文∕杜紹貴，魏定其，唐艷·資陽(yáng)機(jī)車有限公司

提高全纖維鐓鍛曲軸材料利用率的探索與實(shí)踐

文∕杜紹貴，魏定其，唐艷·資陽(yáng)機(jī)車有限公司

杜紹貴，曲軸事業(yè)部工藝質(zhì)量處鍛壓室主任，教授級(jí)高工，主要從事大中型全纖維曲軸鐓鍛工藝設(shè)計(jì)及質(zhì)量控制，主持完成“RR曲軸鐓鍛裝置精化曲軸鍛件工藝研究”；參與完成“中華人民共和國(guó)鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)零部件鍛鋼曲軸”的修訂。

受鐓鍛工藝方法、工藝設(shè)計(jì)理念、工藝設(shè)計(jì)手段和后序工藝水等因素的影響，全纖維鐓鍛曲軸材料的利用率平均僅有45.4%，通過(guò)對(duì)鐓鍛裝置實(shí)施技術(shù)改造，在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和在產(chǎn)品持續(xù)改進(jìn)中創(chuàng)新工藝設(shè)計(jì)理念、貫徹精益鐓鍛方法，曲軸鍛件精度得到較大改善，曲軸原材料利用率平均提高10%。

資陽(yáng)機(jī)車有限公司生產(chǎn)的曲軸產(chǎn)品涉及鐵路內(nèi)燃機(jī)車、船用主輔機(jī)、陸用發(fā)電機(jī)組、石油、石化裝備等領(lǐng)域。目前，公司在產(chǎn)的曲軸鍛件有四十余個(gè)類別一百余個(gè)品種，每年鐓鍛、加工并以鍛件、半成品、成品三種狀態(tài)實(shí)現(xiàn)交付曲軸產(chǎn)品2000支，其中最小曲軸鍛件重520kg，最大曲軸鍛件重9852kg。

曲軸面臨的國(guó)內(nèi)外競(jìng)爭(zhēng)

我公司采用傳統(tǒng)的RR法鐓鍛曲軸鍛件，其曲軸材料利用率偏低，導(dǎo)致其在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)不突出，危及曲軸業(yè)務(wù)板塊的進(jìn)一步發(fā)展和壯大。RR法生產(chǎn)的曲軸鍛件，其材料利用率平均水平僅有45.4%，與國(guó)內(nèi)外先進(jìn)廠家的差距非常大。我國(guó)大曲軸的生產(chǎn)主要面臨以下競(jìng)爭(zhēng)。

⑴國(guó)內(nèi)有天津康庫(kù)得機(jī)電技術(shù)有限公司、遼寧丹東五一八內(nèi)燃機(jī)配件有限公司、資陽(yáng)機(jī)車有限公司等七家公司在從事曲軸的鍛造生產(chǎn)。

⑵國(guó)外有美國(guó)的埃爾伍德公司(ELLWOOD)在天津開(kāi)設(shè)辦事機(jī)構(gòu)，進(jìn)軍中國(guó)市場(chǎng)并已獲得國(guó)內(nèi)用戶的訂單。德國(guó)的阿爾芬(ALFING)公司，不遠(yuǎn)萬(wàn)里來(lái)中國(guó)上海參加海事展覽會(huì)，表現(xiàn)出對(duì)中國(guó)市場(chǎng)濃厚的興趣。

⑶國(guó)內(nèi)的主機(jī)廠家，不管是中船重工還是中國(guó)中車旗下的主機(jī)廠家，都有非常強(qiáng)大的曲軸成品加工能力。曲軸作為柴油機(jī)等主機(jī)的配套產(chǎn)品之一，交貨狀態(tài)的選擇空間非常有限，事實(shí)上，主機(jī)廠更希望以半成品狀態(tài)交貨。

全纖維曲軸制造行業(yè)基本上是伴隨著鐵路內(nèi)燃機(jī)車和造船工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展的，近幾年，鐵路內(nèi)燃機(jī)車和造船行業(yè)的發(fā)展增速有所放緩，所以曲軸制造行業(yè)的增長(zhǎng)也同樣放緩。在這種市場(chǎng)增量不多但競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手激增的市場(chǎng)環(huán)境下，要想獲勝，需要靠技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量、成本控制來(lái)和其他企業(yè)爭(zhēng)奪客戶。對(duì)全纖維鐓鍛曲軸而言，企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)，最終會(huì)落腳在技術(shù)水平的競(jìng)爭(zhēng)上，這其中包括工藝水平、裝備水平和管理水平，而曲軸作為競(jìng)爭(zhēng)的載體，就是比誰(shuí)用更少的材料消耗制造出最優(yōu)的產(chǎn)品。

材料利用率的現(xiàn)狀及原因分析

曲軸材料消耗是構(gòu)成曲軸成本的最重要部分，平均占總成本的30%～40%。提高曲軸材料利用率對(duì)于降低曲軸成本，提升曲軸產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力起著非常關(guān)鍵的作用。但曲軸材料利用率受制于多種因素，包括曲軸結(jié)構(gòu)特征及其鐓鍛工藝、鐓鍛裝置、工藝設(shè)計(jì)理念、手段和后序工藝水平等，同一產(chǎn)品，不同的廠家其材料利用率各有不同。國(guó)外，美國(guó)埃爾伍德公司其最高材料利用率可達(dá)80%；國(guó)內(nèi)，天津康庫(kù)得機(jī)電技術(shù)有限公司處于領(lǐng)先水平。表1是我公司生產(chǎn)的6種曲軸材料利用率一覽表。

表1 六種曲軸的材料利用率一覽表

從表1可以清楚的看到，資陽(yáng)公司曲軸的材料利用率與國(guó)內(nèi)外先進(jìn)廠家相比有較大的差距，還處于一個(gè)相對(duì)較低的水平，有很大的提升空間。曲軸材料利用率低，集中表現(xiàn)為材料規(guī)格大，鍛件加工余量大、工藝用料多、精度差。

鐓鍛工藝設(shè)計(jì)理念保守

鐓鍛工藝設(shè)計(jì)追求100%的成功，不允許出現(xiàn)返修，更不允許出現(xiàn)廢品。實(shí)際上，工藝設(shè)計(jì)保守在與曲軸制造相關(guān)的鐓鍛工藝設(shè)計(jì)、熱處理工藝設(shè)計(jì)和機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)上都有突出表現(xiàn)，其顯著特點(diǎn)就是不計(jì)成本加大工藝用料，后果就是曲軸材料利用率普遍偏低。

鐓鍛工藝設(shè)計(jì)手段傳統(tǒng)

仍沿襲傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式，即鍛造工程師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工藝及模具設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行單拐或多拐鐓鍛成形試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)工藝及模具設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后再次進(jìn)行單拐或多拐鐓鍛成形試驗(yàn)，直至達(dá)到工藝設(shè)計(jì)要求為止，這種產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式周期長(zhǎng)，并且需要投入較多的試驗(yàn)用材料，再加上試驗(yàn)過(guò)程中模具改制及對(duì)正常生產(chǎn)時(shí)間的占用，總體試制成本較高。在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，如果能夠運(yùn)用鍛造成形模擬與仿真技術(shù)，對(duì)于減少試驗(yàn)次數(shù)，預(yù)測(cè)成形缺陷；改進(jìn)模具設(shè)計(jì)，提高模具壽命；掌握成形過(guò)程中金屬流動(dòng)規(guī)律，提高材料利用率大有幫助?？傊谫M(fèi)用昂貴的模具制造和工藝方案確定及試生產(chǎn)之前，采用仿真軟件模擬整個(gè)過(guò)程，在時(shí)間和費(fèi)用上都會(huì)受益。

鐓鍛工藝裝備技術(shù)改造緩慢

由于種種原因，數(shù)十年來(lái)沿用傳統(tǒng)的RR鐓鍛法，鍛造工藝技術(shù)工作一直把關(guān)注點(diǎn)放在如何將產(chǎn)品即曲軸鐓鍛出來(lái)，但在如何改造鐓鍛裝置，如何改進(jìn)工藝方法從而提高曲軸鍛件精度，提高材料利用率方面思考不足、投入不足，力求繼承，缺乏創(chuàng)新。

后工序的制約

曲軸鐓鍛完成后即交付后工序，曲軸鍛件是否合格以后工序的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。后工序的加工余量、工藝用料以及熱處理變形等，在曲軸鐓鍛工藝設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮進(jìn)去。

近幾年開(kāi)展的工作以及取得的成效

圍繞如何提高全纖維鐓鍛曲軸材料利用率這個(gè)核心，自2010年起，一直致力于RR裝置的技術(shù)改造，創(chuàng)新鐓鍛工藝設(shè)計(jì)，并開(kāi)展對(duì)在產(chǎn)曲軸進(jìn)行鐓鍛工藝改進(jìn)與優(yōu)化，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，目前已經(jīng)完成15個(gè)品種曲軸鐓鍛工藝改進(jìn)與優(yōu)化并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。圖1為鐓鍛工藝改進(jìn)與優(yōu)化后代號(hào)為C8的曲軸鍛件，該曲軸原材料減重達(dá)到1138kg。

RR曲軸鐓鍛裝置的技術(shù)改造

為了配合曲軸鐓鍛工藝的改進(jìn)與優(yōu)化，對(duì)RR曲軸鐓鍛裝置進(jìn)行了技術(shù)改造，新增了預(yù)上頂功能，增大了鍛造能力。對(duì)在產(chǎn)曲軸鐓鍛工藝改進(jìn)與優(yōu)化，創(chuàng)新工藝設(shè)計(jì)理念并貫徹精益工藝設(shè)計(jì)方法。

圖1 代號(hào)為C8的曲軸鍛件

⑴下工序即用戶。下工序向上工序提供考線圖作為產(chǎn)品轉(zhuǎn)序的依據(jù)。

⑵改進(jìn)調(diào)質(zhì)工藝。以臥式黑皮調(diào)質(zhì)代替粗加工后井式爐調(diào)質(zhì)，目前臥式黑皮調(diào)質(zhì)的曲軸鍛件已接近總量的70%。

⑶貫徹精益方法。為減少材料消耗，對(duì)曲軸鍛件進(jìn)行全面“瘦身”，包括減少軸向、徑向加工余量（最小軸向余量12mm，最小徑向加工余量17mm）；取消熱處理吊裝頭；減少機(jī)械加工工藝頸；優(yōu)化曲軸鍛件分模方式；減小曲拐半徑設(shè)計(jì)；減小坯料直徑；鍛出平衡塊安裝面；優(yōu)化曲軸坯料訂料尺寸；與高校開(kāi)展合作對(duì)鐓鍛工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬與仿真分析等。

創(chuàng)新工藝設(shè)計(jì)理念應(yīng)用于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

在開(kāi)發(fā)代號(hào)為R1的某型出口內(nèi)燃機(jī)車曲軸鍛件的過(guò)程中，融入先前在產(chǎn)品鐓鍛工藝改進(jìn)與優(yōu)化所取得的成果，該曲軸從單拐試驗(yàn)到整軸批量生產(chǎn)都非常成功，其材料利用達(dá)到60.5%，圖2為代號(hào)R1的曲軸鍛件。

此外，在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中探索創(chuàng)新工藝方法，如AB系列曲軸，沿用以前的工藝方法，不僅曲軸鍛件質(zhì)量難以保證而且材料利用率極低，因此一直依賴對(duì)外采購(gòu)鍛件。通過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)鍛模、增加預(yù)鍛工步，在采用較小規(guī)格坯料的情況下實(shí)現(xiàn)了該系列鍛件的批量自制生產(chǎn)，其材料利用率達(dá)到50.6%。圖3為代號(hào)AB6的曲軸鍛件。

圖2 代號(hào)為R1的曲軸鍛件

圖3 代號(hào)為AB6的曲軸鍛件

取得的成效

通過(guò)近四年的努力，我公司全纖維曲軸鐓鍛工藝水平有了較大的改善，材料利用率從工藝改進(jìn)與優(yōu)化前平均45.4%提高到56%，平均提高10.6%。優(yōu)化曲軸坯料訂料尺寸，取消曲軸坯料超聲波探傷前的粗加工量，僅此一項(xiàng)2014年節(jié)省原材料115.4785t。通過(guò)以上措施，有效的降低了曲軸制造成本，適應(yīng)了競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)需求。曲軸鍛件原材料利用率改善情況見(jiàn)表2。

表2 鐓鍛工藝改進(jìn)與優(yōu)化后曲軸原材料利用率一覽表

結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐表明，在現(xiàn)有裝備的條件下，通過(guò)裝置的技改技革，改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)，優(yōu)化工藝參數(shù)，不僅可以拓展鐓鍛產(chǎn)品的范圍，而且還可以將現(xiàn)有曲軸材料利用率提高10%以上。RR法因自身工藝技術(shù)的局限，采用此法鐓鍛的曲軸，其形狀精度（曲柄臂僅鍛出平衡塊安裝面而不能鍛出外側(cè)圓錐面）和尺寸精度還不夠高，材料利用率與國(guó)內(nèi)外最高水平還有近20%的差距。