文／杜紹貴，唐艷，何正海，匡利華，華利·中車資陽機車有限公司

某大型鑄改鍛8 缸曲軸半成品交貨狀態(tài)如圖1 所示，從鐓鍛成形角度分析有以下鍛造工藝難點。

⑴模具項、件多。原因有：1)曲軸有三個法蘭且直徑、厚度各不相同，法蘭1、法蘭2 與其相鄰曲柄臂之間的距離不相同，因此難以對其成形模具進行簡統(tǒng)；法蘭3 成形時只能用法蘭2 定位，不能借用曲拐定位。2)曲柄臂平衡塊安裝面高度不同，導致所使用的預鍛模、側壓模、彎曲上模(含平衡塊安裝面壓板)不同。3)曲軸鍛件比較長，為控制彎曲，除第1 曲拐外，其余曲拐成形時需采用支撐模。

⑵曲柄臂外圓周為非加工面。圖1 曲柄臂視圖中，多段圓弧和寬平衡塊安裝面組合形曲柄臂外圓周為非加工面，此面沿用鑄造技術要求。TR 鐓鍛曲拐之間存在角度誤差，曲柄臂外圓周要求非加工面裝機使用，工藝難度極大。

⑶曲柄臂平衡塊安裝面高且寬。圖1 曲柄臂視圖中，兩種形狀的曲柄臂，其平衡塊安裝面高、寬最大值為185mm、290mm， 最小值為157mm、280mm。金屬材料充填難度大，塌角風險大。

⑷曲柄臂橢圓度大。圖1 曲柄臂視圖中，多邊形曲柄臂長515（543）mm、寬418mm，長寬比最小1.23，最大1.30；多段圓弧和寬平衡塊安裝面組合形曲柄臂長517(545)mm、寬410mm，長寬比最小1.26，最大1.33。曲柄臂連桿頸側易形成徑向飛邊，曲柄臂主軸頸側塌邊風險大。

⑸兩端用戶工藝頸直徑大于曲軸主軸頸直徑。圖1 主視圖中曲軸主軸頸直徑φ268mm，兩端用戶工藝頸直徑φ300mm。一是不利于減小曲軸坯料直徑；二是鐓鍛成形第1 拐時，自由端法蘭1 坯料與用戶工藝頸坯料之間臺階高度差小，法蘭1 坯料容易啃傷；三是曲軸鍛件兩端端頭容易翹曲，導致工藝頸直徑φ300mm 加工余量不足。

圖1 某大型鑄改鍛8 缸曲軸半成品交貨狀態(tài)簡圖

⑹軸向開檔余量偏小。用戶半成品交貨狀態(tài)留量偏大，曲軸鍛件設計時，軸向余量不宜大，否則定位、夾緊擋板及彎曲上模易變形，不利于曲軸鍛件質量穩(wěn)定，也不利于控制曲軸坯料重量。

鍛造工藝方案

⑴曲軸交貨狀態(tài)：粗加工+時效半成品或成品交貨，優(yōu)先保證半成品交貨。

⑵鍛造設備：通用水壓機+TR 曲軸專用鍛造裝置。

⑶鍛后預備熱處理：正火。

⑷調質熱處理：曲軸鍛件黑皮調質，其中8 缸曲軸鍛件采用立式，6 缸曲軸鍛件采用臥式。

⑸曲軸鍛件交驗依據(jù)、交驗標準：曲軸鍛件交驗依據(jù)為用戶提供的半成品交貨圖，結合以往曲軸制造經(jīng)驗，經(jīng)工序間協(xié)商，交驗標準確定為軸向余量不小于5mm，徑向余量不小于10mm。

⑹曲軸鍛件兩端工藝尺寸留放：8 缸曲軸鍛件自由端、輸出端除用戶工藝頸外，由于調質重量超過3000kg，需在兩端加放200mm 力學性能試棒，此外，由于8 缸曲軸鍛件采用立式調質，需在自由端加放145mm 吊裝頭；6 缸曲軸鍛件由于采用臥式調質，可以省去145mm 吊裝頭，其余與8 缸曲軸鍛件相同。

⑺模具設計：由于模具項、件多，需盡可能借用或者改制封存模具。

⑻鍛造成形工藝試驗：采用替代料實施2 拐鍛造成形，運用“試錯法”驗證模具設計及其他工藝參數(shù)。

鍛造工藝設計

鍛造工藝流程為：光坯入廠復驗→機加工制坯→TR 鍛造→曲軸鍛件工序交驗→正火→校直→高溫回火→表面清理→曲軸鍛件完工交驗。

曲軸鍛件

曲軸鍛件設計遵循工藝方案的要求，力求通過工藝設計解決鍛造難點。

針對曲柄臂外圓周為非加工面的工藝難點，通過與用戶技術交流，用戶同意修改曲柄臂外形并將其外圓周改為加工面，減小了鍛造難度，有利于保證曲軸半成品、成品質量。

針對三曲柄臂平衡塊安裝面高且寬的工藝難點，采取四項措施減小鍛造難度，確保曲柄臂充填飽滿：⑴合理留放平衡塊安裝面加工余量；⑵設計兩種不同的曲柄臂鍛件外形；⑶不同的曲柄臂鍛件外形采用不同的預鍛模和曲柄臂側壓模；⑷減小預鍛模分模面開口角度以增大預鍛量。

針對四曲柄臂橢圓度大的工藝難點，采取三項措施控制徑向飛邊大小，同時減小曲柄臂主軸頸側易塌邊風險：⑴加大曲柄臂鍛件短軸方向的余量且兩種形狀曲柄臂余量不相同；⑵合理確定曲柄臂與側壓模之間的厚度差；⑶合理增加預鍛模型腔深度。

針對兩端用戶工藝頸直徑大于曲軸主軸頸直徑的工藝難點，采取三項措施：⑴增大曲軸鍛件兩端端頭直徑；⑵曲拐預鍛、終鍛全部采用支撐模以控制兩端端頭翹曲；⑶與用戶溝通，用戶同意修改兩端工藝頸尺寸為φ290mm。

針對軸向開檔余量偏小的工藝難點，由于曲軸鍛件以半成品交貨狀態(tài)圖為設計依據(jù)，考慮定位、夾緊擋板及彎曲上模三種模具的壽命，軸向單邊留量10mm，徑向單邊留量20mm，根據(jù)以往曲軸制造經(jīng)驗，軸向余量偏小。解決措施：曲軸鍛件完工交驗拷線，軸向加工余量不小于5mm，徑向余量不小于10mm，以半成品狀態(tài)交貨，否則以成品狀態(tài)交貨。圖2 為兩端工藝頸尺寸、曲柄臂形狀修改后的某大型鑄改鍛8缸曲軸鍛件簡圖。

曲軸坯料

曲軸坯料設計主要考慮的影響因素，一是盡可能采用不帶大臺階的光坯，因為帶大臺階的光坯其毛坯屬于Ⅳ類鍛件，比Ⅴ類鍛件鍛造成本高；二是考慮法蘭成形坯料的長徑比不宜過大；三是合理的主軸頸環(huán)槽深度，應控制在15mm 以內，否則增加材料消耗且過多切斷坯料主軸頸處金屬纖維流線；四是合理的連桿頸環(huán)槽深度和結構形狀，為防止曲軸鍛件連桿頸根部折疊，連桿頸環(huán)槽兩端設計成圓錐面效果好；五是坯料直徑大小，坯料直徑大有利于曲柄臂鐓鍛成形，但不利于控制徑向和軸向飛邊，也不利于減少材料消耗。圖3 為某大型鑄改鍛8 缸曲軸鍛件坯料簡圖。

圖2 某大型鑄改鍛8 缸曲軸鍛件簡圖

曲軸鍛造順序

曲軸鍛造順序可以選擇從自由端(或飛輪端)開始鍛造，也可以從中間某個曲拐開始鍛造，主要考慮的影響因素有坯料吊運、模具項件數(shù)量、法蘭坯料長度、模具更換次數(shù)以及是否利于節(jié)能等。對某鑄改鍛8 缸曲軸而言，最優(yōu)鍛造順序為第1 拐→第8 拐→法蘭2 →法蘭3 →法蘭1，其最突出的優(yōu)點是模具項件數(shù)量最少且鍛造過程中模具更換次數(shù)最少。

曲軸鍛造模具

由于某鑄改鍛曲軸采用TR 鐓鍛成形，其模具為分體式結構，包括夾緊、定位、彎曲、支撐、法蘭成形共計5 個部類。由于大部分模具費用由我方承擔，因此按工藝方案的要求，鍛造模具設計應重點考慮如何減少新制模具，改制封存DK36、12KU30GA 曲軸鍛件模具。在確保曲軸鍛件質量穩(wěn)定的前提下，經(jīng)過統(tǒng)籌考慮，精心設計，鍛造模具共計35 項/44 件，其中新制8 項/1 2件，改制2 7項/3 2件。圖4 a為第1 ～7拐和第8 拐預鍛模簡圖，與第1 ～7 拐預鍛模相比，第8 拐預鍛模有兩處不同，即A-A視圖中兩處圓括號內尺寸。圖4b 為第1 ～7 拐預鍛模三維模型。

圖3 某大型鑄改鍛8 缸曲軸鍛件坯料簡圖

圖4 某大型鑄改鍛曲軸鍛件預鍛模

曲軸坯料加熱

采用單工位曲拐加熱爐對某鑄改鍛曲軸坯料進行鍛前加熱，加熱爐規(guī)格：第1 ～8 拐預鍛加熱爐寬度1000mm、口徑φ350mm；第1 ～8 拐終鍛加熱爐寬度910mm，口徑φ350mm；法蘭2、法蘭3、法蘭1加熱爐寬度700mm，口徑均為φ350mm。坯料始鍛溫度1180 ～1200℃，設定爐溫1230℃，坯料加熱過程爐溫閉環(huán)控制，保溫時間55min。

曲軸鍛件預備熱處理

某鑄改鍛曲軸材料4 2 C r M o A，曲軸鍛件鍛后預備熱處理為正火，正火工藝參數(shù)隨爐升溫至(850±15)℃，均溫2h，保溫7h 后出爐空冷至室溫。

試驗驗證及結果討論

采用45#鋼實施兩拐鍛造成形試驗，其中第一拐和第二拐分別模擬某大型鑄改鍛曲軸的第1 ～7拐和第8 拐。兩拐試驗件按交驗標準拷線，軸向、徑向加工余量基本滿足要求。兩拐試驗件存在的問題：⑴平衡塊安裝面主軸頸側飛邊大、四個尖角處的“貓耳朵”形狀過大，見圖5a。⑵曲柄臂主軸頸側塌邊、連桿頸側飛邊大，見圖5b。分析主要由以下幾個因素所致：⑴坯料重量偏大。第1 ～14 曲柄臂理論計算重量237.6kg，第15 ～16 曲柄臂理論計算重量247.8kg，考慮火耗、飛邊等因素，第1 ～14曲柄臂實際用料250.6kg，第15 ～16 曲柄臂實際用料262.1kg。⑵預鍛量偏大。C 墊片是調整預鍛量大小重要參數(shù)之一，C 墊片的大小與曲拐半徑相關，C墊片大小決定預鍛后預鍛模型腔分模面以上聚料的多少，聚料多則產(chǎn)生大飛邊。⑶預鍛模型腔設計不盡合理。預鍛模型腔開口尺寸偏小，型腔分模面圓角偏小，型腔凸起未打磨光滑，造成預鍛后坯料形成凹坑，見圖6，凹坑過大導致終鍛后在曲柄臂主軸頸側形成塌邊。

圖5 兩拐試驗件存在的問題

圖6 預鍛坯料凹坑

圖7 某大型鑄改鍛8 缸曲軸鍛件樣件

工藝優(yōu)化及樣件試制

將圖2 中坯料直徑φ337mm 改為φ335mm( 法蘭用料直徑不變)，每個曲柄臂減料約3 k g。將T R曲軸專用鐓鍛裝置中用于控制預鍛量的C 墊片從2 2 0 m m調整為2 2 8 m m以減小預鍛量。將圖4a 中第1 ～7 拐預鍛模分模面開口角度從23°改為23.5°，第8 拐預鍛模相應角度從2 2°改為23.5°，圓角R30mm 改為R50mm。將圖4b 預鍛模型腔中斜面與R360mm、R173mm 圓弧面相交處形成的凸起打磨光滑，R360mm圓弧面的端面增加R10mm圓角。樣件試制結果表明工藝優(yōu)化措施是適宜的，可以開展該鑄改鍛曲軸的批量生產(chǎn)。圖7 為8 缸鑄改鍛曲軸鍛件樣件。

結束語

某大型鑄改鍛曲軸由于結構形狀、幾何尺寸以及用戶特殊要求，鍛造工藝難度大，模具項件多，通過研究半成品交貨曲軸的技術特征，提出修改意見并與用戶溝通、協(xié)商，減小了鍛造難度和坯料規(guī)格，8 缸、6 缸曲軸鍛件光坯重量分別為6540kg、5175kg。針對模具項件多，模具設計時充分考慮改制封存模具，改制、新制模具費實際發(fā)生60.5萬元。8缸、6 缸曲軸鍛件已分別累計鍛造生產(chǎn)63 支、22 支，曲軸鍛件工序交驗合格率90.6%，一次性完工交驗合格率100%。