杜紹貴　李六如　毛章雄

(中車資陽機車有限公司，四川641301)

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一種大型七拐壓縮機曲軸TR鐓鍛成形技術研究

杜紹貴李六如毛章雄

(中車資陽機車有限公司，四川641301)

摘要：在分析大型七拐壓縮機曲軸的結(jié)構(gòu)特征的基礎上介紹了曲軸的鍛造成形工藝難點。針對曲軸異型曲拐實物鍛造成形工藝試驗存在的問題，制定了合理的技術參數(shù)和優(yōu)化措施。結(jié)果表明，所得曲軸鍛件充填飽滿，飛邊大小適當且無影響后續(xù)粗加工的鍛造缺陷。

關鍵詞：氣體壓縮機；曲軸；TR鐓鍛成形技術；異型曲拐

天然氣壓縮機組是天然氣工業(yè)的重要裝備，常用于油氣田的集氣外輸、氣舉采氣、井口增壓等[1]。天然氣壓縮機組市場需求的快速增長，必將帶動與之配套的核心部件——曲軸的需求增長。

曲軸是大型氣體壓縮機的關鍵件，由于工況中承受載荷最大，且受力復雜，因此選用鍛件毛坯生產(chǎn)。該產(chǎn)品市場前景廣闊，有很大的市場需求量[2]。但國內(nèi)壓縮機行業(yè)的特點是小批量多品種，再加上曲軸本身結(jié)構(gòu)尺寸偏大，因此國內(nèi)壓縮機用曲軸鍛件主要采用鋼錠開坯自由鍛造成形。自由鍛造的主要問題是鍛件加工余量大，加工周期長，材料利用率低，一般只有30%～40%。本文所述大型七拐壓縮機曲軸，國內(nèi)采用自由鍛造成形，鋼錠重9 000 kg，鍛件重7 450 kg，材料利用率僅26.6%。關于大型氣體壓縮機曲軸的鍛造技術，于智博和張華等人對曲軸自由鍛造成形進行了研究[1-2]。在鐓鍛成形技術方面，沒有公開的論文發(fā)表，是一個尚待深入研究的領域。

中車資陽機車有限公司選擇國內(nèi)某公司某型號的往復活塞式天然氣壓縮機組用曲軸(簡稱“大型七拐壓縮機曲軸”)進行TR鐓鍛成形技術研究，以TR鐓鍛成形技術代替自由鍛成形技術實現(xiàn)該產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。該型號壓縮機組采用重載低速整體式撬裝結(jié)構(gòu)，有4個動力缸，3個壓縮缸，標定功率630 kW，負荷轉(zhuǎn)速范圍(265～440)r/min。該型號機組在國內(nèi)的長慶油田和內(nèi)蒙古蘇格里氣田等得到了廣泛采用[3]。

1大型七拐壓縮機曲軸概況

1.1曲軸材料及其基本結(jié)構(gòu)

大型七拐壓縮機曲軸見圖1。材料為35CrMoA合金鋼，由3個壓縮曲拐和4個動力曲拐共七個曲拐構(gòu)成。圖1從左至右分別是第A壓縮曲拐、第1動力曲拐、第B壓縮曲拐、第2、3、4動力曲拐和第C壓縮曲拐。為便于表述，本文將圖1中的曲柄臂從左至右編號為1～12。

1.2主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

1.3結(jié)構(gòu)特點分析

圖1　大型七拐壓縮機曲軸三維模型Figure 1　3D model of heavy compressor crankshaft with seven crank throws

表1　大型七拐壓縮機曲軸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1　Main structure parameters of heavy compressor crankshaft with seven crank throws

(a)壓縮機曲軸標準曲拐

(b)船機曲軸標準曲拐

圖3　異型曲拐Figure 3　Special-shaped crank throw

可以從以下幾個方面對大型七拐壓縮機曲軸結(jié)構(gòu)特點進行分析。

1.3.1曲拐構(gòu)成

大型七拐壓縮機曲軸第B、2、3曲拐，每一曲拐包含兩個完全相同的曲柄臂和一個連桿頸，且曲柄臂兩側(cè)均為主軸頸，與機車、船機曲軸基本相同，稱之為標準曲拐，如圖2。第A、1、4、C曲拐，與機車、船機曲軸完全不同，稱之為異型曲拐。如圖3。

1.3.2曲柄臂截面形狀

大型七拐壓縮機曲軸曲柄臂最大截面投影為近似長方形。機車、船機曲軸曲柄臂最大截面投影為近似橢圓形或者圓形。

1.3.3曲柄臂截面尺寸

大型七拐壓縮機曲軸12個曲柄臂包括三種截面尺寸，其中第2、11曲柄臂長寬比為2.41。

1.3.4曲拐半徑

動力連桿頸曲拐半徑203.2 mm，壓縮連桿頸曲拐半徑139.7 mm。

1.3.5連桿頸開檔

動力連桿頸開檔108 mm，壓縮連桿頸開檔133.5 mm。

1.3.6曲柄臂中心線夾角

同一曲拐兩個曲柄臂最大中心線夾角9°(見圖3)。機車、船機曲軸同一曲拐兩個曲柄臂中心線之間沒有夾角。

2鐓鍛成形技術難點

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)特點分析，大型七拐壓縮機曲軸TR鐓鍛成形包括兩個部分，一是標準曲拐的成形，二是異型曲拐的成形。根據(jù)數(shù)十年的鐓鍛成形技術參數(shù)、模具設計和質(zhì)量控制經(jīng)驗，最具鍛造技術難度和挑戰(zhàn)性的是異型曲拐的鐓鍛成形。其難點歸納起來有以下幾點：

(1)異型曲拐中間曲柄臂長寬比達到2.41，沒有有效的坯料分料、聚料效果，該曲柄臂成形一定會出現(xiàn)大塌角[4]。

(2)異型曲拐中間曲柄臂截面尺寸大，比同一曲拐相鄰曲柄臂用料多，因此預鍛、終鍛過程中左右行程不等，左右變形抗力不同。不僅影響中間曲柄臂的充型，而且會導致中間曲柄臂厚度難以控制。

(3)異型曲拐兩個曲柄臂之間分別有夾角，能否通過預鍛分料、粗整形、終鍛精整形功能鍛出夾角，對提升該大型七拐壓縮機曲軸的TR鐓鍛成形技術水平有較大影響。

(4)異型曲拐相鄰兩個曲柄臂之間有9°、6°夾角，能否解決預鍛后坯料的出模，直接關系到TR鐓鍛成形能否成功。

(5)由于壓縮連桿頸和動力連桿頸開檔都比較窄，預鍛、終鍛過程中易出現(xiàn)卡模。

(6)曲拐TR鐓鍛成形順序必須達到最優(yōu)化，否則新制專用模具鑲件多，費用高，而且鍛造過程中操作者頻繁換模，勞動強度大。

3鐓鍛成形技術方案

針對大型七拐壓縮機曲軸的鐓鍛成形技術難點，結(jié)合TR鐓鍛技術的特點，制定以下鐓鍛成形技術方案：

3.1工藝流程

工藝流程為：材料采購→入廠檢驗→下料→粗車→檢測→精車制坯→加熱→TR鐓鍛(預鍛、終鍛)→熱校直→鍛后熱處理→鍛件幾何尺寸檢查。TR鐓鍛采用預鍛、終鍛兩個工步完成，即每一個曲拐需要預鍛、終鍛兩個火次完成。

3.2曲拐鐓鍛順序

為了節(jié)省新制模具的投入和減輕操作者更換模具的工作量，各曲拐鍛造成形順序為：第1拐→第4拐→第A拐→第C拐→第B拐→第2拐→第3拐。

3.3預鍛模設計

為了保證最大截面投影為近似長方形的曲柄臂的成形質(zhì)量，針對標準曲拐，設計了對稱整體式預鍛模(見圖4)和不帶偏角的側(cè)壓模。針對異型曲拐，為了鍛出同一曲拐兩個曲柄臂之間的夾角，設計了非對稱式預鍛模、帶偏角的側(cè)壓模，分別對加熱坯料進行分料、粗整形、精整形。為了保證預鍛后的坯料能夠出模，將非對稱式預鍛模設計成鑲塊式結(jié)構(gòu)，即非對稱鑲塊式預鍛模(見圖5)。為了解決異型曲拐中間曲柄臂用料多導致相鄰兩個曲柄臂鍛造過程中行程不等、受力不均的問題，在預鍛、終鍛夾緊擋板上設置部分型腔。

4鐓鍛成形試驗結(jié)果和生產(chǎn)驗證

異型曲拐鐓鍛成形試驗存在以下問題：①脫模非常困難；②中間曲柄臂嚴重塌角；③中間曲柄臂嚴重超厚；④飛邊大且不均勻；⑤由于兩側(cè)受力不均，導致彎曲上模向一側(cè)傾斜，有斷裂的風險。

經(jīng)過現(xiàn)場十余次的異形曲拐鐓鍛成形試驗，并對結(jié)果進行綜合的劃線檢查、外觀評估、分析討論、工藝參數(shù)優(yōu)化、模具結(jié)構(gòu)尺寸改進，最終得到的異型曲拐鍛件成形效果良好。3個曲柄臂充填飽滿，中間曲柄臂厚度尺寸完全符合要求，表面無鍛造缺陷，飛邊大小適當，而且鍛造過程中入模、脫模順暢，鍛件加工余量分布均勻。試驗結(jié)果表明最終優(yōu)化后的工藝參數(shù)正確、可靠。根據(jù)鍛造試驗結(jié)果，固化了鍛件尺寸、坯料尺寸等工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)尺寸，在此基礎上進行整體曲軸鍛件生產(chǎn)驗證。

圖 4　對稱整體式預鍛模Figure 4　Symmetrical integral pre-forging die

圖 5　非對稱鑲塊式預鍛模Figure 5　Non-symmetric inserted pre-forging die

5結(jié)論

應用經(jīng)驗設計和現(xiàn)場實物鍛造試驗相結(jié)合的傳統(tǒng)方法，對大型七拐壓縮機曲軸TR鐓鍛成形技術進行研究，得到了如下結(jié)論：

(1)在國內(nèi)首次采用TR鐓鍛成形技術，實現(xiàn)了該大型七拐壓縮機曲軸鍛件的批量生產(chǎn)，為公司開拓了一個全新的產(chǎn)品領域。

(2)確定該大型七拐壓縮機曲軸合理的鍛造成形順序為：第1拐→第4拐→第A拐→第C拐→第B拐→第2拐→第3拐。其中每一曲拐的鐓鍛成形需預鍛和終鍛兩火次完成。

(3)采用TR鐓鍛成形技術，該大型七拐壓縮機曲軸鍛件重3 270 kg，材料利用率達到60.6%，與自由鍛件相比有明顯的技術優(yōu)勢，而且曲軸鍛件成形質(zhì)量良好，飛邊大小適當，加工余量均勻，表面無影響后續(xù)加工的鍛造缺陷，完全可以采用TR鐓鍛成形技術取代自由鍛造成形技術。

(4)TR鐓鍛成形壓縮機曲軸異型曲拐時，利用非對稱鑲塊式預鍛模的分料、粗整形功能以及側(cè)壓模的精整形功能可以保證最大截面投影為近似長方形的曲柄臂充填飽滿，而且可以鍛出同一曲拐兩個曲柄臂之間的夾角，極大的提升鐓鍛成形技術水平。

參考文獻

[1]張華，石明.天然氣壓縮機五拐曲軸自由鍛工藝研究[J].鍛壓技術，2008，33(4)：13-15.

[2]于智博.大型氣體壓縮機曲軸鍛造工藝研究[J].熱加工工藝，2010，39(9)：187-188.

[3]武喜懷.蘇格里氣田天然氣壓縮機組選型對比分析[J].石油儀器，2007，21(1)：45-48.

[4]杜紹貴，李六如，毛章雄，等.MAN L27/38系列曲軸鍛件TR鐓鍛工藝設計與生產(chǎn)實踐[J].大型鑄鍛件，2012(4)：39-40.

編輯杜青泉

Research on TR Upset Forging Technology of Heavy Compressor Crankshaft with Seven Crank Throws

Du Shaogui,Li Liuru,Mao Zhangxiong

Abstract：Based on analyzing the structure characteristics of heavy compressor crankshaft with seven crank throw,the technical difficulties of forging for this crankshaft have been introduced.For the issue appeared during the forging process test of crankshaft with special-shaped crank throw,the appropriate technical parameters and the optimized measures for this kind of crankshaft have been prepared.The results show that the manufactured crankshaft forgings which have suitable flashes are filled well with the die.There are no defects on the surface which could influence the subsequent rough machining process.

Key words：gas compressor;crankshaft;TR upset forging technology;special-shaped crank throw

收稿日期：2015—12—18

作者簡介：杜紹貴(1966—)，男，教授級高工，主要從事全纖維曲軸鍛造工藝設計及質(zhì)量控制。電話：13795738749，E-mail：279841620@qq.com

中圖分類號：TG316

文獻標志碼：B