大型多曲柄复杂曲轴的设计及成形技术

文/林剑，郑良·陕西宏远航空锻造有限责任公司

曲轴是机车、船舶等发动机结构中的重要部件。本文主要根据某型号曲轴的特点，使用了一种比较合理有效的设计及成形技术，并获得了组织均匀、综合性能优异且结构完整的产品。

超大型曲轴是机车、船舶等发动机结构中的重要部件，该类产品具有尺寸大、形状复杂、几何精度要求高、使用性能苛刻等特点，因此锻造成形难度很大。以往，对于此类产品多采用分段式锻造成形，在实际生产中存在精度差、生产效率低、操作复杂等诸多难题。为了解决上述存在的问题，采用整体锻造工艺方案较合理、经济，生产效率高，并在工艺实施过程中便于操作。

曲轴的锻模设计及校正模设计方案

该锻件为8拐16缸曲轴，材料为40CrNiMoA，是机车、船舶等发电机结构中的重要部件，此产品尺寸大、形状复杂、8拐成“米”字形360°均布。拐与拐之间的间距比较小，只有约42mm，曲轴外形轮廓尺寸为φ372mm×2738mm，锻件重量大约为630kg，锻件最大截面面积为4.8×104mm2，锻件投影面积为6.6×105mm2，二维图详见图1。

图1 锻件二维图

⑴在产品整体模锻型腔分模面的设计上，分模面依据零件的外形结构和走势，两侧采用沿曲柄外形曲面分模，该设计方案可以不增加锻件的出模斜度，形成自然出模，并且可以避免非加工面上增加多余的加工余块，大大减少了后期的加工量，节省了原材料的消耗。三维分模示意图如图2所示。

图2 曲轴锻件分模图

⑵对于产品基准的选择，为了便于机加找正定位中心、减少累计公差，在设计上采用了设计基准与加工基准为同一基准的原则。模具实物照片如图3所示。

图3 曲轴模具照片

⑶通过对曲轴成形的数值模拟，在毛边槽的设计上，毛边仓部设计为双仓，对于水平方向不易充满的中部曲柄部分，其毛边槽桥部的设计为下模不增设桥部，只保留上模桥部。通过MSC.SuperForge三维数值模拟，结果如图4所示。

图4 曲轴充满情况数值模拟结果图

⑷针对曲轴整体校正模具的型腔设计，选择两头主轴及连杆颈为校正部位，空出曲柄和其连接的轴颈，校正模收缩率选择为1.0%～1.2%。校正模具的三维数模如图5所示。通过运用三维数值模拟，完成对校正模具合理性的校验,具体结果如图6所示。

图5 曲轴校正模三维数模

图6 数值模拟校正模结果

曲轴的模锻成形及校正工艺方案

模锻

⑴先将卧键装在模具上并用销将模具固定在630kJ对击锤锤头上；模具规格为3000mm×800mm×550mm，材料为5CrNiMo钢，模锻前先预热模具，预热温度250～350℃，预热时间不小于12小时，设备工作风压不小于0.7MPa。采用机油+石墨的润滑方式充分润滑模具与坯料。

⑵使用天然气加热炉加热，当炉温达到温度后，将毛坯放入加热炉内加热，毛坯料必须放置于合格区内。炉温再次升到设定温度后，保温足够时间，保证毛坯料加热充分，达到以后立即将坯料迅速转移，放置在经过预热的模具中，先轻击，后快速取出坯料，清理吹净氧化皮后放入模具中再重击成形，并空冷。

热处理

采用电阻炉进行热处理。热处理制度采用正火，将锻件放置于炉底板上，单层摆放，底部增加支架，防止加热过程中产生变形。锻件装炉后开始送电升温，当炉温达到设定温度后，开始计算保温时间，时间达到后直接出炉进行空冷。理化检测检查过热、过烧项目，结果为锻口组织正常，无脱碳。

校正

校正设备采用31500kN油压机，校正模具规格为2400mm×800mm×500mm, 材料为5CrNiMo钢，校正前需将模具预热，温度在250～350℃之间，预热时间不小于12小时。最终曲轴锻件如图7所示。

图7 曲轴锻件

结论

⑴分模面依据零件的外形结构和走势，两侧采用沿曲柄外形曲面分模，不增加出模斜度自然出模，非加工面上不增加多余的加工余块。避免机械加工断续切削，延长刀具的使用寿命。

⑵采用此模锻成形技术生产的大型曲轴产品，表面质量良好、规格尺寸精确、流线分布合理、组织性能优异、机械加工余量小、材料利用率高，各项技术指标完全符合技术标准要求。

⑶采用此模锻成形技术生产的大型曲轴产品，产品合格率达100%，克服了分段锻造成形造成产品规格尺寸不合格、且无法返修等导致产品合格率低的缺点。

⑷通过对成形原理、工艺流程等分析、改进、优化，解决了分段锻造成形过程中曲柄错位、脱节等技术难题，提高了产品合格率和生产效率，同时降低了工装模具的消耗。

⑸采用此模锻成形技术生产的大型曲轴产品，过程控制简单、质量控制容易、性能稳定可靠，易于实现产品的大批量、工业化生产。