浅议大型船用曲轴毛坯的锻造

文章编号16720121201005006104浅议大型船用曲轴毛坯的锻造滕启臣。张晓字辽宁五一八内燃机配件有限公司，辽宁丹东118009摘要从船用曲轴毛坯锻造生产的现状着手，介绍了曲轴成形机理和特点，以及对这类曲轴的锻造方法。重点介绍了曲轴的全纤维锻造，分析了错挤锻造和镦挤锻造的特点。还特别介绍了锻造专用工艺装备的结构原理，指出液压铰链式结构工装最为合理。关键词机械制造；锻造；曲轴；大型船舶；全纤维中图分类号TG312文献标识码B1前言船用曲轴是船用柴油机的关键零部件之一，工作中承受周期性变化的弯曲和扭转力矩，同时承受惯性力和振动附加应力以及交变载荷的作用。负荷情况复杂、沉重，容易产生疲劳破坏，造成曲轴断裂，引起柴油机缸体等其他零件的损坏，直接影响船体等设备的安危所以对船用曲轴的强硬目愎、耐磨性等提出了较高的要求。为了满足各种力学性能要求，对船用曲轴的内部和表面组织结构、纤维分布等都有严格要求。此外，形状尺寸精度要高，机械加工余量要少，是大型船用曲轴锻造生产中必须解决的重要问题。大型船用曲轴的锻造方法有很多，其中有扭拐、压拐、错拐等自由锻造法，也有错挤，循序模锻、弯曲镦锻等模锻方法。然而按照锻造纤维流线的分布特点来看，大型船用曲轴的锻造方法，也可以归纳为三种，即切断纤维锻造和半连续纤维锻造以及全纤维锻造。由于其锻造的纤维分布形式各不相同，它们的锻造方法也各有所不同。近年来随着制造业快速发展和船舶制造业的崛起，大型船用曲轴的市场发展潜力巨大。随着国内生产大型船用曲轴机械加工能力的不断增强，大型船用曲轴的锻件毛坯市场需求量逐年增多。近年来，我公司建设了4000T和6000T两条生产大型船用曲轴的压力机锻造生产线，经多年生产实践，积累了大型船用曲轴锻造生产的一些经验。这里我们对大型船用曲轴锻造成形机理和特点，以及专用工艺装备的结构原理作一介绍，以期对同行工程技术人员做一些交流，达到共同进步目的。以促进大型船用曲轴锻造生产的新发展，为国收稿日期20100527作者简介滕启臣1983一，男，工程师，从事锻压设备维修改造及锻压工艺设计家和企业创造更大的财富。2大型船用曲轴的切断纤维锻造大型船用曲轴的切断纤维锻造是将钢锭压成曲柄销所要求的扁方，再用机械切削加工的方法，把曲轴的主轴颈和曲柄销轴颈加工出来，用电感应加热炉进行局部加热，再扭曲柄销，达到曲柄销所要求的相位角度。采用这种锻造方法，切断了曲轴的主轴颈和曲柄销轴颈与曲柄臂结合处的锻造纤维，降低了大型船用曲轴的承载能力。特别是通过切削加工之后，钢锭心部缺陷如疏松、偏析等暴露于主轴颈和曲柄销轴颈的表面，引起应力集中，影响了曲轴的疲劳强度。这种锻造方法，在实际生产中废品率比较高，同时因局部加热扭曲柄销轴颈，造成变形不均匀。当扭曲柄销轴颈的角度较大时，还很容易产生裂纹。因此，在实际生产中尽量不用这种方法。只有当形状特殊，结构非常紧凑，采用其他方法难于锻出成形的曲轴时，才不得不用这种方法。3大型船用曲轴的半连续纤维锻造大型船用曲轴的半连续纤维锻造是将钢锭压成一定截面的坯料，如六个曲柄销的曲轴压成六方形截面，或三角性截面等，八个曲柄销的曲轴压成正方形截面相位角然克服连续纤难掌握机械加造方法的高技操作过程中应注意以下问题加热要均匀，防止变形时偏心；锻六方坯时，一定要准确以免影响曲柄销的相位角度；号印时，可以用模型校对，注意不要号错，印不要号斜；错移曲柄销时，V形砧的位置要准确，垫砧要合适，并注意轴颈不要拉长，错挤移量一定要保证；拍挤压曲柄销时，注意曲柄臂角度；压曲柄销修整时，如果曲柄销圆角材料不足，可用半圆铁辗压。鉴于上述原因，大型船用曲轴的半连续纤维锻造也仅适用于单件或小批量生产。4大型船用曲轴的全纤维锻造按照切断纤维锻造和半连续纤维锻造生产的大型船用曲轴毛坯，由于其曲轴上的主轴颈和曲柄销轴颈以及曲柄臂两侧面都需要经过机械加工来达到毛坯制造尺寸，从而造成大型船用曲轴锻件毛坯的热变形纤维组织被机械切削加工切断，使坯料心部的缺陷外露而降低了大型船用曲轴力学性能和正常工作时运转的安全可靠性。大型船用曲轴的全纤维锻造，是目前曲轴锻造中的一种先进锻造工艺。即可以在专用的水压机或液压机上锻造，也可以在普通的水压机或液压机上设置专用212艺装备来锻造。大型船用曲轴全纤维锻造的曲轴毛坯，金属热变形纤维沿锻件外形连续分布，坯料的中心线与曲轴的轴心线基本重合，经过切削加工后，金属纤维不被切断，坯料心部偏析、夹杂等缺陷也不外露。因而明显地提高了曲轴力学性能和正常工作时运转的安全可靠性。同时可以采用较细的坯料直径，显著地减少了毛坯的加工余量。实际生产已经证明，采用全纤维锻造生产的大型船用曲轴毛坯比采用其他锻造生产的大型船用曲轴毛坯，可以节约金属材料约34、缩短切削加工工时约28、减少废品、减轻劳动强度、提高生产率。大型船用曲轴的全纤维锻造工艺方法有两种错挤锻造和镦挤锻造。41大型船用曲轴的全纤维错挤锻造全纤维错挤锻造工艺是将坯料放置在模具内将曲柄销逐个锻出，曲柄销错挤成形过程的工作机理见图1所示。将预制好的坯料放入模具后，在纵向压作用下，水压机或液压机的活动横梁带动上模头向下错移两个曲柄臂，同时推挤曲柄销轴颈，曲柄销和曲柄臂成形。大型船用曲轴的全纤维成形，需要通过制坯和错挤两个工序来完成。1大型船用曲轴的制坯钢锭经过压钳把、倒棱、拔长成圆形截面，电感热出炉后，在图2所示的制坯模内，按曲轴的曲数分别摔圆、压痕、分段。坯料压痕前先通过圆L23654A夹紧坯料直径FFL一芝B局部错挤C错挤成形图1错挤成形1，3上主轴颈夹紧模块2上曲柄销轴颈压头模块4，6下主轴颈夹紧模块5下曲柄销轴颈压头模块8765图2曲轴制坯模1，3，6，8主轴颈压痕模块2，7曲柄销轴颈压痕模块4，5闾弧摔形模块主轴曲柄臂曲柄销轴颈弧摔，使坯N上曲柄臂部分的直径保持均匀一致。在上模不断抬起和压下的过程中，坯料不断地旋转，待上下模压合后，曲轴所需的主轴颈、曲柄臂、曲柄销轴颈等部分坯N，便由三对圆弧压痕模块压痕分段。然后再送进下一个曲柄销长度进行压痕分段。直至完成全部曲柄销数的制坯为止。2大型船用曲轴的曲柄销错挤成形坯料经过制坯，再经过电感应加热后，便可以在成形模内逐拐错挤成形，见图3A所示。它是一个已经成形的曲柄销，待错挤下一曲柄销之前的初始位置示意简图。当制坯后的曲轴放在下模上时，已成形的曲柄销轴颈与待成形曲柄销轴颈之间的夹角为120。下模支承块的模槽各托住相邻两个主轴颈中间的待成形曲柄销上的两个曲柄臂的一半，两个曲柄臂的另一半坯料各卡在上模具冲压头左右两侧面的模槽内。当上模具在水压机或液压机的活动横梁带着向下运动时，先以节距板卡紧左右两端的主轴颈。与此同时上模具的冲压头两侧面模槽和下模具支承块的模槽，对曲柄臂部分的坯料进行挤压剪切变形，但曲柄销轴颈的中心线尚未移动。当上模继续下降时，模具上冲压头凹挡底部接触到曲柄销轴颈，并使其错移而变薄拉伸，直到上、下模闭合曲柄销和曲柄臂在模具内成形，见图3B所示。最后上模具抬起，曲柄销和曲柄臂由顶出器顶起，即锻完一个曲柄销轴颈的成形。这样连续进行下去，直到错挤出全部曲柄销轴颈为止。大型船用曲轴的全纤维锻造采用错挤锻造工艺生产，在制坯过程中，其制坯尺寸要合L23456789L817L6L5L4L3L2LLL0A初始位置B成形位置图3错挤成形模1曲轴锻件2，9上模节距板3上模座4上曲柄销夹紧模块5，7，8上主轴颈夹紧模块6模具上冲压头LO，18下模节距板L1，12，15下主轴颈夹紧模块L3模具下冲压头L4顶出器16下曲柄销夹紧模块L7下模座理，否则将影响曲轴毛坯尺寸和操作。这种方法，模具结构简单，生产成本较低，所需的水压机或液压机吨位比较小，模具更换比较方便。42大型船用曲轴的全纤维镦挤锻造大型船用曲轴的全纤维镦挤锻造就是利用曲轴本身的结构形状特点，使坯料在模具内将曲柄销轴颈逐个锻出。全纤维镦挤锻造的大型船用曲轴坯料和锻件见图4所示。这种锻造工艺是目前所有生产缸1上，左上斜块6与左夹紧油缸1安装在上连接架24的左侧。右上模块20和右上模块座21固定在一起安装在右夹紧油缸23上，右上斜块18与右夹紧油缸23安装在上连接架24的右侧。中间上模块22安装在上连接架24的中间位置。上连接架24通过螺钉与水压机或液压机的活动横梁连接。左下模块5和左下模块座8固定在一起，与左下斜块7共同安装在左滑动模座9上。中间下模块11与中间下油缸12连接在一起固定在底座13上。右下模块19和右下模块座L6固定在一起，与右下斜块17共同安装在右滑动模座15上。左油缸10和左滑动模座9与右油缸14和右滑动模座15共同安装在底座L3上。底座13固定在水压机或液压机的工作台上。加热后的坯料放人下模块具内，定位后，开动水压机或液压机工作台，将下模块T移到水压机或液压机下，待上、下模块具对准定位以后，水压机或液压机的活动横梁带动上连接架24下压。这时左、右夹紧油缸1、23加压，左、右上斜块6、18推动左、右下斜块7、17通过左、右滑动模座9、15和图4全纤维镦挤锻造曲轴坯料和锻件图大型船用曲轴毛坯锻造手段中最为先进的一种212艺。曲柄销镦挤成形过程中的工作原理，见图5所示。车削合格的大型船用曲轴毛坯料段，经电感应局部JN需要镦挤的曲柄销和曲柄臂。当两个曲柄臂在横向压力作用下镦粗到一定程度时，纵向压力开始向下推挤曲柄销轴颈，在镦粗和推挤的联合作用下，使曲柄销轴颈和曲柄臂在模具内成形，即镦挤完一个曲柄销轴颈和曲柄臂。这样连续进行下去，直到镦挤出全部曲柄销轴颈和曲柄臂为止，也就完成了一根全纤维大型船用曲轴毛坯的镦挤工作。大型船用曲轴的全纤维镦挤锻造，所用专用工艺装备有传统的液压楔式结构和改进后的液压铰链式结构两种形式。1传统液压楔式结构工作原理传统的液压楔式结构具体见图6所示。左上模块3和左上模块座2固定在一起，安装在左夹紧油左、右模块座2、8、16、21带动左、右，上、下模块具3、5、20、19同时向中间移动，左油缸10和右油缸14也一同加压。这时中间下油缸12推动中间下模块11与中间上模块22夹紧曲柄销轴颈并向下移动，挤压曲柄臂坯料，直到曲柄销轴颈和曲柄臂成形0然后活动横梁上升带动上模块具和中间上模块提起，下中间油缸升起推动中间下模块顶出曲轴后，左、右侧缸将左、右滑动模座推开，再继续镦挤另一曲柄销。123，456A夹紧坯料直径一。7_，FFB局部镦粗C镦粗和推挤联合B镦挤成形图5镦挤成形过程F主轴曲柄曲柄轴颈L011L2L3图6液压楔式结构工装1左夹紧油缸2左上模块座3左上模块4坯料5左下模块6左上斜块7左下斜块8左下模块座9左滑动模座1O左油缸11中间下模块L2中间下油缸13底座14右油缸L5右滑动模座16右下模块座L7右下斜块18右上斜块19右下模块20右上模块21右下模块座22中间上模块23右夹紧油缸24上连接架2改进后的液压铰链式结构工作原理改进后的液压铰链式结构具体见图7所示。左上模块2安装固定左上模块座1上，由左夹紧连杆3通过两个销轴与上连接架2L连接在一起。左下模块5和左下模块座6固定在一起，安装在左滑动模座7上并与左油缸8相连，一同安装在底座11上。中间下模块9与中间下油缸10连接在一起固定在底座11上。中间上模块19安装在中间上油缸20上与连接架2L的中间位置连接。右上模块17安装固定在右上模块座18上，由右夹紧连杆16通过两个销轴与上连接架21连接在一起。右下模块15和右下模块座14固定在一起，安装在右滑动模座13上并与右油缸12相连，一同安装在底座II上。底座1I固定在水压机或液压机的工作台上。坯料加热后放入下模块具内，10加压带动中问上、下模块19、9夹紧竺曲柄销轴颈并向下移动，挤压曲柄臂22坯N，直到曲柄销轴颈和曲柄臂成形。然后活动横梁上升带动上模块具和一中间上模块提起，下中间油缸升起推动中间下模块顶出曲轴后，左、右油缸17将左、右滑动模座推开，再继续镦挤另一曲柄销。1145结束语经现场生产证明，大型船用曲轴的全纤维镦挤锻造，采用改进后的液压铰链式结构工装最为合理。这种结构装置的最大优点是在镦挤过程中，随着连杆倾斜角的逐渐变小，水平分力增加，镦挤压力逐渐变大。这与曲柄臂在挤压过程中，随着曲柄臂挤压面积的增大，所需变形力增大的需要相一致，满足了曲柄销轴颈和曲柄臂镦挤压力的需要。改进后的液压铰链式结构装置通过近几年的使用，效果一直比较好，镦挤的全纤维大型船用曲轴锻件毛坯质量完全满足用户技术需要，已经逐渐替代了部分进口全纤维大型船用曲轴毛坯锻件。1左上模块座7左滑动模座910L1图7液压铰链式结构工装2左上模块3左夹紧连杆4坯料5左下模块6左下模块座8左油缸9中间下模块LO中间下油缸11底座12右油缸14右下模块座15右下模块L6右夹紧连杆L7右上模块19中间上模块2O中间上油缸21上连接架【参考文献】1锻工手册编写组锻工手册上册北京机械工业出版社，1976【2】吕炎锻造工艺学京机械工业出版社，19953】俞新陆液压机的设计与应用北京机械工业出版社，2007【4】成大先，主编机械设计手册第四板北京机械工业出版社，2OO2文章编号167201212O1O05006502锥台类零件成形工艺研究许树勤，张艳萍，刘应忠太原理工大学材料科学与工程学院，山西太原030024摘要针对小批量锥台类锻件成形中存在的轴向推力问题，提出了切肩成形锥台、胎模锻终锻成形的工艺方案，材料利用率提高了30。运用DEFORM一2D软件对胎模锻成形过程进行模拟，验证了方案的可行性。关键词机械制造；锻造；锥台；胎模锻；数值模拟中图分类号TG316文献标识码B1前言锥台类零件图1是在实际生产中常见的一种零件。当生产批量在100件左右时，由于该类锻件在自由锻制坯时存在的轴向推力，增加了锻造生产时的危险性。因此，大多回避直接塑性成形，而采用将直壁圆柱体锻件机加工出锥台的工艺方法。这一方法材料利用率低、生产率低、刀具消耗量大、制造成本古【“。本文提出60L20图1锻坯