李志廣， 張建穎， 周艷紅， 邢 鵬， 李 萌， 馬 強(qiáng)

（1.山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 大同 037036；2.北京辰安科技股份有限公司， 北京 100085；3.陸軍駐大同地區(qū)軍事代表室， 山西 大同 037036）

0 引 言

大功率柴油機(jī)凸輪軸是用于裝甲裝備和艦船裝備動力系統(tǒng)的關(guān)鍵件，分為進(jìn)氣凸輪軸與排氣凸輪軸，材料牌號多為20CrMnTi、20CrMnMo等，總長一般為1 000～1 500 mm。大功率柴油機(jī)凸輪軸只有經(jīng)過鍛造加工，才能確保其使用時(shí)高優(yōu)質(zhì)性、高可靠性和高安全性。

“精鍛”是“精密鍛造”或“精密級鍛造”的簡稱，是一種近凈鍛造技術(shù)。鍛件精度是大功率柴油機(jī)凸輪軸鍛造所涉及的關(guān)鍵和共性技術(shù)問題之一，GB/T 12362《鋼質(zhì)模鍛件 公差及機(jī)械加工余量》定義鍛件精度分為：普通級和精密級[1]；GB/T 8541《鍛壓術(shù)語》定義對應(yīng)的鍛件分為：普通精度鍛件和精密精度鍛件[2]。趙震等結(jié)合精鍛技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了以溫鍛-冷鍛、分流鍛造、流動控制、沖鍛復(fù)合與閉塞鍛造等為主流精鍛技術(shù)的研究、應(yīng)用和發(fā)展趨勢[3]；夏巨諶等結(jié)合中、美、日、德等國家精鍛技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，證實(shí)了以復(fù)雜回轉(zhuǎn)體件流動控制、復(fù)雜組合體件鍛造、復(fù)雜枝芽件小飛邊鍛造等為主流精鍛技術(shù)研究、應(yīng)用和發(fā)展趨勢[4]。到目前為止，尚未見有關(guān)于大功率柴油機(jī)凸輪軸在模鍛錘設(shè)備上實(shí)現(xiàn)精鍛的研究報(bào)道；李志廣等致力于鍛造及鍛造與鑄造、沖壓和熱處理等協(xié)同精密制造技術(shù)的精鍛研究[5,6]，研發(fā)了在模鍛錘設(shè)備上實(shí)現(xiàn)大功率柴油機(jī)凸輪軸精鍛[7]、連桿精鍛[8]、連接銷鍛擠復(fù)合[9]、扳手精鍛[10]、大型刮板鑄鍛復(fù)合[11]、吊環(huán)精鍛[12]、齒弧鍛沖復(fù)合[13]、雙面模膛鍛模[14]以及長壽命切邊模結(jié)構(gòu)[15]、精準(zhǔn)卸除飛邊方法[16]等多項(xiàng)精鍛專利技術(shù)，這些技術(shù)具有差異化、個性化和綠色化鍛造特點(diǎn)，在鍛造實(shí)踐中應(yīng)用效果良好。

大功率柴油機(jī)凸輪軸熱模鍛可采用模鍛錘、模鍛液壓機(jī)、曲柄熱模鍛壓力機(jī)、液壓螺旋壓力機(jī)、電動螺旋壓力機(jī)等鍛造設(shè)備，當(dāng)在模鍛錘設(shè)備上鍛造成形時(shí)，鍛件精度達(dá)到GB/T 12362普通級則相對容易，但要達(dá)到GB/T 12362精密級相當(dāng)困難[5-18]。因此，只有既遵循鍛造基本原理又另辟蹊徑，才能破解大功率柴油機(jī)凸輪軸在模鍛錘設(shè)備上達(dá)到精密級的關(guān)鍵和共性技術(shù)難題[7,19-21]。

1 鍛件精度預(yù)測與確定的原則

在鍛造實(shí)踐中，鍛件精度預(yù)測與確定應(yīng)優(yōu)先堅(jiān)持以下原則：①以繪制的鍛件毛坯圖確定鍛件形狀復(fù)雜系數(shù)S（如0.63

2 凸輪軸鍛造工藝性分析

大功率柴油機(jī)凸輪軸鍛造工藝過程：下料→加熱→模鍛（制坯和終鍛）→切邊→熱校正→冷卻。鍛造溫度經(jīng)歷由高到低的變化過程：最高加熱溫度→滾擠制坯開始溫度→始鍛溫度→終鍛溫度→熱切邊溫度→熱校正溫度→最后冷卻至室溫。因從輸入最高加熱溫度（1 250～1 200 ℃）到輸出最終室溫（20 ℃）的鍛造溫度變化梯度大，在鍛造過程中的凸輪軸熱模鍛件總長實(shí)際熱脹冷縮量大（15.0～23.0 mm）且不均勻，其中在熱校正時(shí)，易產(chǎn)生啃傷凸輪外側(cè)且距離凸輪軸長度基準(zhǔn)線越遠(yuǎn)的凸輪外側(cè)面啃傷越嚴(yán)重，或在冷卻后易產(chǎn)生總長尺寸不均勻地超上差（3.0～6.0） mm，且在距凸輪軸長度基準(zhǔn)線越遠(yuǎn)的凸輪外側(cè)的超上差量高達(dá)（2.0～4.0） mm，最終導(dǎo)致凸輪軸鍛件GB/T 12362普通級合格率最高為96%。在傳統(tǒng)鍛造實(shí)踐中，提高凸輪軸鍛件合格率的常用方法是采用將“等寬凸輪”變?yōu)椤凹訉捦馆啞保幢粍釉龃笸馆唽挾冉Y(jié)構(gòu)的機(jī)加工余量）等補(bǔ)償方法。因此大功率柴油機(jī)凸輪軸在模鍛錘設(shè)備上成形的鍛件精度達(dá)到GB/T 12362普通級要求都較難，而實(shí)際的要求是大功率柴油機(jī)凸輪軸鍛件精度為GB/T 12362精密級，如圖1所示。

圖1 凸輪軸精鍛件毛坯圖

3 凸輪軸精鍛的關(guān)鍵技術(shù)

大功率柴油機(jī)凸輪軸精鍛技術(shù)：在綜合考慮鍛造材料牌號與規(guī)格、鍛造形狀與尺寸、加熱條件與方法、工藝過程與方法、模鍛錘設(shè)備與特點(diǎn)、鍛模設(shè)計(jì)與制造、鍛造操作與冷卻方式等條件下，一種優(yōu)化和精準(zhǔn)控制鍛模結(jié)構(gòu)與尺寸、金屬冷卻收縮率、鍛造始鍛溫度、終鍛溫度、熱切邊溫度與熱校正溫度、鍛造滾擠制坯、終鍛和熱校正錘擊次數(shù)以及“鍛造（滾擠制坯、終鍛）→熱切邊→熱校正”操作時(shí)間等多維度、多層級、多變量的集成精鍛技術(shù)。

在模鍛錘設(shè)備上實(shí)現(xiàn)大功率柴油機(jī)凸輪軸精鍛應(yīng)重點(diǎn)解決的關(guān)鍵技術(shù)：①鍛模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與鍛件精度關(guān)系；②鍛造金屬冷卻收縮與鍛件精度關(guān)系；③鍛造工藝溫度與鍛件精度關(guān)系；④鍛造錘擊次數(shù)與鍛件精度關(guān)系；⑤鍛造操作時(shí)間與鍛件精度關(guān)系；⑥鍛模結(jié)構(gòu)與尺寸、鍛造金屬冷卻收縮率、鍛造工藝溫度、鍛造錘擊次數(shù)和鍛造操作時(shí)間等共同作用與鍛件精度關(guān)系。

4 凸輪軸精鍛實(shí)施過程

4.1 優(yōu)化凸輪軸精鍛鍛模結(jié)構(gòu)與尺寸

凸輪軸精鍛模結(jié)構(gòu)具有緊湊、流程短、功能多、使用壽命長、制造成本低等特點(diǎn)，主要包括：①1個縱向共用滾擠模膛，可為任意一個終鍛模膛分別提供進(jìn)氣凸輪軸或排氣凸輪軸滾擠制坯坯料；②2個縱向并排1模2鍛的終鍛模膛，進(jìn)氣凸輪軸和排氣凸輪軸鍛件分別使用1個終鍛模膛，具有相同或相近的使用功能和使用壽命；③1個左縱向右對角精密導(dǎo)向鎖扣，將進(jìn)氣凸輪軸和排氣凸輪軸鍛件共用滾擠模膛設(shè)置在左縱向?qū)蜴i扣上，既可實(shí)現(xiàn)鍛模精密導(dǎo)向又可減小鍛模寬度尺寸；④2個并排縱向終鍛模膛中心線位于鍛模燕尾寬度范圍內(nèi)，鍛模尺寸與偏心力矩小，既能滿足使用強(qiáng)度要求又能滿足使用功能要求。通過優(yōu)化凸輪軸精鍛鍛模結(jié)構(gòu)與尺寸，最終成形的鍛件可達(dá)到凸輪軸精鍛尺寸要求，凸輪軸精鍛鍛模結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 凸輪軸精鍛鍛模簡圖

4.2 優(yōu)化和控制精鍛金屬冷卻收縮率

金屬冷卻收縮量與冷卻收縮率有關(guān)。傳統(tǒng)金屬熱模鍛件尺寸L、金屬冷模鍛件尺寸l以及金屬熱模鍛件冷卻收縮率δ之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

式中：L——金屬熱模鍛件尺寸，mm；l——金屬冷模鍛件尺寸，mm；δ——金屬熱模鍛件冷卻收縮率，%。

凸輪軸精鍛件從長度基準(zhǔn)線到凸輪外側(cè)長度尺寸的實(shí)際金屬冷卻收縮率δN與凸輪軸精鍛件從長度基準(zhǔn)線到凸輪外側(cè)長度尺寸的基準(zhǔn)金屬冷卻收縮率δ0、凸輪軸精鍛件從長度基準(zhǔn)線到凸輪外側(cè)長度尺寸的優(yōu)選金屬冷卻收縮率遞增級差δn-1的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

式中：δN——凸輪軸精鍛件從長度基準(zhǔn)線到凸輪外側(cè)長度尺寸的實(shí)際金屬冷卻收縮率，%，為依次遞增變化的具體數(shù)值，N＝1，2，3……，表示凸輪組數(shù)量，每一凸輪組的凸輪數(shù)量為2N；δ0——凸輪軸精鍛件從長度基準(zhǔn)線到凸輪外側(cè)長度尺寸的基準(zhǔn)金屬冷卻收縮率，%，為相同不變的基準(zhǔn)數(shù)值；δn-1——凸輪軸精鍛件從長度基準(zhǔn)線到凸輪外側(cè)長度尺寸的優(yōu)選金屬冷卻收縮率遞增級差，%，為相同不變的具體數(shù)值，n＝1，2，3……，表示凸輪組次序數(shù)，以距離長度基準(zhǔn)線最近的第1組凸輪為起點(diǎn)次序數(shù)。

通過優(yōu)化和控制凸輪軸鍛造實(shí)際金屬冷卻收縮率，最終成形的鍛件可達(dá)到凸輪軸精鍛尺寸要求。

4.3 優(yōu)化和控制精鍛工藝溫度

凸輪軸傳統(tǒng)鍛造一般只規(guī)定了鍛造始鍛溫度和終鍛溫度，事實(shí)上鍛造涉及的始鍛溫度、終鍛溫度、熱切邊溫度和熱校正溫度等都影響凸輪軸模鍛件長度方向的尺寸精度。

（1）優(yōu)化和控制凸輪軸精鍛始鍛溫度可為最終成形的鍛件達(dá)到精鍛尺寸要求提供條件。凸輪軸精鍛始鍛溫度Ti與鍛造允許最低始鍛溫度Timin、鍛造允許最高始鍛溫度Timax的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

式中：Ti——精鍛始鍛溫度，℃；Timin——鍛造允許最低始鍛溫度，℃；Timax——鍛造允許最高始鍛溫度，℃；TiΔ1——鍛造最低始鍛溫度條件下再增加的溫度值，℃；TiΔ2——鍛造最高始鍛溫度條件下再減少的溫度值，℃。

（2）優(yōu)化和控制凸輪軸鍛造終鍛溫度也可為最終成形的鍛件達(dá)到精鍛尺寸要求提供條件。凸輪軸精鍛終鍛溫度Tf與熱模鍛允許最低終鍛溫度Tfmin的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

式中：Tf——精鍛終鍛溫度，℃；Tfmin——鍛造允許的最低終鍛溫度，℃；TfΔ——鍛造最低終鍛溫度條件下再增加的溫度值，℃。

（3）優(yōu)化和控制凸輪軸精鍛熱切邊溫度也可為最終成形的鍛件達(dá)到精鍛尺寸要求提供條件。凸輪軸精鍛熱切邊溫度Tt與精鍛終鍛溫度Tf的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

式中：Tt——精鍛熱切邊溫度，℃；Tf——精鍛終鍛溫度，℃；TfΔ——精鍛終鍛溫度條件下再減少的溫度值，℃。

（4）優(yōu)化和控制凸輪軸精鍛熱校正溫度也可為最終成形的鍛件達(dá)到精鍛尺寸要求提供條件。凸輪軸精鍛熱校正溫度Ts與優(yōu)化和精鍛熱切邊溫度Tt的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

式中：Ts——精鍛熱校正溫度，℃；Tt——精鍛熱切邊溫度，℃；TtΔ——精鍛熱切邊溫度條件下再減少的溫度值，℃。

4.4 優(yōu)化和控制精鍛錘擊次數(shù)

凸輪軸鍛造滾擠制坯、終鍛成形、熱校正等的錘擊次數(shù)與鍛造制坯溫度、終鍛溫度、熱校正溫度以及金屬冷卻收縮率密切相關(guān)，鍛造錘擊次數(shù)過多或過少，會導(dǎo)致凸輪軸鍛造始鍛溫度、終鍛溫度、熱校正溫度過低或過高、金屬冷卻收縮率變小或變大。

4.5 優(yōu)化和控制精鍛操作時(shí)間

凸輪軸鍛造金屬冷卻收縮率與“鍛造（滾擠制坯、終鍛）→熱切邊→熱校正”各工步的操作時(shí)間有關(guān)，操作時(shí)間過長或過短，都會導(dǎo)致凸輪軸鍛造終鍛溫度、熱切邊溫度、熱校正溫度的過低或過高、金屬冷卻收縮率變小或變大。通過優(yōu)化和控制凸輪軸鍛造操作時(shí)間，可為最終成形的鍛件達(dá)到精鍛尺寸要求提供條件。

4.6 實(shí)施效果

大功率柴油機(jī)凸輪軸精鍛成形經(jīng)上述操作并實(shí)際驗(yàn)證，最終取得了顯著且可量化的應(yīng)用效果：可拓展現(xiàn)有鍛造工藝、鍛模和模鍛錘設(shè)備等使用功能和使用范圍，將凸輪軸模鍛件合格率由GB/T 12362普通級96%提高到精密級98%以上，不僅達(dá)到精鍛尺寸要求，而且在形狀、尺寸和質(zhì)量等關(guān)鍵技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)上具有均質(zhì)性、穩(wěn)定性和一致性，如圖3所示。

圖3 凸輪軸精鍛件實(shí)物

5 結(jié)束語

（1）綜合考慮鍛造材料牌號與規(guī)格、鍛造形狀與尺寸、加熱條件與方法、工藝過程與方法、模鍛錘設(shè)備與特點(diǎn)、鍛模設(shè)計(jì)與制造、鍛造操作與冷卻方式等條件的基礎(chǔ)上，解決了在模鍛錘設(shè)備上實(shí)現(xiàn)大功率柴油機(jī)凸輪軸精鍛的關(guān)鍵與共性技術(shù)難題。

（2）大功率柴油機(jī)凸輪軸精鍛技術(shù)是優(yōu)化和控制鍛模結(jié)構(gòu)與尺寸、金屬冷卻收縮率、鍛造始鍛溫度、終鍛溫度、熱切邊溫度與熱校正溫度、鍛造滾擠制坯、終鍛、熱校正錘擊次數(shù)以及“鍛造（滾擠制坯、終鍛）→熱切邊→熱校正”操作時(shí)間等多維度、多層級、多變量的集成精鍛技術(shù)。

（3）替代了傳統(tǒng)鍛造工藝，拓展了現(xiàn)有鍛造工藝、鍛模和模鍛錘設(shè)備的使用功能和使用范圍，將凸輪軸鍛件合格率由普通級96%提高到精密級98%以上，在形狀、尺寸和質(zhì)量等關(guān)鍵技術(shù)質(zhì)量特性指標(biāo)上具有均質(zhì)性、穩(wěn)定性和一致性，具有應(yīng)用的有效性和廣泛性。