毛雪芹 祁 波 王國(guó)棟 馬曉兵 康 兵

(武漢重工鑄鍛有限責(zé)任公司，湖北430084)

曲柄是柴油機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，其形狀特殊，機(jī)械加工部位較多，在熱處理過(guò)程中極易發(fā)生變形，以致無(wú)法滿(mǎn)足產(chǎn)品后續(xù)加工要求。在曲柄的各個(gè)加工部位中，內(nèi)檔部位的加工最為復(fù)雜，在熱處理過(guò)程中變形問(wèn)題也最為突出。有效控制熱處理過(guò)程中曲柄內(nèi)檔尺寸的變化，是曲柄熱處理變形控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是熱處理專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員長(zhǎng)期研究和探索的重要課題。

低速柴油機(jī)曲柄最常用的材質(zhì)有M60.6和S34MnV兩種，熱處理方式為正火+正火+回火。分別選用三組材質(zhì)為S34MnV的某機(jī)型曲柄，以不同的裝爐方式進(jìn)行熱處理，通過(guò)對(duì)比曲柄在不同裝爐方式下熱處理后內(nèi)檔尺寸的變化，來(lái)確定最為合適的裝爐方式和變形控制措施。

1 試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)方法

1.1 曲柄裝爐方式為豎立式

曲柄的工藝路線(xiàn)為：煉鋼→鍛造→粗加工→熱處理→精加工。

所選用的某機(jī)型曲柄，其粗加工圖內(nèi)檔基本尺寸為179 mm，頸部總厚度基本尺寸為769 mm，如圖1所示。按照我公司曲柄熱處理和機(jī)械加工相關(guān)要求，熱處理前內(nèi)檔尺寸需控制在179 mm±5 mm范圍內(nèi)；熱處理后內(nèi)檔變形需控制在±10 mm范圍內(nèi)，即內(nèi)檔張大和縮小尺寸均不超過(guò)10 mm，方可滿(mǎn)足后續(xù)精加工要求。首先選用六件曲柄(分別記為①、②、③、④、⑤、⑥)在臺(tái)車(chē)爐進(jìn)行正火+正火+回火熱處理，然后對(duì)它們的內(nèi)檔尺寸進(jìn)行測(cè)量，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖1 曲柄粗加工示意圖Figure 1 Schematic diagram of rough machining for crank

由表1中數(shù)據(jù)可以看出，曲柄在采用豎立式裝爐進(jìn)行熱處理后，其內(nèi)檔尺寸明顯增大，其張開(kāi)尺寸范圍為14～21 mm。六件曲柄熱處理后內(nèi)檔變形均超出控制范圍，無(wú)法滿(mǎn)足后續(xù)精加工要求。因此，只有對(duì)該六件產(chǎn)品重新進(jìn)爐加熱后進(jìn)行校正，以使內(nèi)檔尺寸符合加工要求。這樣不僅增加了生產(chǎn)成本，也延緩了產(chǎn)品流轉(zhuǎn)速度。

表1 豎立式裝爐時(shí)曲柄的熱處理變形情況Table 1 Heat deformation situations of crank under charging in vertical type 單位：mm

1.2 曲柄裝爐方式為平裝式

同樣地，選用另外六件S34MnV曲柄(分別記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ)進(jìn)行平裝式裝爐，熱處理工藝仍為正火+正火+回火。然后測(cè)量六件曲柄內(nèi)檔尺寸，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 平裝式裝爐時(shí)曲柄的熱處理變形情況Table 2 Heat deformation situations of crank under charging in horizontal type 單位：mm

由表2可見(jiàn)，采用平裝式裝爐時(shí)，由于產(chǎn)品自身重力的作用，熱處理后內(nèi)檔明顯收縮，縮小尺寸范圍為5～19 mm。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ號(hào)曲柄內(nèi)檔縮小尺寸超出控制范圍，無(wú)法滿(mǎn)足精加工要求。其余兩件曲柄內(nèi)檔雖亦有縮小，但滿(mǎn)足加工要求。

1.3 曲柄裝爐方式優(yōu)化(平裝且內(nèi)檔塞入墊鐵和楔鐵)

對(duì)比表1、表2的數(shù)據(jù)，對(duì)裝爐方式進(jìn)行優(yōu)化，即采用平裝式裝爐且在曲柄內(nèi)檔處塞入墊鐵和楔鐵。如圖2所示，先在曲柄下面放入墊鐵，再在墊鐵上塞入相應(yīng)規(guī)格的楔鐵，并控制好墊鐵和楔鐵放置方向，將楔鐵塞緊。曲柄第一次正火后，曲柄內(nèi)檔會(huì)張大，在第二次正火入爐前重新調(diào)整楔鐵高度，略微下降5～10 mm，這樣經(jīng)第二次正火后，曲柄內(nèi)檔尺寸與熱處理前基本保持不變，在回火后恰好達(dá)到工藝控制要求范圍。

圖2 曲柄裝爐優(yōu)化示意圖Figure 2 Schematic drawing of improved charging for the crank

按照?qǐng)D2所示裝爐，又進(jìn)行了其他六件曲柄(分別記為(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6))的熱處理，然后測(cè)量六件曲柄的內(nèi)檔尺寸，如表3所示。

由表3可知，曲柄平裝式裝爐且在內(nèi)檔處塞入墊鐵和楔鐵，待熱處理完畢后，其內(nèi)檔尺寸變化控制在4～6 mm，完全滿(mǎn)足后續(xù)精加工要求。

表3 優(yōu)化裝爐后曲柄的熱處理變形情況Table 3 Heat deformation situations of crank after improved charging 單位：mm

2 分析討論

通過(guò)對(duì)比曲柄在不同裝爐方式下進(jìn)行熱處理內(nèi)檔尺寸的變化，分析如下：

(1)當(dāng)采用豎立式裝爐，曲柄在加熱時(shí)隨著溫度的不斷升高，工件內(nèi)部應(yīng)力逐漸增大，而在后續(xù)正火出爐冷卻過(guò)程中，因工件表層和心部的冷卻速度不一致，導(dǎo)致體積收縮不均而產(chǎn)生熱應(yīng)力。在熱應(yīng)力的作用下，由于表層冷卻速度比心部快得多，表層要收縮，而中心溫度尚高阻止表層收縮，對(duì)表層產(chǎn)生拉應(yīng)力，心部則產(chǎn)生壓應(yīng)力。隨著冷卻過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行，由于工件心部最后冷卻，體積收縮不能自由進(jìn)行而使表層受壓應(yīng)力、心部受拉應(yīng)力，即在熱應(yīng)力的作用下最終使工件表層受壓而心部受拉。這種現(xiàn)象受到冷卻速度、熱處理工藝參數(shù)等因素的影響。冷卻速度愈快，冷卻過(guò)程中在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生的不均勻塑性變形愈大，內(nèi)檔張開(kāi)愈嚴(yán)重。

(2)當(dāng)采用平裝式裝爐，內(nèi)檔未塞入墊鐵和楔鐵時(shí)，曲柄在加熱時(shí)隨著溫度不斷升高，其屈服強(qiáng)度不斷降低，同時(shí)在工件內(nèi)部存在殘余應(yīng)力(機(jī)加應(yīng)力、鍛造應(yīng)力等)，當(dāng)溫度上升到一定程度時(shí)，工件各部位屈服強(qiáng)度的變化就會(huì)引起不均勻的塑性變形而造成其形狀改變。若上檔支撐不嚴(yán)，處于懸臂狀態(tài)時(shí)，在長(zhǎng)時(shí)間的高溫過(guò)程中，由于重力作用產(chǎn)生高溫蠕變，而使上檔下墜。在兩次正火過(guò)程中，上檔與下檔間的尺寸逐漸收縮，形成產(chǎn)品變形。在采用了改進(jìn)的裝爐方式進(jìn)行熱處理時(shí)，由于在曲柄內(nèi)檔塞入了合適的墊鐵和楔鐵，在加熱過(guò)程中，雖然也會(huì)由于工件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力(主要為熱應(yīng)力和組織應(yīng)力)，引起內(nèi)檔變形，但曲柄上檔的變形受到墊鐵和楔鐵的支撐和阻擋，下墜的力度不足以使產(chǎn)品發(fā)生較大變形，因此內(nèi)檔尺寸變化可控制在較小范圍。

3 結(jié)論

(1)無(wú)論平裝式或豎立式裝爐，曲柄在熱處理過(guò)程中均會(huì)發(fā)生變形。但相比而言，采用平裝式時(shí)曲柄內(nèi)檔變形量較小。

(2)采用平裝式裝爐，在曲柄內(nèi)檔塞入墊鐵和楔鐵，并在生產(chǎn)過(guò)程中適時(shí)加以調(diào)整，能夠有效控制曲柄的內(nèi)檔變形，使其滿(mǎn)足后續(xù)加工要求。

(3)低速柴油機(jī)曲柄熱處理變形控制的研究，對(duì)其他類(lèi)型產(chǎn)品熱處理變形控制具有借鑒和指導(dǎo)意義。