杜紹貴 李六如 毛章雄 李恩軒

(南車資陽機(jī)車有限公司曲軸事業(yè)部，四川641301)

MAN L27/38系列柴油機(jī)是德國(guó)MAN B&W公司為全球船企設(shè)計(jì)開發(fā)的中速柴油機(jī)，分為L(zhǎng)27/38P和L27/38G兩個(gè)系列，在全球得到普遍采用。曲軸作為柴油機(jī)的關(guān)鍵零部件，其制造工藝復(fù)雜，制造成本約占柴油機(jī)成本的五分之一到四分之一。特別是對(duì)于像MAN L27/38系列這種鍛造難度特大的曲軸，國(guó)內(nèi)多數(shù)主流船用主、輔機(jī)制造企業(yè)一直依賴從歐洲、韓國(guó)進(jìn)口。因此探索MAN L27/38系列曲軸鍛件TR鐓鍛工藝，盡快實(shí)現(xiàn)MAN L27/38系列曲軸鍛件的國(guó)產(chǎn)化和批量生產(chǎn)具有十分重要的意義。

1 影響曲軸鍛件鍛造成形質(zhì)量的主要因素及原因分析

1.1 主要因素

大型全纖維曲軸鍛件主要采用彎曲鐓鍛法鍛造成形，TR彎曲鐓鍛法就是其中的一種，其工藝特點(diǎn)之一是逐拐加熱、逐拐鍛造，通過多次加熱鍛造獲得一支整體曲軸鍛件。因此對(duì)于曲軸鍛件，其鍛造工藝設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)是保證單個(gè)曲拐(一個(gè)連桿頸+兩個(gè)曲柄臂)的鍛造成形質(zhì)量。

而影響曲拐鍛造成形質(zhì)量的因素有許多，如加熱溫度、鍛造設(shè)備、鍛造速度、鍛造工藝方法、預(yù)鍛量、模具技術(shù)狀態(tài)、潤(rùn)滑條件、坯料結(jié)構(gòu)尺寸、曲拐結(jié)構(gòu)尺寸等，其中最主要的是坯料結(jié)構(gòu)尺寸、曲拐結(jié)構(gòu)尺寸、和預(yù)鍛量的大小。

1.2 原因分析

1.2.1 坯料結(jié)構(gòu)尺寸

坯料結(jié)構(gòu)尺寸主要指用于鍛造成形曲柄臂的坯料直徑、長(zhǎng)度以及連桿頸環(huán)槽的尺寸。坯料直徑過大不僅浪費(fèi)原材料增加曲軸鍛件成本，而且容易在曲柄臂連桿頸側(cè)面形成飛邊。飛邊不利于鍛造過程中曲拐入模，也影響曲軸鍛件美觀以及后續(xù)的機(jī)加工，嚴(yán)重時(shí)必須采取氣割消除。而坯料尺寸過小不僅要額外增加預(yù)鍛量，而且還難以保證曲柄臂充填飽滿。所以合理選擇坯料尺寸是TR鍛造工藝設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

1.2.2 曲拐結(jié)構(gòu)尺寸

曲拐結(jié)構(gòu)尺寸主要指曲柄臂橢圓長(zhǎng)、短軸尺寸，長(zhǎng)、短軸的比值，平衡塊安裝面的高度。在進(jìn)行鍛件尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證曲柄臂成形良好，按照經(jīng)驗(yàn)值應(yīng)將曲柄臂橢圓長(zhǎng)、短軸的比值控制在1～1.3以內(nèi)。雖然比值越小越有利于成形，但會(huì)造成機(jī)加工余量大而增加原材料消耗；比值太大則容易在曲柄臂連桿頸側(cè)面形成大飛邊，也不利于曲柄臂充滿。合理選擇曲柄臂橢圓長(zhǎng)、短軸的比值不僅有利于曲柄臂充填飽滿，而且原材料利用率也能達(dá)到一個(gè)合理的水平。平衡塊安裝面的高度是評(píng)價(jià)曲軸鍛件TR彎曲鐓鍛難易程度的重要指標(biāo)，曲柄臂因“缺肉”(充填不滿)沒有加工量往往就是因?yàn)槠胶鈮K安裝面的高度太高所致。為此，TR彎曲鐓鍛法采取預(yù)鍛工步來解決曲柄臂“缺肉”問題。

1.2.3 預(yù)鍛量

預(yù)鍛功能是TR彎曲鐓鍛法的創(chuàng)新點(diǎn)，預(yù)鍛的本質(zhì)是通過預(yù)鍛模實(shí)現(xiàn)對(duì)曲軸加熱坯料的非對(duì)稱聚料，而預(yù)鍛的主要目的就是保證曲柄臂平衡塊安裝面的充滿，特別是對(duì)于平衡塊安裝面高而且寬的曲軸，預(yù)鍛工步是非常必要的。預(yù)鍛量大小的控制是通過調(diào)整預(yù)鍛模寬度、高度以及型腔尺寸來實(shí)現(xiàn)的，因此預(yù)鍛模的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。預(yù)鍛模設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮三個(gè)因素即曲柄臂形狀、坯料規(guī)格大小、預(yù)鍛后坯料的當(dāng)量圓直徑。

2 MAN L27/38系列曲軸鍛件TR鐓鍛工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)踐

2.1 7L27/38P曲軸成品主要技術(shù)參數(shù)

表1為7L27/38P曲軸成品主要技術(shù)參數(shù)。

2.2 7L27/38P曲軸粗加工主要技術(shù)參數(shù)

7L27/38P曲軸鍛件調(diào)質(zhì)前須進(jìn)行粗加工，所以曲軸鍛件是否合格是按照粗加工尺寸來進(jìn)行劃線檢查、驗(yàn)收的。粗加工尺寸是曲軸鍛件的設(shè)計(jì)依據(jù)。7L27/38P曲軸主要粗加工尺寸見表2。

2.3 7L27/38P曲軸鍛件主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)7L27/38P曲軸成品尺寸、粗加工尺寸，綜合考慮調(diào)質(zhì)熱處理變形、鍛件幾何尺寸精度等因素，以保證曲拐成形飽滿，完全滿足粗加工圖的要求為鍛件設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)出了7L27/38P曲軸鍛件。曲軸鍛件材料為42CrMo4，其三維實(shí)體圖見圖1，主要技術(shù)參數(shù)見表3。

從表3可知：

(1)7L27/38P曲軸鍛件主軸頸、連桿頸開檔較窄，對(duì)鐓鍛用的彎曲上、下模以及定位、夾緊擋板工裝壽命不利。

(2)曲柄臂橢圓長(zhǎng)、短軸比值為a/b=567 mm/436 mm=1.3，屬于典型的“瘦長(zhǎng)型”曲柄臂，達(dá)到了鐓鍛工藝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)控制值的上限。

(3)平衡塊安裝面高度h=224 mm，公司以前還沒有鍛造過這樣的曲軸鍛件。一系列數(shù)據(jù)表明7L27/38P曲軸鍛件是公司歷史上鍛造難度最大的曲軸鍛件。

表1 7L27/38P成品曲軸主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of 7L27/38P finished crankshaft

表2 7L27/38P曲軸主要粗加工技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of rough machining for 7L27/38P crankshaft

表3 7L27/38P曲軸鍛件主要技術(shù)參數(shù)Table 3 Main technical parameters of 7L27/38P crankshaft forging

圖1 7L27/38P曲軸鍛件三維造型Figure 1 3D model of 7L27/38P crankshaft forging

針對(duì)上述三個(gè)方面的鍛造難點(diǎn)，鐓鍛工藝設(shè)計(jì)采取以下措施：

(1)針對(duì)主軸頸、連桿頸開檔窄，將定位、夾緊擋板設(shè)計(jì)成鑲塊式。

(2)針對(duì)“瘦長(zhǎng)型”曲柄臂，在保證曲柄臂充填飽滿的前提下必要時(shí)在終鍛后氣割飛邊。

(3)為確保平衡塊安裝面充填飽滿，在坯料使用尺寸確定為?332 mm的情況下，一是采用大預(yù)鍛量；二是采用一個(gè)曲拐兩個(gè)火次鍛造完成，即采用加熱、預(yù)鍛、再加熱、終鍛方式。

3 7L27/38P曲軸鍛件生產(chǎn)實(shí)踐

3.1 第一次試驗(yàn)

第一次試模鍛造3個(gè)曲拐，存在如下質(zhì)量問題。

(1)曲柄臂主軸頸側(cè)面有折疊，見圖2。

(2)曲柄臂連桿頸側(cè)面有折疊，見圖3。

(3)曲柄臂充填不滿，“缺肉”嚴(yán)重，見圖4。

(4)曲柄臂連桿頸側(cè)面飛邊過大，見圖5。

圖2 曲柄臂主軸頸側(cè)面折疊Figure 2 Main journal side overlap of crank arm

圖3 曲柄臂連桿頸側(cè)面折疊Figure 3 Crankpin side overlap of crank arm

圖4 曲柄臂平衡塊安裝面“缺肉”Figure 4 Underfill on the mounting surface of crank arm counterbalance

圖5 曲柄臂連桿頸側(cè)面徑向大飛邊Figure 5 Side radial big flash on crankpin of crank arm

3.2 第一次試驗(yàn)結(jié)果分析及后續(xù)的工藝措施

從3拐曲軸鍛造試模結(jié)果來看，7L27/38P曲軸鍛件技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)存在嚴(yán)重問題，鐓鍛工藝設(shè)計(jì)采取的措施效果不夠明顯，還需做進(jìn)一步的分析并解決存在的問題。

(1)優(yōu)化部分粗加工尺寸，允許局部鍛造黑皮在曲軸半成品交貨狀態(tài)時(shí)消除。據(jù)此優(yōu)化了部分鍛件尺寸，特別是曲柄臂鍛件尺寸，以減小鍛造難度。優(yōu)化后的7L27/38P曲軸鍛件主要技術(shù)參數(shù)見表4。

相比表3，曲柄臂橢圓長(zhǎng)、短軸的比值a/b=552 mm/460 mm=1.2減小了0.1，平衡塊安裝面高度減小了12 mm。鍛造難度有所降低。

(2)針對(duì)曲柄臂主軸頸、連桿頸側(cè)面折疊，與某大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院合作，采用DEFORM 3D軟件對(duì)鍛造過程進(jìn)行數(shù)值模擬與仿真分析，弄清了曲柄臂主軸頸、連桿頸側(cè)面折疊產(chǎn)生的原因。根據(jù)數(shù)值模擬與仿真分析結(jié)果，我們將曲軸坯料使用尺寸?332 mm改為?335 mm，坯料連桿頸環(huán)槽由直槽改為帶45°的斜度，解決了曲柄臂連桿頸側(cè)面折疊，見圖6。

表4 優(yōu)化后的7L27/38P曲軸鍛件主要技術(shù)參數(shù)Table 4 Optimized main technical parameters of 7L27/38P crankshaft forging

圖6 曲軸坯料連桿頸環(huán)槽Figure 6 Crankpin ring groove of crankshaft blank

圖7 優(yōu)化前預(yù)鍛模模型、實(shí)物及剖面圖Figure 7 The blocker model, substance and sectional drawing before optimizing

圖8 2拐L27/38P曲軸鍛件Figure 8 The crankshaft forging of L27/38P with 2 crankthrows

圖9 7L27/38P整體曲軸鍛件Figure 9 7L27/38P integral crankshaft forging

采取兩項(xiàng)工藝措施解決曲柄臂主軸頸側(cè)面折疊，一是優(yōu)化預(yù)鍛模型腔尺寸，見圖7；二是預(yù)鍛后氣割飛邊。

優(yōu)化后預(yù)鍛模L從70 mm增加至100 mm，圓角半徑R從242.5 mm增加至292.5 mm。寬度B從456 mm增加至497 mm。

(3)為解決曲柄臂充填不滿，“缺肉”問題，增加預(yù)鍛模寬度，將預(yù)鍛模與夾緊、定位擋板之間的間距由30 mm減小到15 mm，以進(jìn)一步增大預(yù)鍛量。

(4)曲柄臂連桿頸側(cè)面飛邊過大。盡管曲柄臂短軸尺寸增加了24 mm，但7L27/38P曲軸鍛件曲柄臂仍屬“瘦長(zhǎng)型”，大預(yù)鍛量容易導(dǎo)致終鍛時(shí)在曲柄臂連桿頸側(cè)面產(chǎn)生大飛邊，為了不影響后續(xù)鍛造入模，采用氣割消除。

3.3 第二次試驗(yàn)

第二次試模鍛造2個(gè)曲拐，實(shí)物質(zhì)量表明：曲柄臂內(nèi)、外側(cè)折疊完全消除，平衡塊安裝面“缺肉”都得到了較好解決，至于曲柄臂連桿頸側(cè)大飛邊則通過鍛后氣割予以解決，見圖8。

3.4 整體曲軸鍛件的生產(chǎn)實(shí)踐

截止到2011年12月底，L27/38P和L27/38G兩大系列曲軸鍛件都已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化并批量生產(chǎn)，已累計(jì)生產(chǎn)了52支。曲軸鍛件完全滿足下工序粗加工尺寸要求，一次性交檢合格率100%。圓滿完成了L27/38P、L27/38G曲軸鍛件的開發(fā)任務(wù)，結(jié)束了國(guó)內(nèi)主流船用主、輔機(jī)廠家曲軸完全依賴進(jìn)口的局面。圖9為7L27/38P整體曲軸鍛件。

4 結(jié)束語

曲軸鍛件TR鐓鍛工藝是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，影響因素多且變形機(jī)理復(fù)雜。要生產(chǎn)出滿足鍛造工藝設(shè)計(jì)要求的曲軸鍛件，不僅需要豐富的工藝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，而且也需要大量的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐。合理的工藝設(shè)計(jì)、有效的工藝措施以及工序過程的嚴(yán)格控制都是必要的質(zhì)量保證手段。特別是采用先進(jìn)可靠的模擬分析軟件，對(duì)于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期大有幫助。7L27/38P曲軸鍛件的成功鍛造，驗(yàn)證了最終優(yōu)化改進(jìn)的工藝方案是合理的，采取的工藝措施是有效的。

[1] 萬煦義.大中型全纖維曲軸鍛造方法的探討[J].大型鑄鍛件，2006(3).

[2] 張志文.鍛造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

[3] W.Walczyk. Forging process of crankshafts and tolling design manual[C]. Pozan，2004.

[4] 7L27/38曲軸鍛件成形分析研究報(bào)告[R].重慶大學(xué)、曲軸事業(yè)本部課題組，2008.