基于RR法某4列壓縮機曲軸鍛造成形工藝研究

文／唐艷，杜紹貴·中車資陽機車有限公司

壓縮機在工業生產各個領域得到廣泛應用，其核心部件之一曲軸結構形式多種多樣。目前，壓縮機曲軸鍛件的主要成形工藝有自由鍛和模鍛兩種，其中，模鍛包含整體模鍛和鐓鍛兩種方法，整體模鍛方法如模鍛壓縮機曲軸鍛造新工藝，鐓鍛方法如一種大型七拐壓縮機曲軸TR鐓鍛成形技術。某4列曲軸為一款新研制壓縮機曲軸，材料42CrMoA，重量678kg，長度2230mm，曲拐半徑88.9mm，繞主軸頸中心回轉直徑φ365mm，相位角90°、180°，從幾何特征來初步分析，采用整體模鍛成形或鐓鍛成形，工藝上都有可行性。本文基于現有裝備和多年的經驗積累，采用RR鐓鍛法對4列壓縮機曲軸鍛造成形工藝開展研究、試驗，完成該曲軸鍛件的研制并實現“近凈成形”。

圖1 4列壓縮機曲軸成品結構尺寸簡圖

4列壓縮機曲軸成品結構尺寸

圖1所示為4列壓縮機曲軸成品結構尺寸簡圖，該曲軸有以下特點：

⑴曲拐角度分布。該曲軸有4個曲拐，曲拐1和曲拐2、曲拐3和曲拐4分別呈180°分布，如果把曲拐1和曲拐2、曲拐3和曲拐4分別視為一個整體，則兩者之間呈90°分布。

⑵曲柄幾何尺寸。除曲柄2、曲柄5厚度為82.6mm外，其余曲柄1、曲柄3、曲柄4、曲柄6厚度均為73mm。而外形尺寸，曲柄1～6完全相同，為橢圓形，長軸365mm，短軸242mm，長短軸之比約1.51。

⑶曲拐結構。從圖1可以看出，該曲軸2個曲拐由2個連桿頸+3個曲柄構成，曲柄2為1、2曲拐共用曲柄；曲柄5為3、4曲拐共用曲柄。

⑷中間長軸頸。由曲拐1、曲拐2和曲拐3、曲拐4構成的2個曲拐整體之間有長度為724mm長的軸頸。

4列壓縮機曲軸成品結構尺寸特點，與柴油機曲軸相比有相似之處，也有不同之處，見圖2。通常柴油機曲柄橢圓長短軸之比小于1.3，中間沒有長軸頸，而最大的不同之處是2個曲拐共用中間曲柄。

4列壓縮機曲軸RR鐓鍛成形工藝方案

針對4列壓縮機曲軸成品結構尺寸特點以及現有裝備條件，該曲軸采用RR鐓鍛法鍛造成形，工藝方案如下。

圖2 4列壓縮機曲軸與柴油機曲軸2拐示意圖

⑴曲軸鍛件成形順序。RR鐓鍛法工藝特點之一是加熱一拐、鍛造一拐，為減輕鍛造過程中換模工作量，鍛造成形順序是第1、第3、第2、第4曲拐或者是第4、第2、第3、第1曲拐。

⑵共用曲柄成形。RR鐓鍛法在鍛造沒有共用曲柄的曲軸坯料時，可一火次完成一個曲拐的終鍛；而對于有共用曲柄的曲軸坯料，以第1、第2曲拐為例，鍛造第1曲拐時，曲柄1終鍛，而共用曲柄即曲柄2只能預成形，否則就不能實現第2曲拐成形，即共用曲柄需要兩火次才能完成終鍛，這一點是RR鐓鍛4列壓縮機曲軸成形工藝方案的核心，見圖3。

4列壓縮機曲軸鍛造工藝設計

鍛件設計

運用“近凈成形”設計理念，減小加工余量、節省材料，并綜合考慮調質熱處理變形及必要加工留量，設計如圖4所示4列壓縮機曲軸鍛件。

坯料設計

圖3 壓縮機曲軸兩拐成形示意圖

圖4 4列壓縮機曲軸鍛件圖

圖5 4列壓縮機曲軸坯料

坯料設計的主要依據是鍛件圖，同時考慮火耗與飛邊，原則是在保證曲軸鍛件質量的同時兼顧減少材料消耗。但對4列壓縮機曲軸鍛件坯料，還需要考慮共用曲柄兩次變形這個重要因素。曲柄1、曲柄3、曲柄4、曲柄6坯料重81.2kg，依據RR法坯料設計經驗，試選坯料直徑φ260mm，由此確定其坯料規格為φ260mm×195mm。曲柄2、曲柄5坯料重102kg，根據鍛件圖，可以得出曲柄臂1、曲柄臂3、曲柄臂4、曲柄臂6的全部水平鐓粗量為195-95=100mm，共用曲柄(即曲柄2、曲柄5)需兩次變形，其坯料長度應為100×2+105=305mm，綜合考慮坯料重量、坯料長度以及利于充滿且不產生缺陷因素，4列壓縮機曲軸坯料如圖5所示。

模具設計

彎曲模設計

不同于柴油機曲軸將曲柄成形型腔置于彎曲上、下模內，4列壓縮機曲軸鍛件由于共用曲柄需要預鍛、終鍛兩個火次，而預鍛、終鍛型腔是完全不相同的，因此只能在彎曲上、下模內設計輔助型腔，將曲柄預成形、成形型腔設置在彎曲上、下模兩側的成形模內，如圖6所示。

共用曲柄預成形模設計

由于共用曲柄需要預鍛、終鍛兩火次成形，而預成形工步非常關鍵，預成形模結構尺寸合理與否，直接影響共用曲柄的終鍛效果。預成形模設計主要考慮以下三個因素：⑴預成形模有足夠容納共用曲柄坯料的預成形型腔；⑵坯料預成形形狀、尺寸有利于共用曲柄終成形；⑶預成形坯料能夠輕松的放入終鍛模膛。

圖6 鐓鍛模具組裝示意圖

通過模擬分析后，設計的預成形模型腔如圖7(a)所示。模具左端截面為橢圓形，右端截面為φ225mm的圓形，橫截面為R200mm的圓弧段。三維造型計算預成形模型腔所能容納的曲軸坯料重為113kg，大于共用曲柄的坯料重量102kg，可見預成形模型腔足夠。共用曲柄坯料預成形后的截面輪廓與其終鍛輪廓線如圖7(b)所示。從圖7(b)中可以看出，共用曲柄坯料預成形形狀近似于其終鍛形狀，有利于終鍛成形；同時，二者之間最小間隙7mm，該間隙能夠保證預成形坯料輕松放入終鍛型腔。

圖7 預成形模設計

圖8 4列曲軸兩拐試驗過程照片

兩拐成形試驗驗證

根據4列壓縮機曲軸成品結構尺寸特點，可把第1、第2曲拐視為一個整體，它和第3、第4曲拐是完全相同的，即兩者的鍛造工藝參數是完全相同的，解決了第1、第2曲拐的成形，自然就解決了第3、4曲拐的成形，也即完成了4列壓縮機曲軸鍛件的研制。

圖8(a)、(b)、(c)分別為兩拐坯料、共用曲柄預成形、兩拐終鍛成形的照片。兩拐試驗件成形效果良好：3個曲柄充填飽滿，中間共用曲柄厚度尺寸完全符合要求，曲拐半徑滿足工藝要求，表面無鍛造缺陷，且鍛造過程中入模、脫模順暢，鍛件加工余量分布均勻。試驗結果表明試驗選取的工藝參數正確、可靠，可以進行整軸生產驗證。

結束語

4列壓縮機曲軸鍛件成形工藝的關鍵是共用曲柄的預成形及終鍛，本文應用經驗設計和現場實物鍛造試驗相結合的傳統方法，對4列壓縮機曲軸鍛造成形工藝進行研究、試驗，完成了4列壓縮機曲軸鍛件的研制，實現了批量生產；優化曲柄鍛件外形，在滿足成形要求的基礎上，實現了“近凈成形”，將材料利用率提高到51.6%；基于RR法的4列壓縮機曲軸鍛造成形工藝研究，為類似的壓縮機曲軸實現RR、TR模鍛代替自由鍛提供了參考和借鑒。