大型六拐曲軸自由鍛造工藝研究

文/趙艷敏,李晶晶,趙熙喆·沈陽鑄鍛工業有限公司鍛造分公司

大型六拐曲軸自由鍛造工藝研究

文/趙艷敏,李晶晶,趙熙喆·沈陽鑄鍛工業有限公司鍛造分公司

本文主要闡述大型六拐曲軸鍛件的鍛造過程，并分析過程中的各個控制要點和操作方法，確定出較為合理的工藝參數，從而保證六拐曲軸的外觀質量及內在質量。

壓縮機是動力機械的心臟，曲軸則是壓縮機中的脊梁。作為傳遞動力的傳動體，曲軸將活塞的往復運動轉換為旋轉運動，并向外輸出全部功率。由于其工作中承受周期不斷變化的氣體力、往復運動質量慣性力、旋轉急動離心力等復雜交變載荷，同時還要承受振動附加應力的作用，產生扭轉和橫向與縱向振動，承受拉、壓、彎曲等載荷，受力情況復雜，容易產生疲勞破壞，因此對曲軸的強度、剛性、韌性和耐磨性等綜合機械性能提出了較高的要求。針對大型六拐曲軸，對鍛件本身的形狀尺寸，尤其是拐與拐之間的角度尺寸控制也極為嚴格。

工藝確定過程

鍛件的工藝尺寸及技術要求

我公司為某氣壓機廠生產的六拐曲軸鍛件圖如圖1所示，交貨重量9100kg，材質35CrMo，按氣壓機廠0061-2002Ⅴ組標準驗收，其技術指標如表1所示。

由表1可看出，六拐曲軸鍛件形狀較復雜，技術條件要求嚴格，其主要生產技術難點在于：

⑴該曲軸曲拐成120°夾角均勻分布，因此鍛造成形時要保證角度準確，這是鍛造成形難點。

⑵超聲波探傷、低倍、金相等內部質量要求嚴格，需從冶煉、鍛造和鍛后熱處理等多方面采取相應技術措施，才能確保達到技術要求。

工藝流程

其工藝流程為：冶煉——鋼錠加熱——鍛造——鍛后熱處理——鍛件外觀檢驗——機械加工——物理檢驗——交貨。

表1 技術指標

圖1 六拐曲軸鍛件圖

工藝方案制定

冶煉

由于對六拐曲軸的低倍組織及非金屬夾雜物的要求比較嚴格，為保證其質量，采用真空精煉工藝，即電爐粗煉鋼水+LFV鋼包精煉。真空精煉過程要嚴格控制真空度和真空保持時間，真空度要控制在100帕以下，保持時間15～20分鐘。這樣就能保證從源頭上有效控制鋼錠內部質量，減少鋼中夾雜與偏析，控制S、P≤0.015%、〔H〕≤3ppm。

本工藝選用14t真空精煉鋼錠，材料利用率為65%。

鋼錠加熱

加熱的目的是使鋼獲得單一的奧氏體組織，提高塑性，降低變形抗力，同時使分子擴散，成分均勻化。加熱溫度和保溫時間是加熱過程的主要控制參數。頭幾火在保證不過燒的情況下，溫度盡可能的高，選擇1220～1250℃；最后一火選擇1150～1180℃，這樣保證曲軸在要求的剩余鍛比情況下，能夠得到比較細的晶粒，同時保證魏氏組織的形成級別符合技術標準要求。

六拐曲軸鍛造工藝編制

⑴一火：壓鉗口，倒棱，錯水口。

操作中要確保鉗口不能壓偏，這樣才能保證鋼錠的軸心不致于在后續變形過程中發生偏斜，避免大鋼錠中心部位冶金質量較差部分流動到危險截面。

⑵二火：鐓粗至φ1600mm。

根據鍛件機械性能和探傷要求，鍛造比選取K≥4。14t鋼錠直接拔長不能滿足鍛比的要求，故增加鐓粗工序。保證鐓粗直徑足夠大以提高鍛比，使曲軸的綜合性能指標得到提升。鐓粗后將保溫時間增加50%以增加下道工序壓實效果。

⑶三火：寬砧走扁方拔長至截面為正六方800mm的坯料。

鋼錠的鍛透程度、內部裂紋的萌生和鍛件成形質量，均與變形坯料的尺寸變化直接有關。反映在拔長工序中體現在對相對送進量（砧寬比）、料寬比和壓下量等方面，應對其進行有效地控制。縱向砧寬比及橫向料寬比示意圖如圖2所示。

圖2 縱向砧寬比及橫向料寬比示意圖

平砧拔長矩形截面坯料，其實質就是矩形毛坯進行局部鐓粗加剛端影響的結果。由于直接處于砧子作用下的變形區要受到與其毗鄰自由端（不變形端）的作用，故與平砧單獨鐓粗方柱體相比：當砧寬比A/H＜0.5時，會增大變形體中心的軸向拉應力σx，同時坯料心部變形量小，不利于中心壓實。而砧寬比A/H＞0.5時，會減小變形體中心的軸向拉應力σx。當A/H≥0.6～0.8時，軸向會作用壓應力，此時坯料心部受力狀態良好，變形區出現側面單鼓形，坯料中間區域變形量大，有利于焊合冶金缺陷。

寬砧走扁方拔長法，就是為保證拔長變形體的內部質量，采用大送進量即滿砧進給，A=W(W為上砧寬度）；大壓下量，每次壓下率εH1和εH2都在20%左右。在拔長過程中，控制縱向砧寬比W/H在0.6～0.8之間，絕大部分拔長變形時間內，瞬時砧寬比在一個方向，即軸向可以達到最佳參數值0.7，控制橫向料寬比0.5＜B/H＜2（如圖2所示）。經過90°翻轉，確保坯料在不同方向上均產生壓縮變形，翻轉180°可使坯料在一個方向上變形十分充分，達到鍛件內部組織和性能比較均勻的效果。拔長過程中，坯料一直呈扁方狀態，在橫向截面表現為壓扁。根據剛塑性力學拉應力理論，這種條件下，坯料的變形主要在坯料中心部分，壓下量增大，易變形區擴大。再由于坯料心部受與其毗鄰自由端（不變形端）的限制，軸向受壓，從而增強了心部壓實效果，使鋼錠心部的疏松、夾雜物被充分打碎壓合。故寬砧走扁方拔長法，既可保證坯料心部充分變形，使鋼錠內部不可避免的孔隙提前焊合，又可避免產生RST效應及表面變形不均勻。

寬砧走扁方拔長法就是用上、下寬平砧（砧寬800mm），按照WHF法壓下程序，根據具體的變形數據，在高溫下對坯料進行拔長鍛造。按照WHF法中的展寬系數公式：α=0.78-0.14H－3、△b=α·△H（α：展寬系數；H：壓下前高度；△H：高度壓下量；△b：寬度展寬量），確定每一次變形的工藝參數，計算出該拔長各過程的截面尺寸。

具體操作過程為：上下800mm寬砧，先將鐓粗后的坯料拔至1500mm。滿砧進給壓下率為20%。

⑴開始第一次走扁方拔長：以180°翻轉，壓至截面950mm×1810mm。

⑵翻轉90°開始進行第二次走扁方拔長：以180°翻轉，壓至截面950mm×1400mm。

⑶翻轉90°壓至截面：φ1150mm，開坯正六方形截面800mm（圖3）。

圖3 寬砧走扁方拔長坯料圖

為了確保圖1中Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ部位之間互成60°，首先要鍛六方鍛坯。按經驗公式：（A為六拐曲軸板部寬度，B為板部厚度），確定鍛制六方鍛坯的尺寸為六方800mm。要求六方必須保證尺寸、角度正確，避免在后序變形時因此而發生角度失控。

⑷四～五火：進行角度預置，在不同部位、不同方向鍛出曲拐、曲拐徑（具體方法如圖4所示），對曲拐角度進行修正，出成品。

為確保曲軸鍛件內部質量，對鍛造操作提出如下注意事項：

⑴鍛制正六方鍛坯要求六方要正，保證尺寸、角度的準確性，避免在后序變形時因此而發生角度失控。

⑵壓曲板時，要壓正六角形角對角方向，使其互成60°角。

⑶分料時控制好卡料尺寸，防止曲拐脫節。

⑷整個鍛造過程中注意旋轉方向，防止將三個曲拐角度壓反，造成角度錯誤無法修復。

鍛后熱處理

圖4 六拐曲軸四～五火鍛造工藝卡片

圖5 等溫退火曲線

由于六拐曲軸鍛造火次多，操作控制復雜，為避免曲軸鍛件鍛后存在粗晶、混晶、魏氏組織、白點等缺陷，鍛后六拐曲軸采用等溫退火處理，達到細化晶粒、調整組織、防止白點、提高鍛后切削性能目的。具體熱處理加熱曲線如圖5所示。

鍛件外觀檢驗

采用此工藝共生產7件大型六拐曲軸鍛件，經檢驗其中一件曲拐部分角度偏差約2°，重新修整后也達到了工藝要求。

鍛件物理檢驗

實施該工藝方案后，所鍛大型六拐曲軸鍛件探傷合格，性能達到技術要求，結果均優于氣壓機廠0061-2002Ⅴ組要求。

結論

⑴采用角度預置法整體鍛造大型六拐曲軸，是一種新型的鍛造工藝方法。所鍛曲軸金屬纖維連續無扭曲，鍛件質量較好，工裝輔具投入少，鍛件附加值高，經濟效益顯著，可應用于多種等角度多拐曲軸鍛造生產，具有良好的推廣應用價值。

⑵鍛造過程中縱向砧寬比、橫向料寬比及壓下率的控制，對保證鍛造寬薄板類鍛件內部質量具有重要作用。

趙艷敏，沈陽鑄鍛工業有限公司鍛造分公司技術部主任工藝師，高級工程師。主要從事自由鍛造工藝開發及技術服務工作。主持完成的核電站用217t雙鉤國產化開發研制獲得沈陽鑄鍛公司科技成果一等獎，第三代CAP1400核電屏蔽電動泵飛輪保持環的研制獲得沈陽鑄鍛公司科技成果銀獎。