某出口內燃機車曲軸鐓鍛成形工藝設計研究

文/何正海，杜紹貴，匡利華，單譽·中車資陽機車有限公司資陽曲軸分公司

王萬榮，金軍濤·寧夏長慶石油機械制造有限責任公司

針對某出口內燃機車曲軸鍛件主軸頸開檔窄、曲柄臂厚度薄、平衡塊安裝面高的特點，進行鐓鍛成形難點分析，提出合理的曲柄臂設計方案和預上彎工藝，在數值模擬仿真技術的支持下，完成了該軸單拐和整軸鍛件的生產試制。

經過多年的市場跟蹤與技術交流，2023 年年中與海外用戶簽訂了某新型鐵路內燃機車曲軸組件樣件試制訂單。曲軸組件包含曲軸、曲軸齒輪、平衡塊、螺栓和彈性銷等，除曲軸成品以外，其余零件全部對外采購。曲軸技術要求高，材料為ASTM A983/983M-06(2011)標準的Grade 8A 合金鋼，超聲波探傷按美國軍事標準MILSTD-2154 執行，即單個缺陷直徑不超過φ1.2mm，密集缺陷直徑不超過φ0.8mm；鍛件熱處理后的晶粒度應為ASTM 8 級或更細，調質力學性能要求：抗拉強度(Rm)≥1035MPa，屈服強度(Rp0.2)≥830MPa、伸長率(A50)≥14%(4D)、斷面收縮率(Z)≥40%，晶粒度等于或優于8 級。曲軸成品幾何尺寸特征表現為窄主軸頸開檔、薄曲柄臂厚度、高平衡塊安裝面，鐓鍛成形以及長度控制難度大。該曲軸組件交付周期短，要求2023 年底交國內廠家裝機后整機出口。作為曲軸成品制造的第一環節，能否有效解決鐓鍛成形以及長度控制兩個難點，直接關系樣件試制訂單能否按時、順利兌現。

曲軸幾何特征及鐓鍛成形難點分析

曲軸幾何特征分析

該曲軸長度3952mm，重量2522kg。主要由8 個曲拐和輸出端法蘭組成，圖1 為曲軸成品局部圖。曲軸主要幾何尺寸如表1 所示。從表1 可知。

表1 曲軸成品尺寸

圖1 成品局部圖

⑴主軸頸長度。曲軸成品主軸頸長度77mm，與其他型號的機車、船機曲軸相比，算是最小的，屬于典型的窄開檔曲軸。

⑵曲柄臂厚度。16 個曲柄臂厚度均為48mm，此前鐓鍛的曲軸曲柄臂厚度最小63mm。

⑶平衡塊安裝面高度。曲柄臂平衡塊安裝面距主軸頸中心172.5mm，相對于主軸頸直徑φ250mm，有47.5mm 的高差。

⑷主軸頸、連桿頸重疊度。主軸頸、連桿頸重疊度僅為連桿頸截面積的41%，相對于137.5mm 的沖程和183mm 的連桿頸長度，屬于典型的柔性細長軸。

鐓鍛成形難點分析

該曲軸為中小型曲軸，采用RR 法是最適宜的鐓鍛成形方法，不僅生產效率高，而且鍛造綜合成本較低。但曲軸的幾何特征造成以下鐓鍛成形難點。

⑴主軸頸長度小，會造成定位、夾緊擋板壽命偏低。

⑵曲柄臂厚度薄、截面積不大，其鐓鍛成形用料長度也不會大，因而其純鐓粗量必定偏小，不利于坯料向上聚集，在曲柄臂平衡塊安裝面與主軸頸高差大的情況下，曲柄臂極易塌角。

⑶主軸頸、連桿頸重疊度小，會導致曲柄臂鐓鍛定位及脫模時容易變形。

兩拐鍛件設計及鐓鍛成形試驗

兩拐鍛件設計

基于以往成功的經驗，該曲軸鍛件在成品基礎上，綜合考慮機加工留量、熱處理變形、鐓鍛變形以及誤差，曲柄臂外圓周加放機加工余量20mm，連桿頸長度與主軸頸長度均加放12.5mm，平衡塊安裝面高度加放15mm，如圖2 所示。從圖2 可計算得知：

圖2 兩拐鍛件

⑴曲柄臂重量：90.5kg。

⑵單個曲柄臂坯料規格：φ280mm×195mm。

⑶曲拐長度356mm(2 個曲柄厚度+1 個連桿頸長度)。

⑷彎曲下模高度H下=372.5mm。

鐓鍛成形試驗

在完成相應模具的制作后，我們進行了兩拐鍛件的成形試驗，成形試驗實物如圖3 所示。

圖3 兩拐成形試驗實物

從圖3 可以看出，曲柄臂平衡塊安裝面嚴重塌角，曲柄臂出現了一定的扭曲變形，且曲柄臂下半部位偏厚且有飛邊。這是因為曲拐鐓鍛時，純鐓粗量太小僅35.6mm，純鐓粗結束時坯料直徑約314mm 即半徑157mm，遠低于平衡塊安裝面高度187mm。錯拐時坯料被向下拉動，使曲柄臂鍛件下部偏厚并形成飛邊。

優化設計與驗證

根據兩拐鐓鍛成形試驗結果，結合曲軸鐓鍛成形難點分析，對兩拐鍛件工藝設計參數進行了優化調整，并采用數值模擬仿真分析和第二次鐓鍛成形進行效果驗證。

優化調整內容

⑴適量增加曲柄臂厚度。將曲柄臂連桿頸側加工余量增至19mm，主軸頸側加工余量不變，依然為12.5mm，以達到增加定位曲柄臂抗變形能力，解決曲柄臂變形問題。與此同時，增加余量等于增加用料長度，可起到增加純鐓粗量的目的，有利曲柄臂充滿。

⑵適量減小曲柄臂安裝面寬度。如圖4(a)、圖4(b)所示，使坯料更易向安裝面方向流動。

圖4 優化前后曲柄

⑶適當增大預上彎量，對彎曲下模進行優化設計，使其預上彎量由26mm 增加至56mm，同時改進彎曲下模型腔底部圓弧面設計，避免預上彎時，坯料與彎曲下模外邊緣發生干涉形成夾層，如圖5(a)、圖5 (b)所示。

圖5 彎曲下模

⑷坯料規格由φ280mm×195mm 增加至φ286mm×200mm。

數值模擬仿真

在完成工藝設計參數優化后，實施曲軸鐓鍛成形數值模擬仿真，模擬仿真結果如圖6 所示。

圖6 數值模擬仿真結果

從數值模擬仿真結果可以看出，優化后曲拐成形滿足設計要求，曲柄臂平衡塊安裝面成形飽滿，曲柄臂外圓周面有飛邊產生。在整軸鐓鍛生產過程中，可在彎曲上、下模上設置飛邊槽，對于過大的飛邊也通過正火前熱態氣割的方式來解決。

第二次鐓鍛成形試驗

基于上述數值模擬分析，實施第二次鐓鍛成形試驗，以驗證兩者的相符性。第二次鐓鍛成形試驗實物如圖7 所示。從圖7 可知：曲柄臂平衡塊安裝面成形飽滿、曲柄臂主軸頸側外圓周有飛邊，與模擬結果相似。冷卻后平臺檢測結果表明，曲柄臂厚度、連桿頸長度、平衡塊安裝面高度、曲拐半徑滿足工藝設計要求。

圖7 第二次鐓鍛成形實物

整軸生產驗證

針對第二次鐓鍛成形試驗結果，在整軸生產前，一是在彎曲上、下模增加飛邊槽保證左右模座壓靠；二是在定位側增加第二定位模，減小曲軸鍛件彎曲同時改善曲柄臂受力變形。三是定位、夾緊擋板各準備2 對以防變形。如圖8所示，整軸樣件平臺加工余量檢測結果滿足交驗要求，曲軸鍛件合格，可交付下工序。

圖8 整軸鍛件

結束語

⑴對于薄曲柄臂、高平衡塊安裝面曲軸鍛件，通常純鐓粗量偏小，不利于安裝面的成形，適當增加純鐓粗和預上彎量，可以使坯料更多的向平衡塊安裝面方向集聚，有利于曲柄臂成形飽滿。

⑵對于柔性細長曲軸鍛件，定位側采用兩次定位是適宜的。

⑶彎曲上、下模上增加飛邊槽有利于鐓鍛壓靠，可有效控制曲軸鍛件長度。

⑷數值模擬仿真分析用于RR 法鐓鍛成形，可有效指導改善工藝設計和參數優化。