槳，效率高。對于推動幾萬到幾十萬噸遠洋船舶航行的低速柴油機，用于傳遞巨大扭矩的曲軸是一個制造要求極高的重要零件。對于低速兩沖程柴油機，當氣缸直徑為400 mm(40機)以上，其曲軸難以通過整體鍛造或全纖維鍛造制造。因此，設計上采用由鍛件構(gòu)成半組合曲軸。半組合曲軸的關鍵件是曲拐鍛件。

捷克VITKOVICE公司曾鍛造實心曲拐，再通過機加工加工出凹槽。但不屬于CGF，只用于生產(chǎn)相對小且要求低的曲拐。

國際上，大型曲拐鍛造主要采用以下鍛造方法：

2.1 彎鍛

1985年，神戶鋼廠申請了曲拐彎曲鍛造方法和裝置專利，其專利原理示意圖如圖2。

1—鍛坯 2—上模 3—下模圖2 曲拐彎鍛法Figure 2 Bending forging method of crank throw

彎鍛法應用廣泛。除了日本神戶鋼廠，采用過彎鍛法的企業(yè)還有韓國斗山重工、捷克VITKOVICE公司、上重鑄鍛公司和鞍山重機等。

彎鍛法大致成形過程如下：

(1)制坯，見圖3。

(2)彎曲。

(3)平整，見圖4。

2.2 插板模鍛

圖3 彎鍛法制坯示意圖Figure 3 Blanking schematic by bending forging method

1—錘頭 2—坯料 3—沖頭圖4 彎鍛法平整示意圖Figure 4 Levelling schematic by bending forging method

1—上插板 2—坯料 3—套膜 4—下模圖5 曲拐插板模鍛示意圖Figure 5 Die forging schematic of crank inserting plate

日本室蘭制鋼所于20世紀80年代曾采用插板模鍛曲拐，見圖5。采用了下模和上插板的套模對長方形鍛坯進行鍛造，生產(chǎn)出接近曲拐外形的曲拐鍛件。因為還是有部分金屬自由變形，該方法仍屬于胎模鍛。該方法的優(yōu)點是原理簡單，火次少，質(zhì)量高，節(jié)約鍛件材料，實際應用中節(jié)材效果也很明顯。20世紀80年代，上重曾派人在日本室蘭學習過該技術并有詳細生產(chǎn)記錄。但后來韓國斗山買斷和引進了該技術。韓國斗山在使用該方法多年后又放棄了，改為彎鍛。其原因可

能是因為插板插入深度大，模具裝拆操作復雜，曲拐新品種的不斷增加和單件小批量的訂貨導致模具成本高等，由此限制了生產(chǎn)率的提高，限制了曲拐生產(chǎn)量和規(guī)格尺寸的擴大。

武漢重工鑄鍛有限責任公司曾在國內(nèi)公開了“船用大型柴油機曲軸曲拐制造工藝及裝置”的發(fā)明專利。該專利與早期日本室蘭制鋼所的曲拐模鍛相比，基本原理大致相同。據(jù)悉，該方法也曾在該公司應用。

2.3 淺插入胎膜鍛

與已經(jīng)淘汰的插板模鍛相比，日本研究出了大自由面淺插入的胎模鍛，克服了小自由面深插入帶來的不利因素，如插板工作環(huán)境差、壽命低，模具結(jié)構(gòu)復雜、裝拆不便等。兩項淺插入專利如下：

(1)神戶淺插入胎模鍛。1992年，日本神戶申請了半組合曲軸曲拐的成形專利。該方法采用外形多角的餅形坯料，利用三角上模和V型下模淺插入坯料鍛造成形，比彎鍛法和插板模鍛都簡單且容易控制成形。其專利原理示意圖見圖6。

(2)室蘭淺插入胎模鍛。日本室蘭制鋼所放棄了原來的插板模鍛，卻保留了淺插入胎膜鍛造法這一大型曲拐鍛造成形的技術專利，其原理見圖7。該方法仍采用矩形坯料，特點是，插板不用插很深，保證坯料自由面積多，減少了插入力，改善了插板受力狀態(tài)。接下來的鍛造采用胎膜拔長與精成形。比起以前插板模鍛，淺插入可以鍛造更大型的曲拐，并能使坯料得到充分鍛造，質(zhì)量好，成本低。

3 未來大型曲軸鍛造技術的發(fā)展方向

3.1 大型化的應對措施

理論上講，目前最大型的曲拐還是90機曲拐。對于90機以上的曲拐，尺寸更大，質(zhì)量要求更高。為此，淺插入模鍛技術還是我國大型曲拐鍛造企業(yè)應該優(yōu)先考慮研究和發(fā)展的技術，以此來應對未來曲拐進一步大型化的趨勢。

1—下模 2—上模 3—坯料 4—夾板 5—錘頭圖6 神戶公司淺插入胎模鍛示意圖Figure 6 Schematic of shallow insertion die forging by Kobe company

1—坯料 2—下模 3—錘頭 4—插板圖7 室蘭制鋼所淺插入胎膜鍛造法示意圖Figure 7 Schematic of shallow insertion die forging by Muroran Steel

3.2 研究新的曲拐成形工藝及裝置

本文前面曾介紹了全纖維曲軸的專門裝置或?qū)C。對于大型曲拐，除了專用模具，目前專門裝置或?qū)C還沒有。然而，在成形工藝的基礎上，研究出新的大型曲拐成形工藝及裝置仍是未來發(fā)展的方向。

上海重型機器廠有限公司的研究人員曾申請了“大型船用曲軸曲拐的擠壓成形裝置及成形方法”專利和“開合式曲拐擠壓裝置及大型船用曲軸曲拐的成形方法”專利。

2015年工業(yè)和信息化部、財政部批準了關于船用低速柴油機曲柄鍛件關鍵技術研究項目，目前有關方仍在研發(fā)之中。

設備上，國內(nèi)擁有大型擠壓機的企業(yè)，如有680 MN和260 MN多功能擠壓機的青海康泰有限公司，有500 MN擠壓機的河北宏潤重工股份有限公司，都在考慮利用現(xiàn)有擠壓機，通過研究新的曲拐成形工藝及裝置，擠壓出曲拐。

工藝上，提高材料利用率將是主要發(fā)展方向。由于曲拐臂上的主軸頸孔需要在裝配上加工掉，它占曲拐近1/3的重量。未來研究出工藝能成形出主軸頸孔是很有必要的。

4 結(jié)束語

未來船用曲軸鍛件成形技術的發(fā)展方面，無論是CGF還是曲拐成形，發(fā)展重點都是圍繞著提高質(zhì)量、效率、材料利用率和減少加工余量研究。曲軸鍛件自動化、智能化和系統(tǒng)化將是實現(xiàn)發(fā)展目標的必由之路和有效途徑。

[1] 呂亞臣，齊作玉，于中海，等. 大鍛件統(tǒng)計學t檢驗法的研究和應用[J]. 大型鑄鍛件，2012(5)：39 -42.

[2] 呂亞臣，任運來，齊作玉. 大型自由鍛非自由化的研究方向[J]. 大型鑄鍛件，2011(4)：45 -48.