康海鵬 孟瑞斌 千航超 李大喬 王金鵬 關(guān)朕

(寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司熱工分公司，陜西 寶雞 721000)

壓縮機(jī)是一種輸送氣體和提高氣體壓力的機(jī)器，廣泛應(yīng)用于煤化工、石油化工等領(lǐng)域。六拐曲軸是壓縮機(jī)的重要承力傳動(dòng)零件，通過連桿將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并向外輸出動(dòng)力，工作中受周期性不斷交替變化的載荷和振動(dòng)附加應(yīng)力的作用，受力情況復(fù)雜，容易產(chǎn)生疲勞破壞，因此對(duì)曲軸的強(qiáng)度、剛性、韌性和耐磨性等綜合力學(xué)性能要求高。大型的六拐曲軸，對(duì)鍛件本身尺寸和形狀，尤其是各曲拐之間的角度控制也要求嚴(yán)格[1]。

本文介紹了一種基于正六方截面制坯的六拐曲軸自由鍛工藝，該工藝方案是利用制坯的正六方截面各鄰邊成120°的特殊夾角關(guān)系，準(zhǔn)確地控制三個(gè)曲拐的夾角和曲拐的長(zhǎng)度，達(dá)到鍛造的工藝要求。

1 鍛造工藝方案分析

某壓縮機(jī)六拐曲軸要求鍛件符合JB/T 6908—2006《容積式壓縮機(jī)用鋼鍛件》第Ⅰ類鍛件的制造和驗(yàn)收要求，具體技術(shù)要求如表1[2]。

表1 技術(shù)要求Table 1 The technical requirement

圖1為六拐曲軸的鍛件圖，其鍛造難點(diǎn)在于：三個(gè)曲拐之間呈120°夾角，曲檔直徑與曲拐高度尺寸相差大，自由鍛時(shí)，曲拐夾角和曲檔長(zhǎng)度控制有難度。

圖1 六拐曲軸鍛件圖Figure 1 The forging drawing of the six-throw crankshaft

經(jīng)分析，制定兩種自由鍛工藝方案：

方案一鍛造工藝流程：加熱→鋼錠開坯→改圓料→分料→拔中間曲檔和兩端臺(tái)階→鍛曲拐→精整→切余料→退火→檢驗(yàn)→交粗加工。

方案二鍛造工藝流程：加熱→鋼錠開坯→鍛正六方料→分料→拔中間曲檔和兩端臺(tái)階→鍛曲拐→精整→切余料→退火→檢驗(yàn)→交粗加工。

兩種方案的區(qū)別主要在于拍扁成形曲拐時(shí)，所用初始截面的形狀不同。正六方截面拍扁時(shí)，將兩個(gè)對(duì)角的頂點(diǎn)轉(zhuǎn)到豎直位置，可以根據(jù)正六方截面之間的夾角是固定的特點(diǎn)來準(zhǔn)確確定曲拐的角度，不足之處在于，拔中間曲檔和兩端的臺(tái)階時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)和金屬變形不均勻的影響，會(huì)使還未拍扁的曲拐所在的三個(gè)正六邊形發(fā)生不同程度扭轉(zhuǎn)，如果不加以調(diào)正，將影響曲拐拍扁后夾角的準(zhǔn)確度。而圓形截面正好可以克服這種影響，不足之處在于，拍扁成形曲拐時(shí)，各曲拐之間的夾角角度需由操作人員通過設(shè)備和經(jīng)驗(yàn)來控制，精確度低，不易保證，而曲檔的直徑較大，強(qiáng)度很高，后期也難以利用扭轉(zhuǎn)工藝使曲拐夾角達(dá)到工藝要求，且圓截面變扁方截面時(shí)變形量較大，曲拐兩端會(huì)出現(xiàn)較大的圓弧，后期需要重新平整，這也會(huì)對(duì)曲拐夾角產(chǎn)生影響。

經(jīng)過對(duì)比，決定采用方案二鍛造，主要的質(zhì)量控制點(diǎn)為保證正六方截面的尺寸和調(diào)正曲拐拍扁前三個(gè)正六方面的位置不發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

為了保證六拐曲軸一次性鍛造成功，對(duì)方案二進(jìn)行試鍛驗(yàn)證，試鍛方案是以中間曲拐和兩邊曲檔為實(shí)際尺寸來控制，鋼錠剩余量鍛成兩端曲拐，不鍛出左右臺(tái)階，主要驗(yàn)證用正六方截面控制曲拐角度的準(zhǔn)確性和可行性及拍扁時(shí)兩個(gè)曲檔的尺寸變化情況。

從圖2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在旋轉(zhuǎn)拔長(zhǎng)曲檔的過程中，曲拐所在正六方截面會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，見圖2(a)，這會(huì)影響到后工序拍扁曲拐后，各曲拐的夾角出現(xiàn)超出工藝要求；曲拐在拍扁過程中，沿長(zhǎng)度方向上有一定的變形量，使曲檔和曲拐過渡的地方拉長(zhǎng)，見圖2(b)，曲檔總長(zhǎng)度有所增加。

圖2 方案二工藝試驗(yàn)件Figure 2 Test piece of scheme No.2

糾正措施：對(duì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)的截面以第一個(gè)正六方截面為基準(zhǔn)進(jìn)行矯正，控制壓機(jī)的壓下量為正六方截面兩個(gè)對(duì)邊的高度，多次小壓下量校正，直到正六方截面與第一個(gè)截面重合為止；拔長(zhǎng)曲檔時(shí)需注意控制長(zhǎng)度尺寸。

2 鍛造工藝設(shè)計(jì)

鍛件材質(zhì)42CrMoA，鍛件重量3850 kg，下料重量4800 kg，50 MN壓力機(jī)開坯，16 MN快鍛機(jī)成形，鍛造8火次，鍛件左端為驅(qū)動(dòng)端，加長(zhǎng)250 mm為連體試棒，力學(xué)性能取樣在其1/3半徑處。

2.1 冶煉

鍛造用鋼錠重7 t，鋼錠利用率68.6%，電弧爐煉鋼，爐外精煉加VD爐真空脫氣，充分去除S、P等有害元素，達(dá)到JB/T 6908—2006中原材料S、P含量不大于0.035%要求，并控制氣體的含量，特別是H含量小于2×10-6，一般認(rèn)為氫含量低于2～3 cm3/100g便不會(huì)產(chǎn)生白點(diǎn)[3]，同時(shí)控制鋼錠非金屬夾雜物級(jí)別達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求，減輕偏析。

2.2 加熱

三段式加熱曲線臺(tái)車爐加熱(圖3)，600～650℃為低溫保溫段，由于鋼錠直徑大，合金含量較高，需在低溫段充分保溫，防止加熱時(shí)內(nèi)外溫差導(dǎo)致的熱應(yīng)力使鋼錠內(nèi)部開裂。800～850℃為中溫保溫段，保證鋼錠在中溫段徹底均熱，為高溫段加熱做好基礎(chǔ)。1250℃為高溫段，要求鋼錠在此溫度長(zhǎng)時(shí)間保溫，使鋼錠內(nèi)部加熱透徹均勻，具有良好的塑性，為開鍛做好準(zhǔn)備。

圖3 加熱曲線Figure 3 The heating curve

2.3 開坯

鋼錠加熱均溫后，在上下平砧小壓下量倒棱，焊合鋼錠皮下裂紋，保證鐓粗時(shí)裂紋不擴(kuò)展，剁刀熱切鋼錠冒口和水口，保證端面平齊。下料尺寸約?700 mm×1580 mm，高徑比為2.3，高徑比在2.0～2.5范圍可以保證在鐓粗時(shí)出現(xiàn)單鼓形，使變形均勻[4]。鋼錠回爐重新保溫后出爐鐓粗到800 mm高，走扁方鍛造到約1000 mm×600 mm，走扁方鍛造的目的是采用大壓下量，大變形使鋼錠內(nèi)部充分鍛透，改600 mm×600 mm的正方，總鍛比達(dá)到4.2。

2.4 改料

在壓機(jī)上設(shè)定上下砧面的距離為520 mm，將正方坯料改為邊長(zhǎng)300 mm的正六方截面，要求六個(gè)邊的長(zhǎng)度均勻一致，各邊成120°夾角。此過程尺寸的精確是后面曲拐夾角正確的基本保證，必須反復(fù)修正以達(dá)到工藝要求。

2.5 分料

計(jì)算六拐曲軸各部分重量，按圖4分料，左右兩端臺(tái)階重量不能達(dá)到臺(tái)階拔出的條件，需加放切頭余料[5]，用圓鋼壓痕，由中間向兩端分料，保證分料準(zhǔn)確。

圖4 壓痕分料圖Figure 4 Indentation parting diagram

2.6 鍛中間曲檔和兩端臺(tái)階

用180 mm的窄砧將中間曲檔拔長(zhǎng)到?300 mm，控制曲檔的長(zhǎng)度不超出工藝要求，將左右兩端的分料拔長(zhǎng)到?250 mm。拔長(zhǎng)時(shí)壓下量和旋轉(zhuǎn)量要保持均勻，使臺(tái)階和曲檔與六方截面保持較高的同軸度，防止拍扁曲拐后中心線發(fā)生偏移過多，造成一邊加工余量大，一邊加工余量不足的情況。

2.7 鍛曲拐

鍛曲拐時(shí)按先鍛Ⅰ-Ⅱ號(hào)曲拐，再鍛Ⅲ-Ⅳ號(hào)曲拐，最后鍛Ⅴ-Ⅵ號(hào)曲拐的順序，鍛后兩個(gè)曲拐時(shí)，需將Ⅰ-Ⅱ號(hào)曲拐轉(zhuǎn)動(dòng)到豎直方向，使其豎直軸線與砧面垂直，輕壓Ⅲ-Ⅳ號(hào)和Ⅴ-Ⅵ號(hào)曲拐所在六方截面的上平面水平，保證與Ⅰ-Ⅱ號(hào)曲拐的豎直軸線垂直，再轉(zhuǎn)動(dòng)需要拍扁的六方截面頂點(diǎn)到豎直位置進(jìn)行壓扁，具體操作步驟如下：

(1)如圖5所示，將六方的Ⅰ、Ⅱ頂點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到豎直方向，與砧面垂直，向中間壓平到厚度約300 mm，鍛成Ⅰ-Ⅱ號(hào)曲拐，壓平時(shí)注意控制曲拐寬度，需保證寬度不要超差。

圖5 Ⅰ-Ⅱ曲拐的鍛造過程Figure 5 The forging process of Ⅰ-Ⅱ crank throw

(2)如圖6所示，將Ⅰ-Ⅱ號(hào)曲拐豎直立起，軸線與砧面垂直，將Ⅲ、Ⅳ點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)到豎直位置，將Ⅲ、Ⅳ點(diǎn)豎直壓平到厚度約300 mm，鍛成Ⅲ-Ⅳ號(hào)曲拐，壓平時(shí)注意控制曲拐寬度，需保證寬度不要超差。

圖6 Ⅲ-Ⅳ曲拐的鍛造過程Figure 6 The forging process of Ⅲ-Ⅳ crank throw

(3)如圖7所示，將Ⅰ-Ⅱ號(hào)曲拐豎直立起，軸線與砧面垂直，將Ⅴ、Ⅵ點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)到豎直位置，將Ⅴ、Ⅵ點(diǎn)豎直壓平到厚度約300 mm，鍛成Ⅴ-Ⅵ號(hào)曲拐，壓平時(shí)注意控制曲拐寬度，需保證寬度不要超差。

圖7 Ⅴ-Ⅵ曲拐的鍛造過程Figure 7 The forging process of Ⅴ-Ⅵ crank throw

2.8 精整、切余料

精整階段，根據(jù)剩余鍛比，將加熱溫度降低到1100℃保溫，防止停鍛時(shí)溫度過高，晶粒粗大，同時(shí)保證魏氏組織級(jí)別符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。精整各部尺寸，按工藝熱切兩端余料。

2.9 鍛件熱處理

六拐曲軸為合金鋼材料，鍛件截面較大，鍛后制定了等溫退火爐冷規(guī)范(見圖8)，以減小冷卻過程中熱應(yīng)力和組織應(yīng)力對(duì)鍛件的影響，防止出現(xiàn)裂紋。

圖8 退火曲線Figure 8 The annealing curve

3 實(shí)際生產(chǎn)情況

以上述工藝進(jìn)行生產(chǎn)，鍛件成形良好，曲拐的角度可以控制在工藝要求范圍1°～2°內(nèi)，角度偏移量產(chǎn)生的加工余量可通過曲拐厚度上的余量加以消除，鍛件表面無裂紋、折疊，經(jīng)超聲檢測(cè)內(nèi)部無裂紋、白點(diǎn)缺陷，鍛件的力學(xué)性能、晶粒度、低倍和金相組織及硬度均達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 結(jié)論

(1)按照文中所述的基于正六方截面的曲軸自由鍛方法所鍛成的六拐曲軸，加工余量及曲拐所成角度滿足加工要求。鍛件金屬纖維流線分布符合零件形狀，零件綜合力學(xué)性能良好。

(2)拔長(zhǎng)曲檔時(shí)，按一個(gè)方向螺旋拔長(zhǎng)必然會(huì)造成相鄰六方截面的扭轉(zhuǎn)錯(cuò)位，應(yīng)遵循左右對(duì)稱旋轉(zhuǎn)拔長(zhǎng)的原則，以便盡可能地消除對(duì)六方截面的不利影響，減小六方截面的扭轉(zhuǎn)。

(3)鍛Ⅲ-Ⅳ號(hào)和Ⅴ-Ⅵ號(hào)曲拐時(shí)，需以Ⅰ-Ⅱ號(hào)曲拐豎直方向?yàn)閰⒖蓟鶞?zhǔn)，仔細(xì)核對(duì)后再轉(zhuǎn)動(dòng)拍扁，以免轉(zhuǎn)動(dòng)方向錯(cuò)誤導(dǎo)致鍛件報(bào)廢。

(4)通過六方截面對(duì)角拍扁來實(shí)現(xiàn)曲拐面夾角的工藝方案可行，拍扁后曲拐面仍存在較小的角度偏差，生產(chǎn)中控制在小于2°范圍內(nèi)，由角度偏差引起的曲面上的加工余量，可以通過曲面厚度方向的余量來消除。

(5)曲拐拍扁后寬度與左右兩端的臺(tái)階直徑尺寸相差較大，容易產(chǎn)生臺(tái)階中心線偏移，對(duì)機(jī)加工劃線造成影響，兩端臺(tái)階鍛造過程中應(yīng)控制壓下量，減少變形的不均性。