S90級船用曲拐擠壓成形試生產研究

張彥娟， 孫統輝， 任 杰， 張瑞華

（1.洛陽中重鑄鍛有限責任公司， 河南 洛陽 471039；2.中信重工機械股份有限公司， 河南 洛陽 471039；3.上海電機學院， 上海 201100）

0 引 言

曲軸是機器傳遞動力與運動或運動方式轉換的零件，廣泛用于以內燃機為動力的機器。在大型船舶中曲軸被譽為“心臟”中的部件，承擔船舶發動機動力的輸出，是整個機械動力系統的推動源[1-3]。大型船舶的曲軸服役中既承擔巨大的載荷，又工作于潮濕、酸性的環境中，因此，其物理性能要求高，如強度、剛度以及耐磨性等；曲軸在組織上也要求嚴格，必須內部缺陷數量少，纖維組織分布合理。此外還要求鍛件的材料利用率高，以期達到良好的制造經濟效益。

當曲軸的尺寸、質量比較大時，實現其整體制造有技術與經濟兩方面的困難。因此，當主軸頸超過300 mm后采用組合結構，由4種零件組合而成，即輸入端、曲拐、主軸頸和輸出端，其中曲拐是形狀復雜、質量大、數量多和承載復雜的零件，圖1所示為S90級曲軸和裝配前的曲拐零件，曲軸質量為19.8×103kg。

圖1 S90級曲軸和裝配前的曲拐零件

為保證大型船舶航行的安全性，曲拐采用冶煉鑄錠、鍛造制坯、切削加工和熱處理的工藝進行生產，鍛造起著改善鑄錠組織、為切削加工提供良好形狀的坯料、為熱處理做好組織準備的作用，曲拐鍛造工藝經歷了如下發展過程。

（1）塊鍛法：根據曲拐的尺寸，將鋼錠鍛造成長方體狀，然后按曲拐厚度分段切開，得到曲拐鍛坯，如圖2所示。其特點是鍛造成形容易，不需要工裝模具，鍛造火次少，但金屬纖維分布不合理，材料利用率低，后續加工量大，經濟效益差，已被淘汰[4]。

圖2 曲拐塊鍛法

（2）環鍛法：采用中空鋼錠或沖孔的鍛坯進行擴孔，再鍛成扁方環，從中間切斷成形為U型坯料，得到2個曲拐鍛件，如圖3所示。其特點是材料利用率能提高，減少了后續切削的工作量，金屬纖維連續、分布合理，但鍛件成形工序多且復雜，工裝模具更換多，效率低，所以應用較少。

圖3 曲拐環鍛法

（3）彎鍛法：其是目前國內外應用最多的方法，將鋼錠鍛成曲拐展開的形狀，然后彎曲成形，壓平修整得到鍛件，如圖4所示。其特點是金屬纖維連續分布合理，工裝模具簡單，操作方便，成形容易，但在曲拐銷處容易產生折疊、超寬、缺料等缺陷，且鍛件材料利用率低，目前多用于小批量生產。

圖4 曲拐彎鍛法

（4）臺模鍛法：鋼錠先鍛成長方形截面的毛坯，然后放入淺凹模中成形曲拐頸端，再從上端沿對稱面將坯料切開，放倒拔長兩臂并精整，如圖5所示。其主要缺點：①施壓工序多，需采用3種凸模順序施壓，更換凸模頻繁、時間長，降低了生產效率；②生產的鍛件尺寸精度差，材料利用率低，后續加工量大，技術與經濟效益較差。

圖5 曲拐臺模鍛法

鑒于國內外曲拐鍛造技術的不完善和機械制造業的生產與發展對其巨大的需求，現研究一種新的擠壓技術生產曲拐。

1 曲拐擠壓成形技術

1.1 曲拐鍛造難點

組合曲軸用于大型船舶及其它大型機器，對其需求雖有一定的數量，但遠少于用于普通車輛的小尺寸曲軸的數量。就大型船舶制造需求的組合曲軸，約需500～800根，相應曲拐的數量為4 000～6 000個，其曲拐的質量在10×103kg以上，實現曲拐近凈鍛造存在以下難點。

（1）難以采用常規的模鍛工藝。通常小尺寸曲軸的生產是采用專用模鍛生產線，如機械壓力機熱模鍛、液壓螺旋壓力機模鍛以及錘上模鍛生產線，既能較好地滿足產品技術要求，又滿足大批量生產，且投資不大。然而曲拐質量大，所需生產線設備的壓力大，投資大，又因產量少，設備開動率低，導致技術與經濟的綜合效益差。目前還沒有曲拐模鍛專用生產線，其鍛造都是在通用鍛壓設備上進行，如大型自由鍛液壓機或擠壓液壓機，這給提高曲拐鍛件的尺寸精度和生產效率造成了困難[5]。

（2）曲拐的尺寸大形狀復雜。由圖1可知，曲拐不僅尺寸大，而且形狀復雜，加熱保溫時間長，表面氧化嚴重，粘連的氧化皮易造成表面局部凹坑而缺料；通用鍛壓設備難以成形復雜的形狀，這使實現曲拐的小余量鍛造更加困難，也是目前曲拐鍛件材料利用率低的原因之一，目前曲拐鍛件與交貨零件的質量比為2.1∶1，即鍛件材料利用率不到50%[6]。

（3）實現高生產效率和低能耗困難。通常電站用鍛件的價格高于船用鍛件的價格，如轉子價格是曲拐的近2倍，但曲拐的形狀要比轉子復雜，其鍛造成形需要的火次多，中間需更換的工具與輔具多，實現高生產效率和低能耗困難[7]。

1.2 曲拐擠壓成形方式選擇

1.2.1 曲拐的形狀特點與成形方式選擇

由圖1（a）、（b）可知，大型曲拐由兩曲臂和連桿頸組成，曲臂與曲軸主軸頸連接的一端稱為曲拐的主軸頸端，因服役與組裝的需求，此端為半圓形，并開有大的主軸孔；另一端與連桿頸制為一體，常稱為連桿頸端，因對稱關系，曲拐成U形，為減小旋轉運動的質量，此端設計為近似錐狀截面；曲臂的中間段接近矩形厚板，間距較窄，通常小于兩臂的壁厚[8]。

基于大型曲拐的形狀特點，采用擠壓方式成形比較合適，其原因：①除兩端外，兩臂外形和其間距都近似為等截面，且長度較長，適合擠壓成形；②連桿頸和兩臂間距可一次擠壓成形；③兩端部的形狀可借助擠壓凸模與凹模兩端施壓成形。

1.2.2 曲拐形狀及擠壓工序的制定

由于曲拐的尺寸質量大，目前沒有合適的軋制坯料，只能采用冶煉、鑄錠、鍛制坯的生產工藝，具體工藝流程：冶煉→鑄錠→加熱→自由鍛制坯→加熱→表面清理→擠壓成形→熱處理→切削加工。擠壓前的坯料形狀為長方體形，如圖6（a）所示，形狀簡單，便于自由鍛制坯，也便于擠壓前的表面清理。

由圖1可知，曲拐的主軸孔徑較大，受設備的運動自由度少和孔局部壁薄的限制，直接鍛造困難，留待后續切削加工制造。若采用擠壓成形不僅可節省材料，而且可減少相應的切削加工量，擠壓后的曲拐如圖6（b）所示。

圖6 曲拐的擠壓成形

1.3 曲拐擠壓模的結構與工藝過程

1.3.1 曲拐擠壓模結構

圖7所示為曲拐擠壓模結構，由擠壓凸模、擠壓筒和擠壓凹模構成

圖7 曲拐擠壓模結構

1.3.2 曲拐擠壓成形過程

（1）擠壓模位于擠壓機動梁與移動工作臺之間，擠壓筒固定在移動工作臺上，擠壓凸模固定在動梁下面，擠壓模中心線與擠壓機中線重合。為便于將坯料放入擠壓凹模內，擠壓前需將擠壓凹模隨擠壓筒從擠壓機正下方移出。曲拐的擠壓坯料質量為10×103kg以上，加熱后的坯料需用吊鉗夾置放入凹模，如圖8所示。

圖8 移出擠壓筒放置坯料

（2）坯料放入凹模后，需將凹模隨擠壓筒移到擠壓機的工作位置，擠壓模中心線與擠壓機中線重合。擠壓機動梁帶動擠壓凸模下行進行擠壓，直至擠壓凸模到規定的位置，完成曲拐的擠壓成形，如圖9所示。

圖9 移入擠壓筒并擠壓成形

（3）完成曲拐的擠壓成形后，為減少模具受熱回火和取出擠壓成形的曲拐，擠壓凸模在擠壓機動梁帶動下，迅速退回，脫離擠壓凹模，如圖10所示。

圖10 擠壓凸模退出

（4）擠壓凸模退出后，擠壓機的下頂出機構將成形的曲拐頂出，擠壓凹模隨擠壓筒從擠壓位置移出，再利用吊鉗將擠壓成形曲拐取走，如圖11所示。隨后進行下一次的曲拐擠壓成形，如此循環完成曲拐擠壓生產。

圖11 取出擠壓成形的曲拐

2 曲拐擠壓成形的數值模擬研究

為驗證曲拐擠壓成形技術方案的可行性，了解擠壓成形過程中材料的流動規律和變形分布，計算擠壓成形所需的載荷，采用數值模擬方法進行研究。

2.1 曲拐擠壓成形的數值模擬

2.1.1 力學模型

采用鍛造商業軟件forge進行數值模擬，擠壓模的材料選用模具鋼L6，坯料擠壓變形的初始溫度為1 230 ℃，模具的預熱溫度為350 ℃，擠壓速度為30 mm∕s，采用常摩擦條件，摩擦因子取0.7，模具零件與坯料間的換熱系數為60 W∕(m2·℃)，數值模擬的力學模型如圖12所示。

圖12 數值模擬的力學模型

2.1.2 曲拐擠壓成形過程的模擬

材料多樣且裝飾豐富的蓋碗茶具，適應著現代茶事活動需求，依然活躍在茶空間中。工藝及裝飾保留優秀傳統技藝的同時與時俱進，形制上并無明顯突破，依舊是傳統的氣質。功能上的新發展，使其漸漸成為適應各類茶事活動需求的不可或缺的一類茶具（如圖10）。

為了解曲拐擠壓成形的過程，在凸模的擠壓行程中取6個行程點觀察坯料的變形，分別是初始毛坯、擠壓行程分別為20%、40%、60%、80%、100%。擠壓坯料的成形狀況如圖13所示。

圖13 曲拐擠壓的坯料變形過程

2.1.3 數值模擬結果分析

由于曲拐的曲臂厚度大于兩臂間距，因而凸模較窄，擠壓成形過程分為2個階段，其分界點約在凸模行程80%處。

在凸模完成行程的80%前，此階段的變形主要集中在凸模下方與兩臂內側，主軸頸端的兩臂內側有一定的塌角，其是在擠壓的最初階段形成，當超過行程的20%后，塌角不再變化。此階段主要是劈開坯料、初步形成兩臂，兩端的成形較少。曲拐擠壓成形的載荷行程曲線如圖14所示，載荷增大緩慢且較小。

當超過行程的80%后，兩臂頂端處的坯料開始與凸模接觸并逐漸成形，此階段的擠壓載荷隨行程的增加而迅速增大，迫使兩端材料流向兩端深處，完成整個曲拐的成形。

2.2 曲拐擠壓成形的載荷計算

圖14 曲拐擠壓成形的載荷行程曲線

3 曲拐擠壓成形的生產試驗

曲拐擠壓成形的生產試驗包括鋼水冶煉、鑄錠、鋼錠加熱、自由鍛制坯、坯料加熱、坯料表面清理、擠壓成形、鍛后熱處理等全部技術過程。現進行曲拐的擠壓成形試驗，試驗件是S90曲拐，零件交貨質量為16.7×103kg，擠壓后曲拐坯的質量為27×103kg，擠壓后曲拐坯質量是交貨零件的1.61倍。擠壓機的工程載荷為500 MN，擠壓過程中液壓系統顯示擠壓力為420 MN。曲拐擠壓成形的主要工藝過程如圖15所示。

圖15 曲拐擠壓生產試驗

生產試驗后，對擠壓成形的曲拐進行尺寸測量，滿足曲拐的后序機械加工的尺寸要求，試驗設備系統顯示，最大擠壓載荷為420 MN。說明采用擠壓成形方式進行曲拐生產可行。但在大批量生產中需注意以下環節。

（1）擠壓前坯料的形狀尺寸精度控制。擠壓前坯料的形狀尺寸精度是影響曲拐擠壓成形結果和擠壓順利進行的重要因素，當其精度過低時會導致2種不利結果：一是坯料尺寸大或形狀不規范，加熱后難以放入擠壓筒內，導致無法進行擠壓；二是坯料尺寸小或形狀不規范，坯料與擠壓筒間隙大且不均勻，擠壓成形的曲拐兩臂長短不一，壁厚差別大。

（2）去除坯料的表面氧化皮。曲拐質量大，擠壓前加熱、保溫時間長，出爐后表面有一層厚的氧化皮，若沒有去除干凈，會造成局部尺寸缺少而不合格，同時損傷模具。

（3）適當提高加熱溫度。曲拐兩端形狀是最后成形，此時端部材料的溫度降低較明顯，變形流動困難，端部難以成形飽滿，也導致擠壓載荷提升劇烈，適當提高加熱溫度可緩解或消除上述現象。

4 結束語

針對目前曲拐鍛造技術現狀，提出了一種新的擠壓成形技術，以S90級曲拐為例，制定擠壓件的尺寸并設計了擠壓模，采用數值模擬方法模擬不同行程下坯料的成形狀況，計算了擠壓力載荷，并進行擠壓生產試驗，試驗結果表明：擠壓件的尺寸不僅可以滿足后續的機械加工要求，而且擠壓件的質量與交貨零件的質量之比僅為1.61∶1.0，數值模擬結果與生產驗證結果相差不大。