于 江 韓舒婷 鄒宗園 杜俊雷

(1.二重(德陽)重型裝備有限公司，四川610052；2.先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(燕山大學(xué))，河北066004)

氣門是柴油機(jī)的關(guān)鍵部件之一，在柴油機(jī)完成工作循環(huán)、實(shí)現(xiàn)換氣和密封功能過程中起著重要的作用[1]。氣門的質(zhì)量直接關(guān)系著柴油機(jī)等內(nèi)燃機(jī)的正常工作與安全。由于氣門承受著高溫高壓燃?xì)獾母g和多種高溫交變載荷，故在運(yùn)行時(shí)可能發(fā)生多種損壞，導(dǎo)致氣門早期失效。有學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)，某柴油機(jī)發(fā)生故障的首個(gè)鍛件為排氣門，其斷裂起源于攪拌摩擦焊位置，為疲勞斷裂，主要是由于裂紋源區(qū)位置存在較大的夾雜物導(dǎo)致抗疲勞性能下降[2]。此外，有的柴油機(jī)氣門斷裂的起始位置靠近鎖夾處，主要由于氣門間隙調(diào)整不及時(shí)，導(dǎo)致氣門桿頂部受到異常側(cè)向推力[3]。

1 70 MN氣門專用模鍛液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

國內(nèi)外氣門毛坯生產(chǎn)常用的兩種工藝[4]：一是電鐓-模鍛工藝，通過電熱鐓粗使坯料預(yù)成形，再進(jìn)行模鍛終成形；二是擠壓-模鍛工藝，通過擠壓加工使坯料預(yù)成形，然后經(jīng)終鍛成形氣門毛坯。擠壓法相比電鐓法成形力大、設(shè)備投入大，尚未能廣泛推廣。電熱鐓粗是目前氣門預(yù)成形廣泛采用的工藝[5]。

近年來，為了提高氣門生產(chǎn)質(zhì)量，國內(nèi)諸多企業(yè)對電鐓工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，開發(fā)了智能化電鐓機(jī)[6]，研發(fā)了新型的PC數(shù)控電鐓機(jī)[7]。大多數(shù)研究主要是通過提高電鐓工藝水平，改善氣門成形質(zhì)量，很少從電鐓后的模鍛工藝方面研究進(jìn)一步改進(jìn)氣門成形質(zhì)量。本文對用于氣門鍛造成型的70 MN專用模鍛壓機(jī)特點(diǎn)及用該模鍛壓機(jī)生產(chǎn)氣門的工藝進(jìn)行介紹，運(yùn)用DEFORM-3D模擬軟件對兩種形狀的氣門預(yù)成形坯料的模鍛成形過程進(jìn)行模擬，確定利于終鍛成形的預(yù)成形坯料形狀，以及合理的鍛造速度范圍。

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

70 MN模鍛壓機(jī)主要用于大型低速柴油機(jī)氣門的模鍛成形，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 70 MN氣門專用模鍛液壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of 70 MN special die forging hydraulic press for air valve

1.2 主要部件及特點(diǎn)

70 MN模鍛壓機(jī)主要由壓機(jī)本體、潤滑系統(tǒng)、泵站、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、機(jī)上圍欄以及護(hù)板、基礎(chǔ)蓋板等組成。上橫梁、下橫梁和立柱組成一個(gè)封閉框架，該框架采用拉桿式的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，即通過拉桿和螺母將上、下橫梁和立柱預(yù)緊聯(lián)結(jié)成一個(gè)框架，框架承受全部工作載荷。

拉桿預(yù)緊結(jié)構(gòu)提高了主機(jī)剛度、抗偏載能力和抗疲勞性能。立柱的四角加工有45°的“X”形導(dǎo)向面，通過安裝在工作缸缸筒上的可調(diào)間隙導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)向。可調(diào)間隙的平面導(dǎo)向裝置的導(dǎo)板和立柱間的接觸為面接觸，使整個(gè)壓機(jī)機(jī)架受力情況得到改善，極大地減少了磨損，并很好地利用了立柱的剛性；利用楔塊和導(dǎo)向塊之間的斜面方便地調(diào)整導(dǎo)向間隙。導(dǎo)向板與立柱間采用自動(dòng)集中潤滑方式保證良好的潤滑?；瑝K和側(cè)立柱導(dǎo)軌之間的間隙為0.2 mm。

運(yùn)動(dòng)部分由主工作缸、快速換模裝置、導(dǎo)向裝置以及回程缸組成，主工作缸和回程缸均為柱塞缸，主工作缸的柱塞上段插入上橫梁，并與其通過楔塊固定，缸體作為滑塊，缸底下面安裝上墊板。

拉桿采用42CrMo鋼整體鍛造成形，正火處理，然后精加工成形。機(jī)架的主要構(gòu)件——上橫梁、下橫梁和立柱均為焊接件，材質(zhì)為Q345高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)鋼板。所有焊接件焊后經(jīng)熱處理退火，消除焊接應(yīng)力。

2 氣門成形工藝

2.1 氣門規(guī)格

氣門所用材料為SNCrW。其最大氣門下料長度為4100 mm，最大直徑為115 mm。成形后的最大長度為1900 mm，最大盤徑為450 mm。氣門最大工件重量為360 kg。70 MN氣門專用模鍛液壓機(jī)所鍛造的氣門尺寸規(guī)格如圖1所示。

圖1 氣門尺寸規(guī)格示意圖Figure 1 Specification size of air valve

2.2 氣門電熱鐓粗工藝簡介

1—變壓器次級 2—夾持電極 3—頂鐓缸4—?dú)忾T坯料 5—砧子圖2 電熱鐓粗工藝原理圖Figure 2 Process principle drawing of electric upsetting

電熱鐓粗簡稱電鐓，是一種局部鐓粗工藝，它利用工件自身的電阻熱使坯料的部分金屬受熱，溫度升高至鍛造溫度，在鐓鍛力的作用下鐓粗變形，其工藝原理如圖2所示。

工件坯料、砧子以及夾持電極被串聯(lián)在變壓器次級兩端，構(gòu)成回路。夾持電極與砧子之間的工件坯料在低電壓、大電流的作用下被迅速加熱到鍛造溫度，在鐓粗缸的壓力作用下局部鐓粗變形。隨著變形的進(jìn)行，毛坯頭部坯料聚集而形成“蒜頭”。在鐓粗缸前移的過程中，砧子缸在后退，二者分別以V1、V2的速度向下運(yùn)動(dòng)。砧子缸的后退運(yùn)動(dòng)主要用于控制工件坯料的初始加熱、變形長度，故有V1>V2?！八忸^”不斷長大，最終形成所需的形狀。

電鐓工藝可一次成形得到很大的鐓粗比，鐓粗比可達(dá)35以上。另外，所采用的設(shè)備簡單，投資少，勞動(dòng)條件好。因此在氣門生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)氣門的生產(chǎn)。

預(yù)成形坯料的內(nèi)在質(zhì)量主要取決于變形溫度，通過控制加熱電流即可將變形溫度嚴(yán)格控制在可鍛溫度范圍之內(nèi)，避免過熱、過燒，獲得較好的內(nèi)部顯微組織。

氣門毛坯成形的外部形狀主要取決于鐓粗缸和砧子缸的運(yùn)動(dòng)速度。由于V1、V2搭配不同，鐓粗過程中鐓粗部位的形狀大致有兩種類型，一類為正球形，一類為長球形，如圖3所示。

圖3 預(yù)成形坯料示意圖Figure 3 Sketch of preforming blanks

2.3 氣門終鍛成形數(shù)值模擬

由于壓制速度的不同，氣門在電熱鐓粗后所形成的預(yù)成形坯料的形狀不同，主要有長球形與正球形。為選擇合理的預(yù)成形坯料形狀，運(yùn)用DEFORM-3D模擬軟件對長球形和正球形氣門預(yù)成形坯料終鍛成形過程進(jìn)行模擬。長球形氣門坯料模鍛壓制前與壓制后的模擬結(jié)果如圖4所示。正球形氣門坯料壓制前與壓制后的模擬結(jié)果如圖5所示。

(a)壓制前

(b)壓制后圖4 長球形氣門坯料壓制前與壓制后模擬圖Figure 4 Simulated diagram of long-spherical air valve blank before and after upsetting

從圖4(b)可以看出，當(dāng)壓制速度為10 mm/s時(shí)，長球形坯料壓制成形需70.3 MN的壓制力。而從圖5(b)可以看出，當(dāng)壓制速度為10 mm/s時(shí)，正球形坯料壓制成形需59.8 MN的壓制力。顯然，在相同壓制速度下，正球形的氣門坯料比長球形氣門坯料所需的壓制力小。另外，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐可知正球形的預(yù)成形坯料模鍛成形工藝較好，主要原因包括：若變形過程中始終保持鐓粗部位為球形，則應(yīng)變分布比較均勻；與長球形坯料相比，在總體鐓粗比不變的情況下，正球形坯料各點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)變較小，因而產(chǎn)生裂紋的可能性也較??；正球形坯料因變形比較均勻，產(chǎn)生歪斜、臺(tái)階等缺陷的可能性亦較??；同樣體積情況下，正球形坯料表面積最小，熱量損失也最小。

(a)壓制前

(b)壓制后圖5 正球形氣門坯料壓制前與壓制后模擬圖Figure 5 Simulated diagram of spherical air valve blank before and after upsetting

(a)

(b)圖6 正球形坯料在不同壓制速度下的模擬結(jié)果Figure 6 Simulative result of spherical blank at different upsetting speed

由于壓制速度不僅影響成形力，還對工件的質(zhì)量也有一定的影響，為確定正球形氣門預(yù)成形坯料的合理模鍛成形壓制速度，對正球形坯料在壓制速度為15 mm/s和20 mm/s的模鍛成形過程進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果如圖6所示。

結(jié)合圖5和圖6可以看出，當(dāng)壓制速度為10 mm/s時(shí)，正球形坯料模鍛壓制需59.8 MN的壓制力；當(dāng)壓制速度為15 mm/s時(shí)，壓制力有所上升，為62.6 MN；當(dāng)壓制速度為20 mm/s時(shí)，壓制力上升較大，為103 MN，已超出了壓機(jī)的公稱壓力。綜合考慮成形效率及設(shè)備噸位，建議正球形預(yù)成形坯料進(jìn)行終鍛成形時(shí)壓制速度不高于15 mm/s。

3 結(jié)論

(1)70 MN模鍛壓機(jī)主要由壓機(jī)本體、潤滑系統(tǒng)、泵站、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、機(jī)上圍欄以及護(hù)板、基礎(chǔ)蓋板等組成。上橫梁、下橫梁和立柱組成一個(gè)封閉框架，該框架采用拉桿式的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，承受全部工作載荷，結(jié)構(gòu)緊湊。采用可調(diào)間隙的X形平面導(dǎo)向，調(diào)節(jié)方便，導(dǎo)向性好。

(2)氣門毛坯生產(chǎn)的工藝采用電鐓-模鍛工藝。通過對電鐓后長球形和正球形氣門預(yù)成形坯料進(jìn)行模鍛壓制成形數(shù)值模擬，結(jié)果表明正球形氣門預(yù)成形坯料成形工藝較好。通過模擬正球形氣門預(yù)成形坯料在不同壓制速度下的成形過程可知，隨著壓制速度的提高，壓制力增大，當(dāng)壓制速度為15 mm/s時(shí)壓制成形力已接近壓機(jī)公稱壓力；當(dāng)壓制速度為20 mm/s時(shí)，壓制力超出了壓機(jī)公稱壓力。綜合考慮成形效率及設(shè)備噸位，建議氣門終鍛成形壓制速度不超過15 mm/s。