CN117139536B - 全纤维弯曲镦锻组合曲轴曲柄锻件锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全纤维弯曲镦锻组合曲轴曲柄锻件锻造方法，其包括如下步骤：钢锭加热；曲柄坯料制备；坯料清理；全纤维弯曲镦锻：将热曲柄坯料放到压机上通过锻造模具对曲柄坯料行镦锻成形：锻造模具的上冲头、下冲头成型曲柄销，左模具及右模具所制的曲柄型腔成型曲柄，同时左模具及右模具所制的主轴颈安装孔成型凸台成型曲柄锻件主轴颈安装孔；锻后处理：按热处理规范进行热处理，达到图纸技术要求。本发明的全纤维弯曲镦锻组合曲轴曲柄锻件锻造方法，实现了组合曲轴曲柄在制造过程中，金属纤维与工件最大限度的吻合，综合性能好，效率高，成本低，效益可观。

Description

全纤维弯曲镦锻组合曲轴曲柄锻件锻造方法

技术领域

本发明涉及船用低速柴油机组合曲轴制造技术领域，特别是一种全纤维弯曲镦锻组合曲轴曲柄锻件锻造方法。

背景技术

曲轴作为船用发动机的关键部件，被誉为船用柴油机的"心脏"，对船舶的安全起着至关重要的作用，大型船用曲轴要求与船舶寿命相等，终身免维护，使用期限一般在二三十年以上，占发动机总造价的三分之一。

目前国内外大型船用曲轴的制造方法主要包括：

块锻法：该方法把曲柄锻成近似立方体的形状，然后用切削加工的方法去掉曲柄中多余的金属。曲柄销与曲柄内侧的交接处，锻造纤维被切断，而此处应力又大，加上由于疏松、偏析等缺陷的存在和尺寸大而难于锻透，就使曲柄的质量降低，使用寿命缩短。这种方法不仅余量大，成本高，而且质量差，加工后曲柄内侧常出现严重鬼线以及疏松性伤痕等缺陷，合格率不高。

环锻法：环形锻造的曲柄，钢锭在镦粗冲孔时，中心部分的疏松、偏析、夹杂等缺陷被去掉，用于锻件的金属材料质量较好，而且由于坯料截面尺寸减小，便于锻透。从而可以更好地破坏铸态组织，并使结构致密，组织性能均匀。坯料扩孔时，金属沿圆周方向流动。铸造纤维的分布与工作应力的方向相适应。正火就可以满足技术条件的要求，而且塑性良好。而过去由于锻成立方体的截面大，冷却条件不良，往往需要调质，才能满足技术条件的要求。

模锻法（或称反挤压法）：模锻法是日本制钢所八十年代申请的专利。首先通过倒棱、把钢锭压成块状毛坯，然后将它放进模腔内，盖上压紧模，用l00MN水压机强压，进一步压实钢锭内部疏松等缺陷，最后压入冲头劈开，使成形为左右曲柄。反挤压法主要优点：成形率高，一般熟练工人即可操作，组织致密，锻造工序短，机加费用低，材料利用率高。除日本以外，目前国内有一家公司正在用此法试制大型组合曲轴曲柄毛坯。模锻法虽然对钢锭内部有较大压强，但是与块锻法相同，生产中采用块型舌板对坯料进行劈开，反挤压，形成左右两个曲柄，这样一来不仅使金属纤维发生严重扭曲，而且在曲柄销和曲柄内侧交接处，机加工后锻造纤维被切断而此处应力又大，加上由于疏松、偏析等缺陷的存在和尺寸大而难于锻透，劈开的曲柄内侧，极易造成金属中心缺陷外露，常出现严重的鬼线及疏松性伤痕缺陷，严重影响曲轴的质量，使曲柄的质量降低，减少使用寿命。

弯锻法：弯锻法的变形过程是：首先将钢锭压成要求的扁方坯，最大限度的保留原金属流线并保证铸造缺陷不外露，也是该工艺的核心所在，然后下料，留出防止弯曲时拉缩的余量，在弯曲模架上弯曲，最后修整成形。它的最大优点是成形容易，操作简便，金属纤维流向好，所需设备吨位相对较小。缺点是：制坯难度大、生产效率低，制造周期长，加工余量大，同时质量不易控制，尽管如此多的不足，目前全球除日本制钢所采用模锻法外，均用此方法生产组合曲轴毛坯。

综上，现有的锻造方法均无法满足船用低速柴油机组合曲轴曲柄锻件进行高效、高质量锻造加工的需要。经检所，未发现能够解决上述技术问题的船用低速柴油机组合曲轴曲柄锻件锻造方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种全纤维弯曲镦锻组合曲轴曲柄锻件锻造方法，其实现了组合曲轴曲柄在制造过程中，金属纤维与工件最大限度的吻合，综合性能好，效率高，成本低，效益可观。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种全纤维弯曲镦锻组合曲轴曲柄锻件锻造方法，其包括如下步骤：

1）钢锭加热：将符合曲柄锻件要求及规格的钢锭进行加热；

2）曲柄坯料制备：在压机上将钢锭锻出曲柄坯料，曲柄坯料长度L为3600-4000mm、直径D为1000-1400mm；

3）坯料清理：将表面有缺陷或坯料两端留有剁刀痕及飞刺的曲柄坯料，用火焰清理或热锯切去掉缺陷；

4）全纤维弯曲镦锻：将热曲柄坯料，温度为1180~ 1250℃ ，放到压机上通过锻造模具对曲柄坯料进行镦锻成形，达到图纸尺寸，所述镦锻成形过程为；

①将热曲柄坯料放在锻造模具上，曲柄坯料下表面与左模具、右模具上端部对齐，此时曲柄坯料的下端部与锻造模具的下冲头相接触；

②下冲头的上端面半圆型腔宽度与上冲头的下端半圆型腔分别与曲柄坯料中端的曲柄销相对应工艺长度H相等；

③上冲头对曲柄坯料进行下压弯曲，同时下冲头向下行，当行程到工艺规定尺寸，主轴中心与曲柄销中心距离L1，L1为500-1800mm时，上冲头、下冲头同时停止；

④左模具及右模具分别在左滑块、右滑块作用下，由各自压机驱动，向中心镦锻成形曲柄，达到工艺规定行程△H/2后停止，△H/2为左模具及右模具起始位置距曲柄销侧边的距离，同时上冲头及下冲头分别向下和向上有支撑力，该支撑力根据曲柄销成形过程中的竖直方向涨模力进行设置，涨模力为5000-16000吨，防止曲柄箱除涨形；

⑤曲柄锻件成形：锻造模具的上冲头1、下冲头5成型曲柄销11，左模具及右模具所制的曲柄型腔成型曲柄，同时左模具7及右模具所制的主轴颈安装孔成型凸台成型曲柄锻件主轴颈安装孔；

⑥左滑块带动左模具，右滑块带动右模具回程，上冲头回程，下冲头将曲柄锻件顶出，吊装后完成一个曲柄锻件的成形；

5）锻后处理：按热处理规范进行热处理，达到图纸技术要求。

所述锻造模具包括上冲头、下冲头、左模具、右模具、左滑块及右滑块，所述上冲头下端部制有与曲柄锻件的曲柄销形状相吻合的下端半圆型腔，下冲头上端部对应制有与曲柄锻件的曲柄销形状相吻合的上端半圆型腔，用来成形曲柄销；所述左模具与左滑块连接，所述右模具与右滑块连接，所述左模具、右模具对称设置并均制有曲柄型腔，该曲柄型腔内制有主轴颈安装孔成型凸台。

所述上冲头、下冲头的起始位置位于左滑块、右滑块的上端部位置。

所述上冲头所制下端半圆型腔与下冲头所制上端半圆型腔均与曲柄销长度相等。

所述左模具、右模具的曲柄型腔内所制主轴颈安装孔成型凸台高度略低于左模具、右模具的端面。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明的全纤维弯曲镦锻组合曲轴曲柄锻件锻造方法，曲柄锻件内部质量好，曲柄在成形过程中受空间三向压力，金属纤维更加密实，对内部缺陷有消除和改善的作用，金属纤维方向经镦锻后，最大限度的与曲柄受力方向重合，极大的提高了曲轴疲劳强度和使用寿命提高了曲柄的质量。

2、本发明的全纤维弯曲镦锻组合曲轴曲柄锻件锻造方法，生产率高，坯料经加热后放在本模具中，全部由压机自动控制成形，生产效率高。

3、本发明的全纤维弯曲镦锻组合曲轴曲柄锻件锻造方法，左模具、右模具对称设置并均制有曲柄型腔，该曲柄型腔内制有主轴颈安装孔成型凸台，用于成型主轴颈安装孔，材料利用率高，采用高精度模具，曲柄锻件可实现近净成形，非配合面可以不留任何加工量，大大降低了制造成本。

4、本发明的全纤维弯曲镦锻组合曲轴曲柄锻件锻造方法，制造周期短，由于曲柄锻件利用率高，加工余量小，除降低曲轴曲柄制造成本外，可以大大缩短曲轴的制造周期。

5、本发明的全纤维弯曲镦锻组合曲轴曲柄锻件锻造方法，实现了组合曲轴曲柄在制造过程中，金属纤维与工件最大限度的吻合，综合性能好，效率高，成本低，效益可观。

附图说明

图1为本发明的锻造模具的结构示意图；

图2为本发明的锻造模具的结构剖面示意图

图3为本发明的曲柄坯料的纤维方向示意图；

图4为本发明的全纤维曲柄坯料放置示意图；

图5为本发明的曲柄坯料的弯曲示意图；

图6为本发明的镦锻成形的示意图；

图7为本发明的曲柄锻件的主视图；

图8为本发明的曲柄锻件的金属流线示意图。

附图标记说明

1-上冲头、2-曲柄坯料、3-右模具、4-右滑块、5-下冲头、6-左滑块、7-左模具、8-曲柄型腔、9-主轴颈安装孔成型凸台、10-曲柄、11-曲柄销、12-主轴颈安装孔、13-曲柄锻件。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种全纤维弯曲镦锻组合曲轴曲柄锻件锻造方法，如图1-图6所示，其包括如下步骤：

1）钢锭加热：将符合曲柄锻件材质、重量要求（包含废弃料重量）的钢锭进行加，本实施例中曲柄锻件采用S34MnV材质，采用重量为40吨的钢锭进行加热，在加热炉中进行加热，加热使其达到1250度；

2）曲柄坯料制备：将加热后的钢锭转移至压机上，将钢锭锻出曲柄坯料2，该曲柄坯料的长度L为3760mm以上、直径D为1200mm的圆柱形坯料；

3）坯料清理：将表面有缺陷或坯料两端留有剁刀痕及飞刺的曲柄坯料2，用火焰清理或热锯切去掉缺陷；

4）全纤维弯曲镦锻：将热曲柄坯料2，曲柄坯料温度维持1250℃，放到压机上通过锻造模具对曲柄坯料2进行镦锻成形达到图纸尺寸，本实施例中曲柄锻件要求的图纸尺寸为 L为3760mm、直径D为1200mm，若曲柄坯料自由锻过程后温度较低，需再通过加热炉补温至1250℃，具体镦锻过程为；

①将加热好的热曲柄坯料2放在锻造模具上，曲柄坯料两端下表面与左模具7、右模具3上端部对齐，此时曲柄坯料2中部的下表面与锻造模具的下冲头5相接触；

②下冲头5的上端面半圆型腔与上冲头1的下端半圆型腔分别与曲柄坯料2中端待加工成型的曲柄销相对应工艺H长度相等，本实施例中曲柄销长度为318mm，图中所示尺寸H；

③曲柄坯料2由上冲头1向下冲压弯曲，同时下冲头5向下行，当行程到工艺规定尺寸，即曲柄拐轴颈中心到主轴颈中心的偏移量，图8中所示L1，根据产部不同数值为500-1800mm时，上冲头1、下冲头5同时停止；

④左模具7及右模具3分别在左滑块6、右滑块4作用下，由各自压机驱动，向中心镦锻成形曲柄，达到工艺规定行程△H/2后停止，△H/2为左模具及右模具起始位置距曲柄销侧边的距离；同时上冲头1及下冲头5分别向下和向上有支撑力，该支撑力根据拐轴径成形过程中的竖直方向涨模力决定，为5000-16000吨，本实施例中上冲头向下支撑力P达到14500吨，下冲头向上的支撑力P达到14500吨。防止曲柄箱涨形。左模具7及右模具3的镦锻压力为45000-50000吨，本实施例中左右模具镦锻压力为50000吨。

⑤曲柄锻件13成形，上冲头1、下冲头5成型曲柄销11，左模具7及右模具3所制的曲柄型腔8成型曲柄，同时左模具7及右模具3所制的主轴颈安装孔成型凸台9成型曲柄锻件主轴颈安装孔；

⑥左滑块6带动左模具7，右滑块4带动右模具3回程，上冲头1回程，下冲头5将曲柄锻件顶出，吊装后完成一个曲柄锻件13的成形；

5）锻后处理：按热处理规范进行热处理，本实施例中热处理正火890度，去应力退火550度，达到图纸技术要求。

本发明全纤维弯曲镦锻组合曲轴曲柄锻件锻造方法的锻造模具，包括上冲头1、下冲头5、左模具7、右模具3、左滑块6及右滑块4，上冲头1下端部制有与曲柄锻件13的曲柄销11形状相吻合的下端半圆型腔，下冲头5上端部对应制有与曲柄销形状相吻合的上端半圆型腔，用来成形曲柄销；所述左模具7与左滑块6连接，所述右模具3与右滑块4连接，所述左模具7、右模具3对称设置并均制有曲柄型腔8，用于成型曲柄锻件的曲柄10，该曲柄型腔8内制有主轴颈安装孔成型凸台9，用于成型主轴颈安装孔12。左模具7、右模具3的曲柄型腔8内所制主轴颈安装孔成型凸台9高度略低于左模具7、右模具3的端面。

上冲头1、下冲头5的起始位置位于左滑块6、右滑块4的上端部。上冲头1所制下端半圆型腔与下冲头5所制上端半圆型腔均与曲柄销长度相等。本发明的锻造模具与现有大型镦锻液压机进行组合使用即可。

本发明的全纤维弯曲镦锻组合曲轴曲柄锻件锻造方法，曲柄锻件内部质量好，曲柄在成形过程中受三向压力，对内部缺陷有消除和改善的作用，金属纤维方向经镦锻后，最大限度的与曲柄受力方向重合，如图7所示，极大的提高了曲轴疲劳强度和使用寿命提高了曲柄的质量。与现有锻造方法相比，生产效率大幅提高，每班次可生产10-12件，净料比为1:1.15-1.4，材料利用率为71.4-86.9%，。

表1

尽管为说明目的公开的本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (4)

1.一种全纤维弯曲镦锻组合曲轴曲柄锻件锻造方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）钢锭加热：将符合曲柄锻件要求及规格的钢锭进行加热；

2）曲柄坯料制备：在压机上将钢锭锻出曲柄坯料（2），曲柄坯料（2）长度L为3600-4000mm、直径D为1000-1400mm；

3）坯料清理：将表面有缺陷或坯料两端留有剁刀痕及飞刺的曲柄坯料（2），用火焰清理或热锯切去掉缺陷；

4）全纤维弯曲镦锻：将热曲柄坯料（2），温度为1180~ 1250℃ ，放到压机上通过锻造模具对曲柄坯料（2）进行镦锻成形，达到图纸尺寸，所述镦锻成形过程为；

①将热曲柄坯料（2）放在锻造模具上，曲柄坯料（2）下表面与左模具（7）、右模具（3）上端部对齐，此时曲柄坯料（2）的下端部与锻造模具的下冲头（5）相接触；

②下冲头（5）的上端面半圆型腔宽度与上冲头（1）的下端半圆型腔分别与曲柄坯料（2）中端的曲柄销相对应工艺长度H相等；

③上冲头（1）对曲柄坯料（2）进行下压弯曲，同时下冲头（5）向下行，当行程到工艺规定尺寸，主轴中心（12）与曲柄销（11）中心距离L1，L1为500-1800mm时，上冲头（1）、下冲头（5）同时停止；

④左模具（7）及右模具（3）分别在左滑块（6）、右滑块（4）作用下，由各自压机驱动，向中心镦锻成形曲柄，达到工艺规定行程△H/2后停止，△H/2为左模具（7）或右模具（3）起始位置距曲柄销侧边的距离，同时上冲头（1）及下冲头（5）分别向下和向上有支撑力，该支撑力根据曲柄销（11）成形过程中的竖直方向涨模力进行设置，涨模力为5000-16000吨，防止曲柄箱除涨形；

⑤曲柄锻件（13）成形：锻造模具的上冲头1、下冲头5成型曲柄销11，左模具（7）及右模具（3）所制的曲柄型腔（8）成型曲柄，同时左模具7及右模具（3）所制的主轴颈安装孔成型凸台（9）成型曲柄锻件主轴颈安装孔（12）；

⑥左滑块（6）带动左模具（7），右滑块（4）带动右模具（3）回程，上冲头（1）回程，下冲头（5）将曲柄锻件顶出，吊装后完成一个曲柄锻件（13）的成形；

锻后处理：按热处理规范进行热处理，达到图纸技术要求；

所述锻造模具包括上冲头（1）、下冲头（5）、左模具（7）、右模具（3）、左滑块（6）及右滑块（4），所述上冲头（1）下端部制有与曲柄锻件的曲柄销形状相吻合的下端半圆型腔，下冲头（5）上端部对应制有与曲柄锻件的曲柄销形状相吻合的上端半圆型腔，用来成形曲柄销；所述左模具（7）与左滑块（6）连接，所述右模具（3）与右滑块（4）连接，所述左模具（7）、右模具（3）对称设置并均制有曲柄型腔（8），该曲柄型腔（8）内制有主轴颈安装孔成型凸台（9）。

2.根据权利要求1所述的全纤维弯曲镦锻组合曲轴曲柄锻件锻造方法，其特征在于：所述上冲头（1）、下冲头（5）的起始位置位于左滑块（6）、右滑块（4）的上端部位置。

3.根据权利要求1所述的全纤维弯曲镦锻组合曲轴曲柄锻件锻造方法，其特征在于：所述上冲头（1）所制下端半圆型腔与下冲头（5）所制上端半圆型腔均与曲柄销长度相等。

4.根据权利要求1所述的全纤维弯曲镦锻组合曲轴曲柄锻件锻造方法，其特征在于：所述左模具（7）、右模具（3）的曲柄型腔（8）内所制主轴颈安装孔成型凸台（9）高度略低于左模具（7）、右模具（3）的端面。