近终形锻造技术在船用柴油机运动部件中的应用（上）

2016-06-23熊武于海娟武汉重工铸锻有限责任公司

锻造与冲压 2016年9期

文/熊武，于海娟·武汉重工铸锻有限责任公司

文/熊武，于海娟·武汉重工铸锻有限责任公司

行业发展形势

目前，我国锻造行业高档次模锻件产品的研制生产仍相当落后，航空、航天、核电、冶金等核心锻件主要依赖进口。锻造行业是能耗相对较高、污染相对严重，但是又关系民生的基础行业。既要保证快速发展，又能节材降耗、节能减排、提高效率、降低成本，保护环境、提高技术含量是中国锻造行业未来发展的共识。锻造行业节能减排应从直接节能和间接节能两个方面研究。前者涉及到降低设备能耗、提高设备利用率，采用能耗低的新技术、新材料、新工艺；后者则从节约上下功夫，减少前端的资源消耗和后续的切削加工，从而实现节能减排。

近终形锻造技术的提出

随着国家对装备制造业的重视，形成了以锻造成形新工艺、新材料、现代电子技术、计算机技术、精密加工技术、测量技术、润滑技术及新型装备与自动化技术等相结合的一种先进精密塑性成形技术。这些新技术、新工艺不断应用于锻造行业，促进部分零件实现了少切削余量成形或净成形，即“成形件”接近于“零件”，达到了少、无切削加工的水平，减少了材料浪费，达到大幅降低生产成本的需求。这种工艺技术我们称之为近终形锻造技术，即锻造出来的毛坯尺寸非常接近产品所要求的尺寸。武汉重工公司在大马力船用低速柴油机运动部件中应用该技术的有连杆、十字头销、活塞杆、气缸盖和曲轴。下面结合实例详细介绍一下近终形锻造技术的应用。

近终形锻造技术的应用实例

连杆的自由锻造与模锻成形技术

从图1中可以看出，连杆作为较为复杂的锻件，其生产中的成形过程较为复杂，对锻造操作工人的要求很高，涉及到压实、分料、长度控制等多个关键环节，锻后还要防止连杆长度上的弯曲、平面的正反扭曲等，这样的锻件进行成本控制是不容易的。

图2是连杆最终使用时的立体图，通过图1、2的对比，我们可以看出，实际上的连杆最终使用时与自由锻造的锻件重量相距甚远，出现这种差距的原因是工艺技术水平的差距。

我们知道在去掉钢锭的冒口部分（约20%）、底部（3%～5%）加上锻造过程中的加热损耗（2%～5%）之后，现在自由锻造的材料利用率最高也就是75%左右，对于复杂锻件70%已经是极限，还不包括锻造操作过程中的分料损失，如何在工艺上提高，使锻件形状接近最终成形时的形状，是工艺降成本的迫切要求。

图1 某机型自由锻造连杆锻件图

图2 连杆最终使用时的立体图

连杆模锻技术的研究

自由锻造走向模锻是市场迫切需求，也是企业自身发展的需求。模锻不仅仅是成本上的节约，同时也是质量的保证，模锻产品通过型腔的挤压，在内部质量上优于同类自由锻造产品。

两种工艺技术最终对成本的影响是非常显著的，比如针对某种特定机型，工艺上对钢锭的要求分别是：自由锻造12t钢锭只能生产一件产品，而模锻14t钢锭可以生产两件产品，通过以上两种工艺方法的对比可以说明，模锻在原材料节约上有着非常大的优势，同时模锻锻件因为外形已经非常接近最终产品，在后续的机械加工所需台时较少，产品第二次热处理的能耗更低，生产周期更短，对满足客户交货期及产品质量有非常大的优势。

两种工艺技术对比，模锻连杆的生产成本仅为自由锻造连杆的60%左右，在市场竞争中具有压倒性的优势。两种工艺方法在粗加工的时候，模锻更加接近最终成形的尺寸，因此模锻的锻造工艺重量也就更为接近最终所需产品的重量。两种工艺下材料的利用率，相对来说，模锻的更高，同时因为工艺方法的不同，在接近最终产品的成形过程中，消耗的辅料更少，模锻的生产成本更低。低成本、优质量、短周期、高效率是金融危机后的供货特点，这就对生产工艺提出了更高要求，批量性产品模锻或者部分模锻是未来锻造行业的发展趋势。

十字头销摔子成形技术

十字头销作为船用锻件，也是非常具有代表性的产品之一，它的外形较为简单，但是在工艺设计上也是有难度的。我们知道船用产品无论是设计计算还是现场监造都要经过船级社的审查。这就涉及到产品试样的选取及工艺成本控制的矛盾问题。在工艺试验上，要求每件产品都带试样，这样在设备允许的范围内，可以采取多件连锻，两端试样的方法是降低生产成本及试验费用的有效方法。

十字头销在工艺设计上一般都是以光轴形式出现，多数采用数件连锻，这样光轴的直线度，以及锻造时的圆度就是影响工艺成本的最主要因素，采用摔子锻造的光轴，单边余量可控制在10mm以内，然后通过锻后热处理、船检合格后单件交货。图3为船检合格后单件十字头销粗加工后的照片。

利用摔子成形直径在500mm、长度为7000mm的光轴与一般自由锻造的光轴相比，直径方向余量减少20mm左右，材料利用率约提高5%～7%，加上后续的机械加工等因素的影响，工艺成本降低7%左右。经过摔子成形的光轴类锻件，在工艺上更加省料，生产的成本更低，成本比自由锻造成形的光轴低7%～8%，因此摔子是成形光轴类产品的必备工装。

图3 某机型粗加工后十字头销

活塞杆的自由锻造与法兰镦锻成形技术

活塞杆属于两端带法兰类的轴系锻件，在锻件中也具有代表性。一般成形这种锻件时，钢锭经过镦拔，达到锻件成形所需要的锻造比之后，开始号印分料，杆部可以通过摔子成形，但是法兰一般宽度在200mm以内，锻造完成后，法兰宽度基本上在400mm以上，最终产品的法兰宽度并不宽，这就造成工艺上的成本浪费。

通过图4和图5的对比可以看出，对于成形较小法兰的锻件，法兰宽度精度仅仅靠自由锻造成形时的操作控制并不现实，在实际操作中，为了控制两法兰之间的距离，法兰的宽度有所放宽，这就造成了实际上的实物比锻造工艺要求的宽度还要大很多。法兰直径较小时，浪费材料不明显，但是直径大的锻件，这一矛盾就凸显了。如船用的中间轴、桨轴，还有一些带法兰的水电锻件轴类，其法兰直径超过1500mm，锻件重量超过1400kg，两个法兰锻件重量就是2800kg，折算成钢锭大约4～5t。