一種大型七拐壓縮機(jī)曲軸TR鐓鍛成形技術(shù)研究

杜紹貴　李六如　毛章雄

(中車資陽(yáng)機(jī)車有限公司，四川641301)

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一種大型七拐壓縮機(jī)曲軸TR鐓鍛成形技術(shù)研究

杜紹貴李六如毛章雄

(中車資陽(yáng)機(jī)車有限公司，四川641301)

摘要：在分析大型七拐壓縮機(jī)曲軸的結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上介紹了曲軸的鍛造成形工藝難點(diǎn)。針對(duì)曲軸異型曲拐實(shí)物鍛造成形工藝試驗(yàn)存在的問(wèn)題，制定了合理的技術(shù)參數(shù)和優(yōu)化措施。結(jié)果表明，所得曲軸鍛件充填飽滿，飛邊大小適當(dāng)且無(wú)影響后續(xù)粗加工的鍛造缺陷。

關(guān)鍵詞：氣體壓縮機(jī)；曲軸；TR鐓鍛成形技術(shù)；異型曲拐

天然氣壓縮機(jī)組是天然氣工業(yè)的重要裝備，常用于油氣田的集氣外輸、氣舉采氣、井口增壓等[1]。天然氣壓縮機(jī)組市場(chǎng)需求的快速增長(zhǎng)，必將帶動(dòng)與之配套的核心部件——曲軸的需求增長(zhǎng)。

曲軸是大型氣體壓縮機(jī)的關(guān)鍵件，由于工況中承受載荷最大，且受力復(fù)雜，因此選用鍛件毛坯生產(chǎn)。該產(chǎn)品市場(chǎng)前景廣闊，有很大的市場(chǎng)需求量[2]。但國(guó)內(nèi)壓縮機(jī)行業(yè)的特點(diǎn)是小批量多品種，再加上曲軸本身結(jié)構(gòu)尺寸偏大，因此國(guó)內(nèi)壓縮機(jī)用曲軸鍛件主要采用鋼錠開坯自由鍛造成形。自由鍛造的主要問(wèn)題是鍛件加工余量大，加工周期長(zhǎng)，材料利用率低，一般只有30%～40%。本文所述大型七拐壓縮機(jī)曲軸，國(guó)內(nèi)采用自由鍛造成形，鋼錠重9 000 kg，鍛件重7 450 kg，材料利用率僅26.6%。關(guān)于大型氣體壓縮機(jī)曲軸的鍛造技術(shù)，于智博和張華等人對(duì)曲軸自由鍛造成形進(jìn)行了研究[1-2]。在鐓鍛成形技術(shù)方面，沒(méi)有公開的論文發(fā)表，是一個(gè)尚待深入研究的領(lǐng)域。

中車資陽(yáng)機(jī)車有限公司選擇國(guó)內(nèi)某公司某型號(hào)的往復(fù)活塞式天然氣壓縮機(jī)組用曲軸(簡(jiǎn)稱“大型七拐壓縮機(jī)曲軸”)進(jìn)行TR鐓鍛成形技術(shù)研究，以TR鐓鍛成形技術(shù)代替自由鍛成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。該型號(hào)壓縮機(jī)組采用重載低速整體式撬裝結(jié)構(gòu)，有4個(gè)動(dòng)力缸，3個(gè)壓縮缸，標(biāo)定功率630 kW，負(fù)荷轉(zhuǎn)速范圍(265～440)r/min。該型號(hào)機(jī)組在國(guó)內(nèi)的長(zhǎng)慶油田和內(nèi)蒙古蘇格里氣田等得到了廣泛采用[3]。

1大型七拐壓縮機(jī)曲軸概況

1.1曲軸材料及其基本結(jié)構(gòu)

大型七拐壓縮機(jī)曲軸見圖1。材料為35CrMoA合金鋼，由3個(gè)壓縮曲拐和4個(gè)動(dòng)力曲拐共七個(gè)曲拐構(gòu)成。圖1從左至右分別是第A壓縮曲拐、第1動(dòng)力曲拐、第B壓縮曲拐、第2、3、4動(dòng)力曲拐和第C壓縮曲拐。為便于表述，本文將圖1中的曲柄臂從左至右編號(hào)為1～12。

1.2主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

1.3結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

圖1　大型七拐壓縮機(jī)曲軸三維模型Figure 1　3D model of heavy compressor crankshaft with seven crank throws

表1　大型七拐壓縮機(jī)曲軸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1　Main structure parameters of heavy compressor crankshaft with seven crank throws

(a)壓縮機(jī)曲軸標(biāo)準(zhǔn)曲拐

(b)船機(jī)曲軸標(biāo)準(zhǔn)曲拐

圖3　異型曲拐Figure 3　Special-shaped crank throw

可以從以下幾個(gè)方面對(duì)大型七拐壓縮機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析。

1.3.1曲拐構(gòu)成

大型七拐壓縮機(jī)曲軸第B、2、3曲拐，每一曲拐包含兩個(gè)完全相同的曲柄臂和一個(gè)連桿頸，且曲柄臂兩側(cè)均為主軸頸，與機(jī)車、船機(jī)曲軸基本相同，稱之為標(biāo)準(zhǔn)曲拐，如圖2。第A、1、4、C曲拐，與機(jī)車、船機(jī)曲軸完全不同，稱之為異型曲拐。如圖3。

1.3.2曲柄臂截面形狀

大型七拐壓縮機(jī)曲軸曲柄臂最大截面投影為近似長(zhǎng)方形。機(jī)車、船機(jī)曲軸曲柄臂最大截面投影為近似橢圓形或者圓形。

1.3.3曲柄臂截面尺寸

大型七拐壓縮機(jī)曲軸12個(gè)曲柄臂包括三種截面尺寸，其中第2、11曲柄臂長(zhǎng)寬比為2.41。

1.3.4曲拐半徑

動(dòng)力連桿頸曲拐半徑203.2 mm，壓縮連桿頸曲拐半徑139.7 mm。

1.3.5連桿頸開檔

動(dòng)力連桿頸開檔108 mm，壓縮連桿頸開檔133.5 mm。

1.3.6曲柄臂中心線夾角

同一曲拐兩個(gè)曲柄臂最大中心線夾角9°(見圖3)。機(jī)車、船機(jī)曲軸同一曲拐兩個(gè)曲柄臂中心線之間沒(méi)有夾角。

2鐓鍛成形技術(shù)難點(diǎn)

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，大型七拐壓縮機(jī)曲軸TR鐓鍛成形包括兩個(gè)部分，一是標(biāo)準(zhǔn)曲拐的成形，二是異型曲拐的成形。根據(jù)數(shù)十年的鐓鍛成形技術(shù)參數(shù)、模具設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制經(jīng)驗(yàn)，最具鍛造技術(shù)難度和挑戰(zhàn)性的是異型曲拐的鐓鍛成形。其難點(diǎn)歸納起來(lái)有以下幾點(diǎn)：

(1)異型曲拐中間曲柄臂長(zhǎng)寬比達(dá)到2.41，沒(méi)有有效的坯料分料、聚料效果，該曲柄臂成形一定會(huì)出現(xiàn)大塌角[4]。

(2)異型曲拐中間曲柄臂截面尺寸大，比同一曲拐相鄰曲柄臂用料多，因此預(yù)鍛、終鍛過(guò)程中左右行程不等，左右變形抗力不同。不僅影響中間曲柄臂的充型，而且會(huì)導(dǎo)致中間曲柄臂厚度難以控制。

(3)異型曲拐兩個(gè)曲柄臂之間分別有夾角，能否通過(guò)預(yù)鍛分料、粗整形、終鍛精整形功能鍛出夾角，對(duì)提升該大型七拐壓縮機(jī)曲軸的TR鐓鍛成形技術(shù)水平有較大影響。

(4)異型曲拐相鄰兩個(gè)曲柄臂之間有9°、6°夾角，能否解決預(yù)鍛后坯料的出模，直接關(guān)系到TR鐓鍛成形能否成功。

(5)由于壓縮連桿頸和動(dòng)力連桿頸開檔都比較窄，預(yù)鍛、終鍛過(guò)程中易出現(xiàn)卡模。

(6)曲拐TR鐓鍛成形順序必須達(dá)到最優(yōu)化，否則新制專用模具鑲件多，費(fèi)用高，而且鍛造過(guò)程中操作者頻繁換模，勞動(dòng)強(qiáng)度大。

3鐓鍛成形技術(shù)方案

針對(duì)大型七拐壓縮機(jī)曲軸的鐓鍛成形技術(shù)難點(diǎn)，結(jié)合TR鐓鍛技術(shù)的特點(diǎn)，制定以下鐓鍛成形技術(shù)方案：

3.1工藝流程

工藝流程為：材料采購(gòu)→入廠檢驗(yàn)→下料→粗車→檢測(cè)→精車制坯→加熱→TR鐓鍛(預(yù)鍛、終鍛)→熱校直→鍛后熱處理→鍛件幾何尺寸檢查。TR鐓鍛采用預(yù)鍛、終鍛兩個(gè)工步完成，即每一個(gè)曲拐需要預(yù)鍛、終鍛兩個(gè)火次完成。

3.2曲拐鐓鍛順序

為了節(jié)省新制模具的投入和減輕操作者更換模具的工作量，各曲拐鍛造成形順序?yàn)椋旱?拐→第4拐→第A拐→第C拐→第B拐→第2拐→第3拐。

3.3預(yù)鍛模設(shè)計(jì)

為了保證最大截面投影為近似長(zhǎng)方形的曲柄臂的成形質(zhì)量，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)曲拐，設(shè)計(jì)了對(duì)稱整體式預(yù)鍛模(見圖4)和不帶偏角的側(cè)壓模。針對(duì)異型曲拐，為了鍛出同一曲拐兩個(gè)曲柄臂之間的夾角，設(shè)計(jì)了非對(duì)稱式預(yù)鍛模、帶偏角的側(cè)壓模，分別對(duì)加熱坯料進(jìn)行分料、粗整形、精整形。為了保證預(yù)鍛后的坯料能夠出模，將非對(duì)稱式預(yù)鍛模設(shè)計(jì)成鑲塊式結(jié)構(gòu)，即非對(duì)稱鑲塊式預(yù)鍛模(見圖5)。為了解決異型曲拐中間曲柄臂用料多導(dǎo)致相鄰兩個(gè)曲柄臂鍛造過(guò)程中行程不等、受力不均的問(wèn)題，在預(yù)鍛、終鍛夾緊擋板上設(shè)置部分型腔。

4鐓鍛成形試驗(yàn)結(jié)果和生產(chǎn)驗(yàn)證

異型曲拐鐓鍛成形試驗(yàn)存在以下問(wèn)題：①脫模非常困難；②中間曲柄臂嚴(yán)重塌角；③中間曲柄臂嚴(yán)重超厚；④飛邊大且不均勻；⑤由于兩側(cè)受力不均，導(dǎo)致彎曲上模向一側(cè)傾斜，有斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)十余次的異形曲拐鐓鍛成形試驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行綜合的劃線檢查、外觀評(píng)估、分析討論、工藝參數(shù)優(yōu)化、模具結(jié)構(gòu)尺寸改進(jìn)，最終得到的異型曲拐鍛件成形效果良好。3個(gè)曲柄臂充填飽滿，中間曲柄臂厚度尺寸完全符合要求，表面無(wú)鍛造缺陷，飛邊大小適當(dāng)，而且鍛造過(guò)程中入模、脫模順暢，鍛件加工余量分布均勻。試驗(yàn)結(jié)果表明最終優(yōu)化后的工藝參數(shù)正確、可靠。根據(jù)鍛造試驗(yàn)結(jié)果，固化了鍛件尺寸、坯料尺寸等工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)尺寸，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行整體曲軸鍛件生產(chǎn)驗(yàn)證。

圖 4　對(duì)稱整體式預(yù)鍛模Figure 4　Symmetrical integral pre-forging die

圖 5　非對(duì)稱鑲塊式預(yù)鍛模Figure 5　Non-symmetric inserted pre-forging die

5結(jié)論

應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物鍛造試驗(yàn)相結(jié)合的傳統(tǒng)方法，對(duì)大型七拐壓縮機(jī)曲軸TR鐓鍛成形技術(shù)進(jìn)行研究，得到了如下結(jié)論：

(1)在國(guó)內(nèi)首次采用TR鐓鍛成形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了該大型七拐壓縮機(jī)曲軸鍛件的批量生產(chǎn)，為公司開拓了一個(gè)全新的產(chǎn)品領(lǐng)域。

(2)確定該大型七拐壓縮機(jī)曲軸合理的鍛造成形順序?yàn)椋旱?拐→第4拐→第A拐→第C拐→第B拐→第2拐→第3拐。其中每一曲拐的鐓鍛成形需預(yù)鍛和終鍛兩火次完成。

(3)采用TR鐓鍛成形技術(shù)，該大型七拐壓縮機(jī)曲軸鍛件重3 270 kg，材料利用率達(dá)到60.6%，與自由鍛件相比有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而且曲軸鍛件成形質(zhì)量良好，飛邊大小適當(dāng)，加工余量均勻，表面無(wú)影響后續(xù)加工的鍛造缺陷，完全可以采用TR鐓鍛成形技術(shù)取代自由鍛造成形技術(shù)。

(4)TR鐓鍛成形壓縮機(jī)曲軸異型曲拐時(shí)，利用非對(duì)稱鑲塊式預(yù)鍛模的分料、粗整形功能以及側(cè)壓模的精整形功能可以保證最大截面投影為近似長(zhǎng)方形的曲柄臂充填飽滿，而且可以鍛出同一曲拐兩個(gè)曲柄臂之間的夾角，極大的提升鐓鍛成形技術(shù)水平。

參考文獻(xiàn)

[1]張華，石明.天然氣壓縮機(jī)五拐曲軸自由鍛工藝研究[J].鍛壓技術(shù)，2008，33(4)：13-15.

[2]于智博.大型氣體壓縮機(jī)曲軸鍛造工藝研究[J].熱加工工藝，2010，39(9)：187-188.

[3]武喜懷.蘇格里氣田天然氣壓縮機(jī)組選型對(duì)比分析[J].石油儀器，2007，21(1)：45-48.

[4]杜紹貴，李六如，毛章雄，等.MAN L27/38系列曲軸鍛件TR鐓鍛工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)踐[J].大型鑄鍛件，2012(4)：39-40.

編輯杜青泉

Research on TR Upset Forging Technology of Heavy Compressor Crankshaft with Seven Crank Throws

Du Shaogui,Li Liuru,Mao Zhangxiong

Abstract：Based on analyzing the structure characteristics of heavy compressor crankshaft with seven crank throw,the technical difficulties of forging for this crankshaft have been introduced.For the issue appeared during the forging process test of crankshaft with special-shaped crank throw,the appropriate technical parameters and the optimized measures for this kind of crankshaft have been prepared.The results show that the manufactured crankshaft forgings which have suitable flashes are filled well with the die.There are no defects on the surface which could influence the subsequent rough machining process.

Key words：gas compressor;crankshaft;TR upset forging technology;special-shaped crank throw

收稿日期：2015—12—18

作者簡(jiǎn)介：杜紹貴(1966—)，男，教授級(jí)高工，主要從事全纖維曲軸鍛造工藝設(shè)計(jì)及質(zhì)量控制。電話：13795738749，E-mail：279841620@qq.com

中圖分類號(hào)：TG316

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B