近終形鍛造技術在船用柴油機運動部件中的應用（上）

文/熊武，于海娟·武漢重工鑄鍛有限責任公司

近終形鍛造技術在船用柴油機運動部件中的應用（上）

文/熊武，于海娟·武漢重工鑄鍛有限責任公司

行業發展形勢

目前，我國鍛造行業高檔次模鍛件產品的研制生產仍相當落后，航空、航天、核電、冶金等核心鍛件主要依賴進口。鍛造行業是能耗相對較高、污染相對嚴重，但是又關系民生的基礎行業。既要保證快速發展，又能節材降耗、節能減排、提高效率、降低成本，保護環境、提高技術含量是中國鍛造行業未來發展的共識。鍛造行業節能減排應從直接節能和間接節能兩個方面研究。前者涉及到降低設備能耗、提高設備利用率，采用能耗低的新技術、新材料、新工藝；后者則從節約上下功夫，減少前端的資源消耗和后續的切削加工，從而實現節能減排。

近終形鍛造技術的提出

隨著國家對裝備制造業的重視，形成了以鍛造成形新工藝、新材料、現代電子技術、計算機技術、精密加工技術、測量技術、潤滑技術及新型裝備與自動化技術等相結合的一種先進精密塑性成形技術。這些新技術、新工藝不斷應用于鍛造行業，促進部分零件實現了少切削余量成形或凈成形，即“成形件”接近于“零件”，達到了少、無切削加工的水平，減少了材料浪費，達到大幅降低生產成本的需求。這種工藝技術我們稱之為近終形鍛造技術，即鍛造出來的毛坯尺寸非常接近產品所要求的尺寸。武漢重工公司在大馬力船用低速柴油機運動部件中應用該技術的有連桿、十字頭銷、活塞桿、氣缸蓋和曲軸。下面結合實例詳細介紹一下近終形鍛造技術的應用。

近終形鍛造技術的應用實例

連桿的自由鍛造與模鍛成形技術

從圖1中可以看出，連桿作為較為復雜的鍛件，其生產中的成形過程較為復雜，對鍛造操作工人的要求很高，涉及到壓實、分料、長度控制等多個關鍵環節，鍛后還要防止連桿長度上的彎曲、平面的正反扭曲等，這樣的鍛件進行成本控制是不容易的。

圖2是連桿最終使用時的立體圖，通過圖1、2的對比，我們可以看出，實際上的連桿最終使用時與自由鍛造的鍛件重量相距甚遠，出現這種差距的原因是工藝技術水平的差距。

我們知道在去掉鋼錠的冒口部分（約20%）、底部（3%～5%）加上鍛造過程中的加熱損耗（2%～5%）之后，現在自由鍛造的材料利用率最高也就是75%左右，對于復雜鍛件70%已經是極限，還不包括鍛造操作過程中的分料損失，如何在工藝上提高，使鍛件形狀接近最終成形時的形狀，是工藝降成本的迫切要求。

圖1 某機型自由鍛造連桿鍛件圖

圖2 連桿最終使用時的立體圖

連桿模鍛技術的研究

自由鍛造走向模鍛是市場迫切需求，也是企業自身發展的需求。模鍛不僅僅是成本上的節約，同時也是質量的保證，模鍛產品通過型腔的擠壓，在內部質量上優于同類自由鍛造產品。

兩種工藝技術最終對成本的影響是非常顯著的，比如針對某種特定機型，工藝上對鋼錠的要求分別是：自由鍛造12t鋼錠只能生產一件產品，而模鍛14t鋼錠可以生產兩件產品，通過以上兩種工藝方法的對比可以說明，模鍛在原材料節約上有著非常大的優勢，同時模鍛鍛件因為外形已經非常接近最終產品，在后續的機械加工所需臺時較少，產品第二次熱處理的能耗更低，生產周期更短，對滿足客戶交貨期及產品質量有非常大的優勢。

兩種工藝技術對比，模鍛連桿的生產成本僅為自由鍛造連桿的60%左右，在市場競爭中具有壓倒性的優勢。兩種工藝方法在粗加工的時候，模鍛更加接近最終成形的尺寸，因此模鍛的鍛造工藝重量也就更為接近最終所需產品的重量。兩種工藝下材料的利用率，相對來說，模鍛的更高，同時因為工藝方法的不同，在接近最終產品的成形過程中，消耗的輔料更少，模鍛的生產成本更低。低成本、優質量、短周期、高效率是金融危機后的供貨特點，這就對生產工藝提出了更高要求，批量性產品模鍛或者部分模鍛是未來鍛造行業的發展趨勢。

十字頭銷摔子成形技術

十字頭銷作為船用鍛件，也是非常具有代表性的產品之一，它的外形較為簡單，但是在工藝設計上也是有難度的。我們知道船用產品無論是設計計算還是現場監造都要經過船級社的審查。這就涉及到產品試樣的選取及工藝成本控制的矛盾問題。在工藝試驗上，要求每件產品都帶試樣，這樣在設備允許的范圍內，可以采取多件連鍛，兩端試樣的方法是降低生產成本及試驗費用的有效方法。

十字頭銷在工藝設計上一般都是以光軸形式出現，多數采用數件連鍛，這樣光軸的直線度，以及鍛造時的圓度就是影響工藝成本的最主要因素，采用摔子鍛造的光軸，單邊余量可控制在10mm以內，然后通過鍛后熱處理、船檢合格后單件交貨。圖3為船檢合格后單件十字頭銷粗加工后的照片。

利用摔子成形直徑在500mm、長度為7000mm的光軸與一般自由鍛造的光軸相比，直徑方向余量減少20mm左右，材料利用率約提高5%～7%，加上后續的機械加工等因素的影響，工藝成本降低7%左右。經過摔子成形的光軸類鍛件，在工藝上更加省料，生產的成本更低，成本比自由鍛造成形的光軸低7%～8%，因此摔子是成形光軸類產品的必備工裝。

圖3 某機型粗加工后十字頭銷

活塞桿的自由鍛造與法蘭鐓鍛成形技術

活塞桿屬于兩端帶法蘭類的軸系鍛件，在鍛件中也具有代表性。一般成形這種鍛件時，鋼錠經過鐓拔，達到鍛件成形所需要的鍛造比之后，開始號印分料，桿部可以通過摔子成形，但是法蘭一般寬度在200mm以內，鍛造完成后，法蘭寬度基本上在400mm以上，最終產品的法蘭寬度并不寬，這就造成工藝上的成本浪費。

通過圖4和圖5的對比可以看出，對于成形較小法蘭的鍛件，法蘭寬度精度僅僅靠自由鍛造成形時的操作控制并不現實，在實際操作中，為了控制兩法蘭之間的距離，法蘭的寬度有所放寬，這就造成了實際上的實物比鍛造工藝要求的寬度還要大很多。法蘭直徑較小時，浪費材料不明顯，但是直徑大的鍛件，這一矛盾就凸顯了。如船用的中間軸、槳軸，還有一些帶法蘭的水電鍛件軸類，其法蘭直徑超過1500mm，鍛件重量超過1400kg，兩個法蘭鍛件重量就是2800kg，折算成鋼錠大約4～5t。

圖4 自由鍛活塞桿鍛件圖

圖5 粗加工后的活塞桿

在此基礎上，軸類鍛件利用模具鐓鍛成形，嚴格控制法蘭寬度，壓縮鍛件與最終產品之間的尺寸差別，尤其是通過摔子控制桿部尺寸，通過法蘭鐓鍛技術控制法蘭寬度，如圖6、7所示。

圖6 法蘭鐓鍛前模具及工藝圖

圖7 法蘭鐓鍛后示意圖

通過以上技術對比，可以發現自由鍛造與模鍛的區別，就20t鍛件而言，使用模具分步鍛造，鍛件與最終使用產品之間的機械加工廢料減少10%～15%，也就是說生產成本控制上降低10%～15%。因此，法蘭鐓鍛技術是成形帶法蘭軸系鍛件產品的發展方向。

《近終形鍛造技術在船用柴油機運動部件中的應用（下）》見2016第11期