大型六拐曲轴自由锻造工艺研究文/赵艳敏,李晶晶,赵熙喆·沈阳铸锻工业有限公司锻造分公司 本文主要阐述大型六拐曲轴锻件的锻造过程，并分析过程中的各个控制要点和操作方法，确定出较为合理的工艺参数，从而保证六拐曲轴的外观质量及内在质量。 压缩机是动力机械的心脏，曲轴则是压缩机中的脊梁。作为传递动力的传动体，曲轴将活塞的往复运动转换为旋转运动，并向外输出全部功率。由于其工作中承受周期不断变化的气体力、往复运动质量惯性力、旋转急动离心力等复杂交变载荷，同时还要承受振动附加应力的作用，产生扭转和横向与纵向振动，承受拉、压、弯曲等载荷，受力情况复杂，容易产生疲劳破坏，因此对曲轴的强度、刚性、韧性和耐磨性等综合机械性能提出了较高的要求。针对大型六拐曲轴，对锻件本身的形状尺寸，尤其是拐与拐之间的角度尺寸控制也极为严格。 工艺确定过程锻件的工艺尺寸及技术要求 我公司为某气压机厂生产的六拐曲轴锻件图如图1所示，交货重量9100kg，材质35CrMo，按气压机厂0061-2002Ⅴ组标准验收，其技术指标如表1所示。 由表1可看出，六拐曲轴锻件形状较复杂，技术条件要求严格，其主要生产技术难点在于： ⑴该曲轴曲拐成120°夹角均匀分布，因此锻造成形时要保证角度准确，这是锻造成形难点。 ⑵超声波探伤、低倍、金相等内部质量要求严格，需从冶炼、锻造和锻后热处理等多方面采取相应技术措施，才能确保达到技术要求。 工艺流程 其工艺流程为：冶炼——钢锭加热——锻造——锻后热处理——锻件外观检验——机械加工——物理检验——交货。 表1 技术指标  检验项目 验收标准低倍检验锭型偏析小于3级、中心疏松小于3级、一般疏松小于3级、一般点状偏析小于1级、边缘点状偏析小于1级非金属夹杂物A类、B类、C类、D类型夹杂物各不低于3级；A类及C类夹杂物之和不低于3级；B类及D类夹杂物之和不低于3级魏氏组织 小于1级晶粒度 不低于5.5级超声波探伤主要危险截面（在曲拐中心位置）：单个缺陷当量直径小于4mm、底波降低量dB小于8%、不允许存在缺陷密集区磁粉探伤曲拐区R过渡处不允许有线性缺陷磁痕、圆形缺陷磁痕。其余区域线性缺陷磁痕长度L：1mm≤L＜5mm、少于3条；圆形缺陷磁痕的数量1～3个  图1 六拐曲轴锻件图 工艺方案制定冶炼 由于对六拐曲轴的低倍组织及非金属夹杂物的要求比较严格，为保证其质量，采用真空精炼工艺，即电炉粗炼钢水+LFV钢包精炼。真空精炼过程要严格控制真空度和真空保持时间，真空度要控制在100帕以下，保持时间15～20分钟。这样就能保证从源头上有效控制钢锭内部质量，减少钢中夹杂与偏析，控制S、P≤0.015%、〔H〕≤3ppm。 本工艺选用14t真空精炼钢锭，材料利用率为65%。 钢锭加热 加热的目的是使钢获得单一的奥氏体组织，提高塑性，降低变形抗力，同时使分子扩散，成分均匀化。加热温度和保温时间是加热过程的主要控制参数。头几火在保证不过烧的情况下，温度尽可能的高，选择1220～1250℃；最后一火选择1150～1180℃，这样保证曲轴在要求的剩余锻比情况下，能够得到比较细的晶粒，同时保证魏氏组织的形成级别符合技术标准要求。 六拐曲轴锻造工艺编制 ⑴一火：压钳口，倒棱，错水口。 操作中要确保钳口不能压偏，这样才能保证钢锭的轴心不致于在后续变形过程中发生偏斜，避免大钢锭中心部位冶金质量较差部分流动到危险截面。 ⑵二火：镦粗至φ1600mm。 根据锻件机械性能和探伤要求，锻造比选取K≥4。14t钢锭直接拔长不能满足锻比的要求，故增加镦粗工序。保证镦粗直径足够大以提高锻比，使曲轴的综合性能指标得到提升。镦粗后将保温时间增加50%以增加下道工序压实效果。 ⑶三火：宽砧走扁方拔长至截面为正六方800mm的坯料。 钢锭的锻透程度、内部裂纹的萌生和锻件成形质量，均与变形坯料的尺寸变化直接有关。反映在拔长工序中体现在对相对送进量（砧宽比）、料宽比和压下量等方面，应对其进行有效地控制。纵向砧宽比及横向料宽比示意图如图2所示。  图2 纵向砧宽比及横向料宽比示意图 平砧拔长矩形截面坯料，其实质就是矩形毛坯进行局部镦粗加刚端影响的结果。由于直接处于砧子作用下的变形区要受到与其毗邻自由端（不变形端）的作用，故与平砧单独镦粗方柱体相比：当砧宽比A/H＜0.5时，会增大变形体中心的轴向拉应力σx，同时坯料心部变形量小，不利于中心压实。而砧宽比A/H＞0.5时，会减小变形体中心的轴向拉应力σx。当A/H≥0.6～0.8时，轴向会作用压应力，此时坯料心部受力状态良好，变形区出现侧面单鼓形，坯料中间区域变形量大，有利于焊合冶金缺陷。 宽砧走扁方拔长法，就是为保证拔长变形体的内部质量，采用大送进量即满砧进给，A=W(W为上砧宽度）；大压下量，每次压下率εH1和εH2都在20%左右。在拔长过程中，控制纵向砧宽比W/H在0.6～0.8之间，绝大部分拔长变形时间内，瞬时砧宽比在一个方向，即轴向可以达到最佳参数值0.7，控制横向料宽比0.5＜B/H＜2（如图2所示）。经过90°翻转，确保坯料在不同方向上均产生压缩变形，翻转180°可使坯料在一个方向上变形十分充分，达到锻件内部组织和性能比较均匀的效果。拔长过程中，坯料一直呈扁方状态，在横向截面表现为压扁。根据刚塑性力学拉应力理论，这种条件下，坯料的变形主要在坯料中心部分，压下量增大，易变形区扩大。再由于坯料心部受与其毗邻自由端（不变形端）的限制，轴向受压，从而增强了心部压实效果，使钢锭心部的疏松、夹杂物被充分打碎压合。故宽砧走扁方拔长法，既可保证坯料心部充分变形，使钢锭内部不可避免的孔隙提前焊合，又可避免产生RST效应及表面变形不均匀。 宽砧走扁方拔长法就是用上、下宽平砧（砧宽800mm），按照WHF法压下程序，根据具体的变形数据，在高温下对坯料进行拔长锻造。按照WHF法中的展宽系数公式：α=0.78-0.14H－3 、△b=α·△H（α：展宽系数；H：压下前高度；△H：高度压下量；△b：宽度展宽量），确定每一次变形的工艺参数，计算出该拔长各过程的截面尺寸。 具体操作过程为：上下800mm宽砧，先将镦粗后的坯料拔至1500mm。满砧进给压下率为20%。 ⑴开始第一次走扁方拔长：以180°翻转，压至截面950mm×1810mm。 ⑵翻转90°开始进行第二次走扁方拔长：以180°翻转，压至截面950mm×1400mm。 ⑶翻转90°压至截面：φ1150mm，开坯正六方形截面800mm（图3）。  图3 宽砧走扁方拔长坯料图 为了确保图1中Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ部位之间互成60°，首先要锻六方锻坯。按经验公式： ⑷四～五火：进行角度预置，在不同部位、不同方向锻出曲拐、曲拐径（具体方法如图4所示），对曲拐角度进行修正，出成品。 为确保曲轴锻件内部质量，对锻造操作提出如下注意事项： ⑴锻制正六方锻坯要求六方要正，保证尺寸、角度的准确性，避免在后序变形时因此而发生角度失控。 ⑵压曲板时，要压正六角形角对角方向，使其互成60°角。 ⑶分料时控制好卡料尺寸，防止曲拐脱节。 ⑷整个锻造过程中注意旋转方向，防止将三个曲拐角度压反，造成角度错误无法修复。 锻后热处理  图4 六拐曲轴四～五火锻造工艺卡片  图5 等温退火曲线 由于六拐曲轴锻造火次多，操作控制复杂，为避免曲轴锻件锻后存在粗晶、混晶、魏氏组织、白点等缺陷，锻后六拐曲轴采用等温退火处理，达到细化晶粒、调整组织、防止白点、提高锻后切削性能目的。具体热处理加热曲线如图5所示。 锻件外观检验 采用此工艺共生产7件大型六拐曲轴锻件，经检验其中一件曲拐部分角度偏差约2°，重新修整后也达到了工艺要求。 锻件物理检验 实施该工艺方案后，所锻大型六拐曲轴锻件探伤合格，性能达到技术要求，结果均优于气压机厂0061-2002Ⅴ组要求。 结论⑴采用角度预置法整体锻造大型六拐曲轴，是一种新型的锻造工艺方法。所锻曲轴金属纤维连续无扭曲，锻件质量较好，工装辅具投入少，锻件附加值高，经济效益显著，可应用于多种等角度多拐曲轴锻造生产，具有良好的推广应用价值。 ⑵锻造过程中纵向砧宽比、横向料宽比及压下率的控制，对保证锻造宽薄板类锻件内部质量具有重要作用。
作者简介赵艳敏，沈阳铸锻工业有限公司锻造分公司技术部主任工艺师，高级工程师。主要从事自由锻造工艺开发及技术服务工作。主持完成的核电站用217t双钩国产化开发研制获得沈阳铸锻公司科技成果一等奖，第三代CAP1400核电屏蔽电动泵飞轮保持环的研制获得沈阳铸锻公司科技成果银奖。 |
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（A为六拐曲轴板部宽度，B为板部厚度），确定锻制六方锻坯的尺寸为六方800mm。要求六方必须保证尺寸、角度正确，避免在后序变形时因此而发生角度失控。
