基于正六方截面的六拐曲軸自由鍛工藝設計

康海鵬 孟瑞斌 千航超 李大喬 王金鵬 關朕

(寶雞石油機械有限責任公司熱工分公司，陜西 寶雞 721000)

壓縮機是一種輸送氣體和提高氣體壓力的機器，廣泛應用于煤化工、石油化工等領域。六拐曲軸是壓縮機的重要承力傳動零件，通過連桿將活塞的往復運動轉換為旋轉運動，并向外輸出動力，工作中受周期性不斷交替變化的載荷和振動附加應力的作用，受力情況復雜，容易產生疲勞破壞，因此對曲軸的強度、剛性、韌性和耐磨性等綜合力學性能要求高。大型的六拐曲軸，對鍛件本身尺寸和形狀，尤其是各曲拐之間的角度控制也要求嚴格[1]。

本文介紹了一種基于正六方截面制坯的六拐曲軸自由鍛工藝，該工藝方案是利用制坯的正六方截面各鄰邊成120°的特殊夾角關系，準確地控制三個曲拐的夾角和曲拐的長度，達到鍛造的工藝要求。

1 鍛造工藝方案分析

某壓縮機六拐曲軸要求鍛件符合JB/T 6908—2006《容積式壓縮機用鋼鍛件》第Ⅰ類鍛件的制造和驗收要求，具體技術要求如表1[2]。

表1 技術要求Table 1 The technical requirement

圖1為六拐曲軸的鍛件圖，其鍛造難點在于：三個曲拐之間呈120°夾角，曲檔直徑與曲拐高度尺寸相差大，自由鍛時，曲拐夾角和曲檔長度控制有難度。

圖1 六拐曲軸鍛件圖Figure 1 The forging drawing of the six-throw crankshaft

經分析，制定兩種自由鍛工藝方案：

方案一鍛造工藝流程：加熱→鋼錠開坯→改圓料→分料→拔中間曲檔和兩端臺階→鍛曲拐→精整→切余料→退火→檢驗→交粗加工。

方案二鍛造工藝流程：加熱→鋼錠開坯→鍛正六方料→分料→拔中間曲檔和兩端臺階→鍛曲拐→精整→切余料→退火→檢驗→交粗加工。

兩種方案的區(qū)別主要在于拍扁成形曲拐時，所用初始截面的形狀不同。正六方截面拍扁時，將兩個對角的頂點轉到豎直位置，可以根據正六方截面之間的夾角是固定的特點來準確確定曲拐的角度，不足之處在于，拔中間曲檔和兩端的臺階時，由于旋轉和金屬變形不均勻的影響，會使還未拍扁的曲拐所在的三個正六邊形發(fā)生不同程度扭轉，如果不加以調正，將影響曲拐拍扁后夾角的準確度。而圓形截面正好可以克服這種影響，不足之處在于，拍扁成形曲拐時，各曲拐之間的夾角角度需由操作人員通過設備和經驗來控制，精確度低，不易保證，而曲檔的直徑較大，強度很高，后期也難以利用扭轉工藝使曲拐夾角達到工藝要求，且圓截面變扁方截面時變形量較大，曲拐兩端會出現較大的圓弧，后期需要重新平整，這也會對曲拐夾角產生影響。

經過對比，決定采用方案二鍛造，主要的質量控制點為保證正六方截面的尺寸和調正曲拐拍扁前三個正六方面的位置不發(fā)生扭轉。

為了保證六拐曲軸一次性鍛造成功，對方案二進行試鍛驗證，試鍛方案是以中間曲拐和兩邊曲檔為實際尺寸來控制，鋼錠剩余量鍛成兩端曲拐，不鍛出左右臺階，主要驗證用正六方截面控制曲拐角度的準確性和可行性及拍扁時兩個曲檔的尺寸變化情況。

從圖2的實驗結果來看，在旋轉拔長曲檔的過程中，曲拐所在正六方截面會發(fā)生扭轉，見圖2(a)，這會影響到后工序拍扁曲拐后，各曲拐的夾角出現超出工藝要求；曲拐在拍扁過程中，沿長度方向上有一定的變形量，使曲檔和曲拐過渡的地方拉長，見圖2(b)，曲檔總長度有所增加。

圖2 方案二工藝試驗件Figure 2 Test piece of scheme No.2

糾正措施：對發(fā)生扭轉的截面以第一個正六方截面為基準進行矯正，控制壓機的壓下量為正六方截面兩個對邊的高度，多次小壓下量校正，直到正六方截面與第一個截面重合為止；拔長曲檔時需注意控制長度尺寸。

2 鍛造工藝設計

鍛件材質42CrMoA，鍛件重量3850 kg，下料重量4800 kg，50 MN壓力機開坯，16 MN快鍛機成形，鍛造8火次，鍛件左端為驅動端，加長250 mm為連體試棒，力學性能取樣在其1/3半徑處。

2.1 冶煉

鍛造用鋼錠重7 t，鋼錠利用率68.6%，電弧爐煉鋼，爐外精煉加VD爐真空脫氣，充分去除S、P等有害元素，達到JB/T 6908—2006中原材料S、P含量不大于0.035%要求，并控制氣體的含量，特別是H含量小于2×10-6，一般認為氫含量低于2～3 cm3/100g便不會產生白點[3]，同時控制鋼錠非金屬夾雜物級別達到標準的要求，減輕偏析。

2.2 加熱

三段式加熱曲線臺車爐加熱(圖3)，600～650℃為低溫保溫段，由于鋼錠直徑大，合金含量較高，需在低溫段充分保溫，防止加熱時內外溫差導致的熱應力使鋼錠內部開裂。800～850℃為中溫保溫段，保證鋼錠在中溫段徹底均熱，為高溫段加熱做好基礎。1250℃為高溫段，要求鋼錠在此溫度長時間保溫，使鋼錠內部加熱透徹均勻，具有良好的塑性，為開鍛做好準備。

圖3 加熱曲線Figure 3 The heating curve

2.3 開坯

鋼錠加熱均溫后，在上下平砧小壓下量倒棱，焊合鋼錠皮下裂紋，保證鐓粗時裂紋不擴展，剁刀熱切鋼錠冒口和水口，保證端面平齊。下料尺寸約?700 mm×1580 mm，高徑比為2.3，高徑比在2.0～2.5范圍可以保證在鐓粗時出現單鼓形，使變形均勻[4]。鋼錠回爐重新保溫后出爐鐓粗到800 mm高，走扁方鍛造到約1000 mm×600 mm，走扁方鍛造的目的是采用大壓下量，大變形使鋼錠內部充分鍛透，改600 mm×600 mm的正方，總鍛比達到4.2。

2.4 改料

在壓機上設定上下砧面的距離為520 mm，將正方坯料改為邊長300 mm的正六方截面，要求六個邊的長度均勻一致，各邊成120°夾角。此過程尺寸的精確是后面曲拐夾角正確的基本保證，必須反復修正以達到工藝要求。

2.5 分料

計算六拐曲軸各部分重量，按圖4分料，左右兩端臺階重量不能達到臺階拔出的條件，需加放切頭余料[5]，用圓鋼壓痕，由中間向兩端分料，保證分料準確。

圖4 壓痕分料圖Figure 4 Indentation parting diagram

2.6 鍛中間曲檔和兩端臺階

用180 mm的窄砧將中間曲檔拔長到?300 mm，控制曲檔的長度不超出工藝要求，將左右兩端的分料拔長到?250 mm。拔長時壓下量和旋轉量要保持均勻，使臺階和曲檔與六方截面保持較高的同軸度，防止拍扁曲拐后中心線發(fā)生偏移過多，造成一邊加工余量大，一邊加工余量不足的情況。

2.7 鍛曲拐

鍛曲拐時按先鍛Ⅰ-Ⅱ號曲拐，再鍛Ⅲ-Ⅳ號曲拐，最后鍛Ⅴ-Ⅵ號曲拐的順序，鍛后兩個曲拐時，需將Ⅰ-Ⅱ號曲拐轉動到豎直方向，使其豎直軸線與砧面垂直，輕壓Ⅲ-Ⅳ號和Ⅴ-Ⅵ號曲拐所在六方截面的上平面水平，保證與Ⅰ-Ⅱ號曲拐的豎直軸線垂直，再轉動需要拍扁的六方截面頂點到豎直位置進行壓扁，具體操作步驟如下：

(1)如圖5所示，將六方的Ⅰ、Ⅱ頂點旋轉到豎直方向，與砧面垂直，向中間壓平到厚度約300 mm，鍛成Ⅰ-Ⅱ號曲拐，壓平時注意控制曲拐寬度，需保證寬度不要超差。

圖5 Ⅰ-Ⅱ曲拐的鍛造過程Figure 5 The forging process of Ⅰ-Ⅱ crank throw

(2)如圖6所示，將Ⅰ-Ⅱ號曲拐豎直立起，軸線與砧面垂直，將Ⅲ、Ⅳ點逆時針轉到豎直位置，將Ⅲ、Ⅳ點豎直壓平到厚度約300 mm，鍛成Ⅲ-Ⅳ號曲拐，壓平時注意控制曲拐寬度，需保證寬度不要超差。

圖6 Ⅲ-Ⅳ曲拐的鍛造過程Figure 6 The forging process of Ⅲ-Ⅳ crank throw

(3)如圖7所示，將Ⅰ-Ⅱ號曲拐豎直立起，軸線與砧面垂直，將Ⅴ、Ⅵ點順時針轉到豎直位置，將Ⅴ、Ⅵ點豎直壓平到厚度約300 mm，鍛成Ⅴ-Ⅵ號曲拐，壓平時注意控制曲拐寬度，需保證寬度不要超差。

圖7 Ⅴ-Ⅵ曲拐的鍛造過程Figure 7 The forging process of Ⅴ-Ⅵ crank throw

2.8 精整、切余料

精整階段，根據剩余鍛比，將加熱溫度降低到1100℃保溫，防止停鍛時溫度過高，晶粒粗大，同時保證魏氏組織級別符合技術標準要求。精整各部尺寸，按工藝熱切兩端余料。

2.9 鍛件熱處理

六拐曲軸為合金鋼材料，鍛件截面較大，鍛后制定了等溫退火爐冷規(guī)范(見圖8)，以減小冷卻過程中熱應力和組織應力對鍛件的影響，防止出現裂紋。

圖8 退火曲線Figure 8 The annealing curve

3 實際生產情況

以上述工藝進行生產，鍛件成形良好，曲拐的角度可以控制在工藝要求范圍1°～2°內，角度偏移量產生的加工余量可通過曲拐厚度上的余量加以消除，鍛件表面無裂紋、折疊，經超聲檢測內部無裂紋、白點缺陷，鍛件的力學性能、晶粒度、低倍和金相組織及硬度均達到了標準的要求。

4 結論

(1)按照文中所述的基于正六方截面的曲軸自由鍛方法所鍛成的六拐曲軸，加工余量及曲拐所成角度滿足加工要求。鍛件金屬纖維流線分布符合零件形狀，零件綜合力學性能良好。

(2)拔長曲檔時，按一個方向螺旋拔長必然會造成相鄰六方截面的扭轉錯位，應遵循左右對稱旋轉拔長的原則，以便盡可能地消除對六方截面的不利影響，減小六方截面的扭轉。

(3)鍛Ⅲ-Ⅳ號和Ⅴ-Ⅵ號曲拐時，需以Ⅰ-Ⅱ號曲拐豎直方向為參考基準，仔細核對后再轉動拍扁，以免轉動方向錯誤導致鍛件報廢。

(4)通過六方截面對角拍扁來實現曲拐面夾角的工藝方案可行，拍扁后曲拐面仍存在較小的角度偏差，生產中控制在小于2°范圍內，由角度偏差引起的曲面上的加工余量，可以通過曲面厚度方向的余量來消除。

(5)曲拐拍扁后寬度與左右兩端的臺階直徑尺寸相差較大，容易產生臺階中心線偏移，對機加工劃線造成影響，兩端臺階鍛造過程中應控制壓下量，減少變形的不均性。