大型船用曲軸曲拐彎曲鍛造模具及預成形毛坯的設計方法

陳海洲

摘 要：大型船用曲軸曲拐彎曲鍛造模具和預成形毛坯的設計方法由中國科學院金屬研究所發明，屬于鍛造領域的重要研究成果，適用于大型船用曲軸曲拐彎曲的模具和預成型毛坯設計。此項發明借助計算機模擬技術，除了能設計近終型的預成形毛坯、彎曲上模、V型模外，還能優化不同模具的配合使用方法。因此，對大型船用曲軸曲拐彎曲鍛造模具和預成形毛坯的設計方法進行了簡要分析。

關鍵詞：船用曲軸；曲拐彎；曲鍛造模具；預成形毛坯

中圖分類號：TG316.2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.04.116

作為鍛造領域影響重大的發明之一，大型船用曲軸曲拐彎曲鍛造模具和預成形毛坯的設計方法的主要特點為借助計算機模擬技術設計了近終型的預成型毛坯、曲拐彎鍛、精整模具、模具配合使用方法。因此，此項發明不僅是鍛造領域的重要研究成果，也是鍛造工藝的一大進步，極具現實意義。

1 設計方法分析

應用中國科學院金屬研究所發明的大型船用曲軸曲拐彎曲鍛造模具和預成形毛坯的設計方法，能起到消除曲拐彎缺陷、減少曲拐毛坯鍛件加工余量、降低冷加工難度、縮短生產周期等作用。該發明包括下述3項內容。

1.1 近終型預成形毛坯的設計

借助計算機模擬技術設計近終型預成形毛坯的步驟分為以下5步：①以曲拐零件的加工圖紙為依據，對毛坯初形進行設計；②借助計算機模擬技術獲得變形后的曲拐毛坯；③在毛坯鍛件內置入曲拐零件，并通過數值化技術確定各個位置的加工余量；④去除曲拐鍛件的加工余量；⑤借助反變形方法將已去除加工余量的變形鍛件恢復至變形前的狀態，即可獲得預成形毛坯。使用該工藝獲得的預成形毛坯由2部分構成，即板狀曲臂和預成形毛坯凸臺，V形槽位于其中部兩邊的對稱處。

1.2 曲拐彎鍛和精整模具的設計

借助計算機模擬技術設計曲拐彎鍛、精整模具時，主要以曲拐彎曲時的金屬流動規律為依據，并需要確定V形模、插板、上模等的形狀、尺寸的計算公式。其中，各個尺寸都采用極端模擬技術校核。V形模的功能為：可在曲拐毛坯上壓出V形槽，其位置對應于曲拐毛坯中部兩側的對稱位置，上模接觸毛坯的部位為弧形，下模的內腔結構為楔形；凹模設置在楔形下模的底表面，下凹模接觸毛坯的部位為弧形；插板兩側設有擋板，擋板接觸毛坯的部位為弧形，且與其內表面相對應。

1.3 模具配合使用方法的設計

在制備預成形毛坯時，在將鋼錠拔成帶領預成形毛坯凸臺的毛坯后，將借助V形模壓槽制備毛坯（V形槽是對稱的，位于毛坯中部）。在曲拐的彎曲鍛造中，先將上、下模與毛坯對中，并借助上平砧壓上模，使毛坯沿下模內腔彎曲，直到上模接觸到下凹模時停止彎曲，從而獲得中部為圓柱形的曲拐毛坯。使毛坯從下模中脫出——通過旋轉上模使毛坯轉動90°。移動臺板，保證上、下平砧與毛坯處于水壓機的操作空間內，并通過上、下平砧沿曲柄銷端到曲臂端將毛坯壓向上模。在此過程中，需翻轉平砧，以保證曲臂平行、長短一致。取出上模，將其插入插板，并確保毛坯曲臂壓向插板的高度與設計要求相符。修整外形，并將插板取出。具體如圖1所示。

2 應用意義

作為柴油機的關鍵部件，曲軸的意義巨大。目前，我國的曲軸年需求量已超過200根，但由于國內的制造技術相對滯后，曲軸多購于國外。進口曲軸除了成本高之外，還具有交貨不可靠的風險，導致我國船舶工業的發展受到了限制。因此，解決曲軸相關的技術問題是非常必要、迫切的。在我國，常見的曲軸多采用半組合式結構。其中，包括自由端軸頸、輸出端軸頸、中間主軸頸、曲拐紅套等部分，前三者的毛坯形狀相對比較簡單，且尺寸較小，所以，整體制造難度不高。但在應用過程中，曲拐彎曲成形時內開檔出現折疊裂紋的概率較高，且曲臂側面常存在明顯的缺陷，嚴重影響了鍛件的質量，甚至部分鍛件根本無法使用。此外，鍛件加工中還普遍存在余量不均、難度過大、廢品出現率高等問題。

大型船用曲軸曲拐彎曲鍛造模具和預成形毛坯的設計方法是一種全新的理論方法，將其應用于實踐中，不僅可消除曲拐彎鍛中的常見缺陷，還能將鍛件的加工余量降至最低，從而提升曲軸產品的質量；可使試驗次數大大減少，從而降低研究成本；借助計算機模擬技術，可實現對鍛件尺寸、形狀的準確預測，從而保證鍛件的質量。因此，該項發明不僅具有重要的理論意義，還具有非常高的實用價值，對解決船舶工業發展中的難題起到了一定的幫助。

3 結束語

在信息技術取得大發展、鍛造理論不斷完善的背景下，借助計算機模擬技術預測大型鑄鍛件的成形過程已成為一種實用的方法。目前，該設計方法相應的模擬軟件已經被開發出來，這些軟件均能實現金屬塑變過程模擬，并得出較為可靠的結果。因此，將大型船用曲軸曲拐彎曲鍛造模具和預成形毛坯的設計方法應用于實踐中，對促進現代船舶工業的發展具有重要意義。

參考文獻

[1]劉峰.船用曲軸鍛鋼件的超聲波檢測[J].重工與起重技術，2015（02）：27-29.

〔編輯：張思楠〕