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拿到定仙游就跑路不管什么太白云生了方源眼中精芒爆闪早已下定了决心S90级船用曲拐挤压成形试生产研究2023-02-07 08:00·MouldDaily模具天天报曲轴是机器传递动力与运动或运动方式转换的零件广泛用于以内燃机为动力的机器在大型船舶中曲轴被誉为心脏中的部件承担船舶发动机动力的输出是整个机械动力系统的推动源[1-3]大型船舶的曲轴服役中既承担巨大的载荷又工作于潮湿、酸性的环境中因此其物理性能要求高如强度、刚度以及耐磨性等；曲轴在组织上也要求严格必须内部缺陷数量少纤维组织分布合理此外还要求锻件的材料利用率高以期达到良好的制造经济效益当曲轴的尺寸、质量比较大时实现其整体制造有技术与经济两方面的困难因此当主轴颈超过300 mm后采用组合结构由4种零件组合而成即输入端、曲拐、主轴颈和输出端其中曲拐是形状复杂、质量大、数量多和承载复杂的零件图1所示为S90级曲轴和装配前的曲拐零件曲轴质量为19.8×103 kg图1 S90级曲轴和装配前的曲拐零件为保证大型船舶航行的安全性曲拐采用冶炼铸锭、锻造制坯、切削加工和热处理的工艺进行生产锻造起着改善铸锭组织、为切削加工提供良好形状的坯料、为热处理做好组织准备的作用曲拐锻造工艺经历了如下发展过程（1）块锻法：根据曲拐的尺寸将钢锭锻造成长方体状然后按曲拐厚度分段切开得到曲拐锻坯如图2所示其特点是锻造成形容易不需要工装模具锻造火次少但金属纤维分布不合理材料利用率低后续加工量大经济效益差已被淘汰[4]图2 曲拐块锻法（2）环锻法：采用中空钢锭或冲孔的锻坯进行扩孔再锻成扁方环从中间切断成形为U型坯料得到2个曲拐锻件如图3所示其特点是材料利用率能提高减少了后续切削的工作量金属纤维连续、分布合理但锻件成形工序多且复杂工装模具更换多效率低所以应用较少图3 曲拐环锻法（a）冲 孔 （b）锻扁方环 （c）环切断（3）弯锻法：其是目前国内外应用最多的方法将钢锭锻成曲拐展开的形状然后弯曲成形压平修整得到锻件如图4所示其特点是金属纤维连续分布合理工装模具简单操作方便成形容易但在曲拐销处容易产生折叠、超宽、缺料等缺陷且锻件材料利用率低目前多用于小批量生产图4 曲拐弯锻法（a）制 坯 （b）弯 曲 （c）压 平 （d）锻 件（4）台模锻法：钢锭先锻成长方形截面的毛坯然后放入浅凹模中成形曲拐颈端再从上端沿对称面将坯料切开放倒拔长两臂并精整如图5所示其主要缺点：①施压工序多需采用3种凸模顺序施压更换凸模频繁、时间长降低了生产效率；②生产的锻件尺寸精度差材料利用率低后续加工量大技术与经济效益较差图5 曲拐台模锻法（a）上、下两端压凹 （b）压曲拐颈端成形 （c）曲臂拔长 （d）曲臂精整鉴于国内外曲拐锻造技术的不完善和机械制造业的生产与发展对其巨大的需求现研究一种新的挤压技术生产曲拐曲拐挤压成形技术01曲拐锻造难点组合曲轴用于大型船舶及其它大型机器对其需求虽有一定的数量但远少于用于普通车辆的小尺寸曲轴的数量就大型船舶制造需求的组合曲轴约需500~800根相应曲拐的数量为4 000~ 6 000个其曲拐的质量在10×103 kg以上实现曲拐近净锻造存在以下难点（1）难以采用常规的模锻工艺通常小尺寸曲轴的生产是采用专用模锻生产线如机械压力机热模锻、液压螺旋压力机模锻以及锤上模锻生产线既能较好地满足产品技术要求又满足大批量生产且投资不大然而曲拐质量大所需生产线设备的压力大投资大又因产量少设备开动率低导致技术与经济的综合效益差目前还没有曲拐模锻专用生产线其锻造都是在通用锻压设备上进行如大型自由锻液压机或挤压液压机这给提高曲拐锻件的尺寸精度和生产效率造成了困难（2）曲拐的尺寸大形状复杂由图1可知曲拐不仅尺寸大而且形状复杂加热保温时间长表面氧化严重粘连的氧化皮易造成表面局部凹坑而缺料；通用锻压设备难以成形复杂的形状这使实现曲拐的小余量锻造更加困难也是目前曲拐锻件材料利用率低的原因之一目前曲拐锻件与交货零件的质量比为2.1∶1即锻件材料利用率不到50%（3）实现高生产效率和低能耗困难通常电站用锻件的价格高于船用锻件的价格如转子价格是曲拐的近2倍但曲拐的形状要比转子复杂其锻造成形需要的火次多中间需更换的工具与辅具多实现高生产效率和低能耗困难02曲拐挤压成形方式选择1.2.1 曲拐的形状特点与成形方式选择由图1（a）、（b）可知大型曲拐由两曲臂和连杆颈组成曲臂与曲轴主轴颈连接的一端称为曲拐的主轴颈端因服役与组装的需求此端为半圆形并开有大的主轴孔；另一端与连杆颈制为一体常称为连杆颈端因对称关系曲拐成U形为减小旋转运动的质量此端设计为近似锥状截面；曲臂的中间段接近矩形厚板间距较窄通常小于两臂的壁厚[8]基于大型曲拐的形状特点采用挤压方式成形比较合适其原因：①除两端外两臂外形和其间距都近似为等截面且长度较长适合挤压成形；②连杆颈和两臂间距可一次挤压成形；③两端部的形状可借助挤压凸模与凹模两端施压成形1.2.2 曲拐形状及挤压工序的制定由于曲拐的尺寸质量大目前没有合适的轧制坯料只能采用冶炼、铸锭、锻制坯的生产工艺具体工艺流程：冶炼→铸锭→加热→自由锻制坯→加热→表面清理→挤压成形→热处理→切削加工挤压前的坯料形状为长方体形如图6（a）所示形状简单便于自由锻制坯也便于挤压前的表面清理图6 曲拐的挤压成形（a）坯料形状 （b）挤压后曲拐形状由图1可知曲拐的主轴孔径较大受设备的运动自由度少和孔局部壁薄的限制直接锻造困难留待后续切削加工制造若采用挤压成形不仅可节省材料而且可减少相应的切削加工量挤压后的曲拐如图6（b）所示03曲拐挤压模的结构与工艺过程曲拐挤压模结构图7所示为曲拐挤压模结构由挤压凸模、挤压筒和挤压凹模构成图7 曲拐挤压模结构曲拐挤压成形过程（1）挤压模位于挤压机动梁与移动工作台之间挤压筒固定在移动工作台上挤压凸模固定在动梁下面挤压模中心线与挤压机中线重合为便于将坯料放入挤压凹模内挤压前需将挤压凹模随挤压筒从挤压机正下方移出曲拐的挤压坯料质量为10×103 kg以上加热后的坯料需用吊钳夹置放入凹模如图8所示图8 移出挤压筒放置坯料（2）坯料放入凹模后需将凹模随挤压筒移到挤压机的工作位置挤压模中心线与挤压机中线重合挤压机动梁带动挤压凸模下行进行挤压直至挤压凸模到规定的位置完成曲拐的挤压成形如图9所示图9 移入挤压筒并挤压成形（3）完成曲拐的挤压成形后为减少模具受热回火和取出挤压成形的曲拐挤压凸模在挤压机动梁带动下迅速退回脱离挤压凹模如图10所示图10 挤压凸模退出（4）挤压凸模退出后挤压机的下顶出机构将成形的曲拐顶出挤压凹模随挤压筒从挤压位置移出再利用吊钳将挤压成形曲拐取走如图11所示随后进行下一次的曲拐挤压成形如此循环完成曲拐挤压生产图11 取出挤压成形的曲拐曲拐挤压成形的数值模拟研究为验证曲拐挤压成形技术方案的可行性了解挤压成形过程中材料的流动规律和变形分布计算挤压成形所需的载荷采用数值模拟方法进行研究01曲拐挤压成形的数值模拟力学模型采用锻造商业软件forge进行数值模拟挤压模的材料选用模具钢L6坯料挤压变形的初始温度为1 230 ℃模具的预热温度为350 ℃挤压速度为30 mm/s采用常摩擦条件摩擦因子取0.7模具零件与坯料间的换热系数为60 W/(m2•℃)数值模拟的力学模型如图12所示图12 数值模拟的力学模型（a）正视图 （b）侧视图曲拐挤压成形过程的模拟为了解曲拐挤压成形的过程在凸模的挤压行程中取6个行程点观察坯料的变形分别是初始毛坯、挤压行程分别为20%、40%、60%、80%、100%挤压坯料的成形状况如图13所示图13 曲拐挤压的坯料变形过程数值模拟结果分析由于曲拐的曲臂厚度大于两臂间距因而凸模较窄挤压成形过程分为2个阶段其分界点约在凸模行程80%处在凸模完成行程的80%前此阶段的变形主要集中在凸模下方与两臂内侧主轴颈端的两臂内侧有一定的塌角其是在挤压的最初阶段形成当超过行程的20%后塌角不再变化此阶段主要是劈开坯料、初步形成两臂两端的成形较少曲拐挤压成形的载荷行程曲线如图14所示载荷增大缓慢且较小图14 曲拐挤压成形的载荷行程曲线当超过行程的80%后两臂顶端处的坯料开始与凸模接触并逐渐成形此阶段的挤压载荷随行程的增加而迅速增大迫使两端材料流向两端深处完成整个曲拐的成形02曲拐挤压成形的载荷计算曲拐挤压成形载荷的计算是选择设备的依据借助载荷-挤压行程的变化曲线可分析毛坯材料填充模腔的过程由图14可知数值模拟计算的最大挤压成形载荷为466 MN挤压生产试验显示的最大值为420 MN两者相差不大曲拐挤压成形的生产试验曲拐挤压成形的生产试验包括钢水冶炼、铸锭、钢锭加热、自由锻制坯、坯料加热、坯料表面清理、挤压成形、锻后热处理等全部技术过程现进行曲拐的挤压成形试验试验件是S90曲拐零件交货质量为16.7×103 kg挤压后曲拐坯的质量为 27×103 kg挤压后曲拐坯质量是交货零件的1.61倍挤压机的工程载荷为500 MN挤压过程中液压系统显示挤压力为420 MN曲拐挤压成形的主要工艺过程如图15所示图15 曲拐挤压生产试验生产试验后对挤压成形的曲拐进行尺寸测量满足曲拐的后序机械加工的尺寸要求试验设备系统显示最大挤压载荷为420 MN说明采用挤压成形方式进行曲拐生产可行但在大批量生产中需注意以下环节（1）挤压前坯料的形状尺寸精度控制挤压前坯料的形状尺寸精度是影响曲拐挤压成形结果和挤压顺利进行的重要因素当其精度过低时会导致2种不利结果：一是坯料尺寸大或形状不规范加热后难以放入挤压筒内导致无法进行挤压；二是坯料尺寸小或形状不规范坯料与挤压筒间隙大且不均匀挤压成形的曲拐两臂长短不一壁厚差别大（2）去除坯料的表面氧化皮曲拐质量大挤压前加热、保温时间长出炉后表面有一层厚的氧化皮若没有去除干净会造成局部尺寸缺少而不合格同时损伤模具（3）适当提高加热温度曲拐两端形状是最后成形此时端部材料的温度降低较明显变形流动困难端部难以成形饱满也导致挤压载荷提升剧烈适当提高加热温度可缓解或消除上述现象▍原文作者:张彦娟 1,2孙统辉 1,2任杰 3张瑞华 1,2▍作者单位：1. 洛阳中重铸锻有限责任公司； 2. 中信重工机械股份有限公司； 3. 上海电机学院