文／杜紹貴，唐艷，何正海，匡利華，華利·中車資陽(yáng)機(jī)車有限公司

某大型鑄改鍛8 缸曲軸半成品交貨狀態(tài)如圖1 所示，從鐓鍛成形角度分析有以下鍛造工藝難點(diǎn)。

⑴模具項(xiàng)、件多。原因有：1)曲軸有三個(gè)法蘭且直徑、厚度各不相同，法蘭1、法蘭2 與其相鄰曲柄臂之間的距離不相同，因此難以對(duì)其成形模具進(jìn)行簡(jiǎn)統(tǒng)；法蘭3 成形時(shí)只能用法蘭2 定位，不能借用曲拐定位。2)曲柄臂平衡塊安裝面高度不同，導(dǎo)致所使用的預(yù)鍛模、側(cè)壓模、彎曲上模(含平衡塊安裝面壓板)不同。3)曲軸鍛件比較長(zhǎng)，為控制彎曲，除第1 曲拐外，其余曲拐成形時(shí)需采用支撐模。

⑵曲柄臂外圓周為非加工面。圖1 曲柄臂視圖中，多段圓弧和寬平衡塊安裝面組合形曲柄臂外圓周為非加工面，此面沿用鑄造技術(shù)要求。TR 鐓鍛曲拐之間存在角度誤差，曲柄臂外圓周要求非加工面裝機(jī)使用，工藝難度極大。

⑶曲柄臂平衡塊安裝面高且寬。圖1 曲柄臂視圖中，兩種形狀的曲柄臂，其平衡塊安裝面高、寬最大值為185mm、290mm， 最小值為157mm、280mm。金屬材料充填難度大，塌角風(fēng)險(xiǎn)大。

⑷曲柄臂橢圓度大。圖1 曲柄臂視圖中，多邊形曲柄臂長(zhǎng)515（543）mm、寬418mm，長(zhǎng)寬比最小1.23，最大1.30；多段圓弧和寬平衡塊安裝面組合形曲柄臂長(zhǎng)517(545)mm、寬410mm，長(zhǎng)寬比最小1.26，最大1.33。曲柄臂連桿頸側(cè)易形成徑向飛邊，曲柄臂主軸頸側(cè)塌邊風(fēng)險(xiǎn)大。

⑸兩端用戶工藝頸直徑大于曲軸主軸頸直徑。圖1 主視圖中曲軸主軸頸直徑φ268mm，兩端用戶工藝頸直徑φ300mm。一是不利于減小曲軸坯料直徑；二是鐓鍛成形第1 拐時(shí)，自由端法蘭1 坯料與用戶工藝頸坯料之間臺(tái)階高度差小，法蘭1 坯料容易啃傷；三是曲軸鍛件兩端端頭容易翹曲，導(dǎo)致工藝頸直徑φ300mm 加工余量不足。

圖1 某大型鑄改鍛8 缸曲軸半成品交貨狀態(tài)簡(jiǎn)圖

⑹軸向開(kāi)檔余量偏小。用戶半成品交貨狀態(tài)留量偏大，曲軸鍛件設(shè)計(jì)時(shí)，軸向余量不宜大，否則定位、夾緊擋板及彎曲上模易變形，不利于曲軸鍛件質(zhì)量穩(wěn)定，也不利于控制曲軸坯料重量。

鍛造工藝方案

⑴曲軸交貨狀態(tài)：粗加工+時(shí)效半成品或成品交貨，優(yōu)先保證半成品交貨。

⑵鍛造設(shè)備：通用水壓機(jī)+TR 曲軸專用鍛造裝置。

⑶鍛后預(yù)備熱處理：正火。

⑷調(diào)質(zhì)熱處理：曲軸鍛件黑皮調(diào)質(zhì)，其中8 缸曲軸鍛件采用立式，6 缸曲軸鍛件采用臥式。

⑸曲軸鍛件交驗(yàn)依據(jù)、交驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：曲軸鍛件交驗(yàn)依據(jù)為用戶提供的半成品交貨圖，結(jié)合以往曲軸制造經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)工序間協(xié)商，交驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)確定為軸向余量不小于5mm，徑向余量不小于10mm。

⑹曲軸鍛件兩端工藝尺寸留放：8 缸曲軸鍛件自由端、輸出端除用戶工藝頸外，由于調(diào)質(zhì)重量超過(guò)3000kg，需在兩端加放200mm 力學(xué)性能試棒，此外，由于8 缸曲軸鍛件采用立式調(diào)質(zhì)，需在自由端加放145mm 吊裝頭；6 缸曲軸鍛件由于采用臥式調(diào)質(zhì)，可以省去145mm 吊裝頭，其余與8 缸曲軸鍛件相同。

⑺模具設(shè)計(jì)：由于模具項(xiàng)、件多，需盡可能借用或者改制封存模具。

⑻鍛造成形工藝試驗(yàn)：采用替代料實(shí)施2 拐鍛造成形，運(yùn)用“試錯(cuò)法”驗(yàn)證模具設(shè)計(jì)及其他工藝參數(shù)。

鍛造工藝設(shè)計(jì)

鍛造工藝流程為：光坯入廠復(fù)驗(yàn)→機(jī)加工制坯→TR 鍛造→曲軸鍛件工序交驗(yàn)→正火→校直→高溫回火→表面清理→曲軸鍛件完工交驗(yàn)。

曲軸鍛件

曲軸鍛件設(shè)計(jì)遵循工藝方案的要求，力求通過(guò)工藝設(shè)計(jì)解決鍛造難點(diǎn)。

針對(duì)曲柄臂外圓周為非加工面的工藝難點(diǎn)，通過(guò)與用戶技術(shù)交流，用戶同意修改曲柄臂外形并將其外圓周改為加工面，減小了鍛造難度，有利于保證曲軸半成品、成品質(zhì)量。

針對(duì)三曲柄臂平衡塊安裝面高且寬的工藝難點(diǎn)，采取四項(xiàng)措施減小鍛造難度，確保曲柄臂充填飽滿：⑴合理留放平衡塊安裝面加工余量；⑵設(shè)計(jì)兩種不同的曲柄臂鍛件外形；⑶不同的曲柄臂鍛件外形采用不同的預(yù)鍛模和曲柄臂側(cè)壓模；⑷減小預(yù)鍛模分模面開(kāi)口角度以增大預(yù)鍛量。

針對(duì)四曲柄臂橢圓度大的工藝難點(diǎn)，采取三項(xiàng)措施控制徑向飛邊大小，同時(shí)減小曲柄臂主軸頸側(cè)易塌邊風(fēng)險(xiǎn)：⑴加大曲柄臂鍛件短軸方向的余量且兩種形狀曲柄臂余量不相同；⑵合理確定曲柄臂與側(cè)壓模之間的厚度差；⑶合理增加預(yù)鍛模型腔深度。

針對(duì)兩端用戶工藝頸直徑大于曲軸主軸頸直徑的工藝難點(diǎn)，采取三項(xiàng)措施：⑴增大曲軸鍛件兩端端頭直徑；⑵曲拐預(yù)鍛、終鍛全部采用支撐模以控制兩端端頭翹曲；⑶與用戶溝通，用戶同意修改兩端工藝頸尺寸為φ290mm。

針對(duì)軸向開(kāi)檔余量偏小的工藝難點(diǎn)，由于曲軸鍛件以半成品交貨狀態(tài)圖為設(shè)計(jì)依據(jù)，考慮定位、夾緊擋板及彎曲上模三種模具的壽命，軸向單邊留量10mm，徑向單邊留量20mm，根據(jù)以往曲軸制造經(jīng)驗(yàn)，軸向余量偏小。解決措施：曲軸鍛件完工交驗(yàn)拷線，軸向加工余量不小于5mm，徑向余量不小于10mm，以半成品狀態(tài)交貨，否則以成品狀態(tài)交貨。圖2 為兩端工藝頸尺寸、曲柄臂形狀修改后的某大型鑄改鍛8缸曲軸鍛件簡(jiǎn)圖。

曲軸坯料

曲軸坯料設(shè)計(jì)主要考慮的影響因素，一是盡可能采用不帶大臺(tái)階的光坯，因?yàn)閹Т笈_(tái)階的光坯其毛坯屬于Ⅳ類鍛件，比Ⅴ類鍛件鍛造成本高；二是考慮法蘭成形坯料的長(zhǎng)徑比不宜過(guò)大；三是合理的主軸頸環(huán)槽深度，應(yīng)控制在15mm 以內(nèi)，否則增加材料消耗且過(guò)多切斷坯料主軸頸處金屬纖維流線；四是合理的連桿頸環(huán)槽深度和結(jié)構(gòu)形狀，為防止曲軸鍛件連桿頸根部折疊，連桿頸環(huán)槽兩端設(shè)計(jì)成圓錐面效果好；五是坯料直徑大小，坯料直徑大有利于曲柄臂鐓鍛成形，但不利于控制徑向和軸向飛邊，也不利于減少材料消耗。圖3 為某大型鑄改鍛8 缸曲軸鍛件坯料簡(jiǎn)圖。

圖2 某大型鑄改鍛8 缸曲軸鍛件簡(jiǎn)圖

曲軸鍛造順序

曲軸鍛造順序可以選擇從自由端(或飛輪端)開(kāi)始鍛造，也可以從中間某個(gè)曲拐開(kāi)始鍛造，主要考慮的影響因素有坯料吊運(yùn)、模具項(xiàng)件數(shù)量、法蘭坯料長(zhǎng)度、模具更換次數(shù)以及是否利于節(jié)能等。對(duì)某鑄改鍛8 缸曲軸而言，最優(yōu)鍛造順序?yàn)榈? 拐→第8 拐→法蘭2 →法蘭3 →法蘭1，其最突出的優(yōu)點(diǎn)是模具項(xiàng)件數(shù)量最少且鍛造過(guò)程中模具更換次數(shù)最少。

曲軸鍛造模具

由于某鑄改鍛曲軸采用TR 鐓鍛成形，其模具為分體式結(jié)構(gòu)，包括夾緊、定位、彎曲、支撐、法蘭成形共計(jì)5 個(gè)部類。由于大部分模具費(fèi)用由我方承擔(dān)，因此按工藝方案的要求，鍛造模具設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮如何減少新制模具，改制封存DK36、12KU30GA 曲軸鍛件模具。在確保曲軸鍛件質(zhì)量穩(wěn)定的前提下，經(jīng)過(guò)統(tǒng)籌考慮，精心設(shè)計(jì)，鍛造模具共計(jì)35 項(xiàng)/44 件，其中新制8 項(xiàng)/1 2件，改制2 7項(xiàng)/3 2件。圖4 a為第1 ～7拐和第8 拐預(yù)鍛模簡(jiǎn)圖，與第1 ～7 拐預(yù)鍛模相比，第8 拐預(yù)鍛模有兩處不同，即A-A視圖中兩處圓括號(hào)內(nèi)尺寸。圖4b 為第1 ～7 拐預(yù)鍛模三維模型。

圖3 某大型鑄改鍛8 缸曲軸鍛件坯料簡(jiǎn)圖

圖4 某大型鑄改鍛曲軸鍛件預(yù)鍛模

曲軸坯料加熱

采用單工位曲拐加熱爐對(duì)某鑄改鍛曲軸坯料進(jìn)行鍛前加熱，加熱爐規(guī)格：第1 ～8 拐預(yù)鍛加熱爐寬度1000mm、口徑φ350mm；第1 ～8 拐終鍛加熱爐寬度910mm，口徑φ350mm；法蘭2、法蘭3、法蘭1加熱爐寬度700mm，口徑均為φ350mm。坯料始鍛溫度1180 ～1200℃，設(shè)定爐溫1230℃，坯料加熱過(guò)程爐溫閉環(huán)控制，保溫時(shí)間55min。

曲軸鍛件預(yù)備熱處理

某鑄改鍛曲軸材料4 2 C r M o A，曲軸鍛件鍛后預(yù)備熱處理為正火，正火工藝參數(shù)隨爐升溫至(850±15)℃，均溫2h，保溫7h 后出爐空冷至室溫。

試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果討論

采用45#鋼實(shí)施兩拐鍛造成形試驗(yàn)，其中第一拐和第二拐分別模擬某大型鑄改鍛曲軸的第1 ～7拐和第8 拐。兩拐試驗(yàn)件按交驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)拷線，軸向、徑向加工余量基本滿足要求。兩拐試驗(yàn)件存在的問(wèn)題：⑴平衡塊安裝面主軸頸側(cè)飛邊大、四個(gè)尖角處的“貓耳朵”形狀過(guò)大，見(jiàn)圖5a。⑵曲柄臂主軸頸側(cè)塌邊、連桿頸側(cè)飛邊大，見(jiàn)圖5b。分析主要由以下幾個(gè)因素所致：⑴坯料重量偏大。第1 ～14 曲柄臂理論計(jì)算重量237.6kg，第15 ～16 曲柄臂理論計(jì)算重量247.8kg，考慮火耗、飛邊等因素，第1 ～14曲柄臂實(shí)際用料250.6kg，第15 ～16 曲柄臂實(shí)際用料262.1kg。⑵預(yù)鍛量偏大。C 墊片是調(diào)整預(yù)鍛量大小重要參數(shù)之一，C 墊片的大小與曲拐半徑相關(guān)，C墊片大小決定預(yù)鍛后預(yù)鍛模型腔分模面以上聚料的多少，聚料多則產(chǎn)生大飛邊。⑶預(yù)鍛模型腔設(shè)計(jì)不盡合理。預(yù)鍛模型腔開(kāi)口尺寸偏小，型腔分模面圓角偏小，型腔凸起未打磨光滑，造成預(yù)鍛后坯料形成凹坑，見(jiàn)圖6，凹坑過(guò)大導(dǎo)致終鍛后在曲柄臂主軸頸側(cè)形成塌邊。

圖5 兩拐試驗(yàn)件存在的問(wèn)題

圖6 預(yù)鍛坯料凹坑

圖7 某大型鑄改鍛8 缸曲軸鍛件樣件

工藝優(yōu)化及樣件試制

將圖2 中坯料直徑φ337mm 改為φ335mm( 法蘭用料直徑不變)，每個(gè)曲柄臂減料約3 k g。將T R曲軸專用鐓鍛裝置中用于控制預(yù)鍛量的C 墊片從2 2 0 m m調(diào)整為2 2 8 m m以減小預(yù)鍛量。將圖4a 中第1 ～7 拐預(yù)鍛模分模面開(kāi)口角度從23°改為23.5°，第8 拐預(yù)鍛模相應(yīng)角度從2 2°改為23.5°，圓角R30mm 改為R50mm。將圖4b 預(yù)鍛模型腔中斜面與R360mm、R173mm 圓弧面相交處形成的凸起打磨光滑，R360mm圓弧面的端面增加R10mm圓角。樣件試制結(jié)果表明工藝優(yōu)化措施是適宜的，可以開(kāi)展該鑄改鍛曲軸的批量生產(chǎn)。圖7 為8 缸鑄改鍛曲軸鍛件樣件。

結(jié)束語(yǔ)

某大型鑄改鍛曲軸由于結(jié)構(gòu)形狀、幾何尺寸以及用戶特殊要求，鍛造工藝難度大，模具項(xiàng)件多，通過(guò)研究半成品交貨曲軸的技術(shù)特征，提出修改意見(jiàn)并與用戶溝通、協(xié)商，減小了鍛造難度和坯料規(guī)格，8 缸、6 缸曲軸鍛件光坯重量分別為6540kg、5175kg。針對(duì)模具項(xiàng)件多，模具設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮改制封存模具，改制、新制模具費(fèi)實(shí)際發(fā)生60.5萬(wàn)元。8缸、6 缸曲軸鍛件已分別累計(jì)鍛造生產(chǎn)63 支、22 支，曲軸鍛件工序交驗(yàn)合格率90.6%，一次性完工交驗(yàn)合格率100%。