船用曲軸的制造工藝現(xiàn)狀介紹

張文平　周倩

摘 要：文章介紹了船用曲軸制造技術(shù)的進(jìn)展及其工藝特點， 指出了各方法的優(yōu)缺點，評述了船用曲軸制造技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展和應(yīng)用，并提出今后船用曲軸制造方法的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：船用曲軸；鍛造；鐓鍛；鑄造

1 概述

曲軸是發(fā)動機的核心部件之一，被稱為發(fā)動機的“心臟”，其制造成本約占發(fā)動機總造價的10%-20%[1]，而對船用曲軸而言，這一比例甚至可以達(dá)到1/3。曲軸與活塞桿相連，工作過程中在活塞桿的推動下，曲軸繞主軸頸軸線做旋轉(zhuǎn)運動，進(jìn)而將活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動，完成功率輸出[2]。曲軸要承受彎曲力矩、扭轉(zhuǎn)力矩以及交變載荷等的作用，所受載荷大，受力復(fù)雜，易產(chǎn)生疲勞破壞。所以，對大型曲軸的強度、剛度和耐磨性等力學(xué)性能提出了較高要求。

2 船用曲軸的分類

船用曲軸的制造工藝可分為兩類：一種是整體制造的曲軸，主要用于中小船舶；另一種是組裝式曲軸，主要用于萬噸輪和發(fā)電用低速二沖程柴油發(fā)動機[3]。船用低速柴油機上的大缸徑曲軸，普遍采用組合的形式，根據(jù)裝配方式的不同，可分為全組合式和半組合式。

3 船用曲軸的制造工藝現(xiàn)狀

3.1 組合式船用曲軸制造工藝

全組合大型船用曲軸就是把主軸頸、曲臂、曲拐銷分別加工，然后將其裝配在一起（如圖1）；半組合大型船用曲軸則將曲臂和曲拐銷加工成為一個整體（即曲拐），然將曲拐和軸頸部件熱壓成為整體來組成大型船用曲軸（如圖2）。組合式曲軸的曲拐有鍛造和鑄造兩種制造方法。

低速柴油機所用的大型船用曲軸，主要生產(chǎn)企業(yè)基本上均采用半組合式工藝。目前生產(chǎn)大型低速柴油機曲軸的企業(yè)主要有：韓國現(xiàn)代、韓國斗山重工業(yè)株式會社、日本神戶制鋼、捷克維特科維策股份公司等[4]。

（1）鍛造曲拐。組合式曲軸鍛造的難點在于曲拐鍛造。其鍛造方法有：塊型鍛造法、環(huán)鍛法、模鍛法、彎鍛法、鐓鍛法等。目前國內(nèi)生產(chǎn)曲軸毛坯鍛件的企業(yè)主要有兩家，鞍鋼重機和一重集團。

（2）鑄造曲拐。鑄造曲拐的優(yōu)點是較經(jīng)濟，成型性好，缺點是容易產(chǎn)生鑄造缺陷。在生產(chǎn)過程中，必須對每道工序嚴(yán)格控制，控制住針孔、夾渣和疏松等缺陷的產(chǎn)生，以確保質(zhì)量。鑄鋼曲拐生產(chǎn)的工藝，主要有以下三種[5]：平鑄法、豎鑄法、模鑄法。

3.2 整體式曲軸生產(chǎn)工藝

3.2.1 整體式自由鍛工藝。曲軸的自由鍛成形工藝，可以分為塊鍛和彎鍛。塊鍛工藝是將毛坯鍛成方塊，再機加工成形。這一方法鍛制的曲拐余量大，纖維流線被切斷，降低了其抗彎曲和抗疲勞能力，質(zhì)量較差，加工后曲臂的內(nèi)側(cè)常常出現(xiàn)嚴(yán)重鬼線及疏松性傷痕等缺陷。彎鍛是將毛坯先壓成扁坯，再進(jìn)行彎曲模架彎曲，最后修整成形。其優(yōu)點是余量少，材料利用率有所提高，金屬纖維流向好，抗彎曲和抗疲勞能力較好。塊鍛和彎鍛工藝效率較低，對工人的技術(shù)水平要求較高，勞動強度大，僅適用于小批量生產(chǎn)。

3.2.2 全纖維曲軸鐓鍛成型工藝。該工藝將金屬材料鍛造成棒料，然后機加工成臺階軸，最后在鐓鍛專用模具內(nèi)成形，每次只對一個曲拐進(jìn)行熱變形。在模具內(nèi)，當(dāng)位于上方的彎曲模塊對棒料進(jìn)行彎曲變形的同時，位于下方的左右鐓粗模塊同時向中間作鐓粗運動。第一個曲拐不需定位，從第二個曲拐起，需要依次用已鍛出的曲拐進(jìn)行定位。

全纖維鐓鍛法是生產(chǎn)直徑為120-350mm的大型全纖維曲軸鍛件的主要生產(chǎn)方法。全纖維鐓鍛曲軸又具體分為以下幾種方法：（1）RR法鍛造曲軸。該法是在專用的工裝模具上，利用墩鍛彎曲聯(lián)合工序，完成曲軸成形。當(dāng)液壓機橫梁下落時，在模座的斜面上，液壓機的力被分解成為水平墩鍛分力和垂直夾緊分力。坯料被夾緊后，兩個模座相向移動預(yù)墩曲臂。同時，中間彎曲模在夾緊連桿頸后，向下彎曲，曲柄隨之成形[5]。RR法鍛造曲軸的缺點是，在鍛造過程中，它產(chǎn)生的水平墩鍛分力為一定值，該力與設(shè)備公稱力之比，僅等于33%；鐓粗和彎曲同時進(jìn)行，工藝參數(shù)不能調(diào)整，曲臂的尖角處常出現(xiàn)填充不滿；采用臺肩式棒料毛坯，金屬纖維被切斷，降低了曲軸的強度；由于局部加熱，多拐分步成形后需熱校直[6]。（2）TR法鍛造曲軸。TR法是利用肘桿機構(gòu)來實現(xiàn)力的分解。水平墩鍛力和垂直夾緊力在變形過程中是肘桿和水平線夾角的函數(shù)。其變化規(guī)律是：水平墩鍛力從最小值到最大值；垂直夾緊力從最大值到最小值。符合曲柄成形過程中對水平和垂直兩個分力的實際需要。最大的水平墩鍛力可達(dá)設(shè)備公稱力的1.2倍，相應(yīng)于RR法的3.6倍，故它能充分利用設(shè)備的能力。（3）雙向水壓機鍛造曲軸。雙向水壓機是一種專用性很強的曲軸鍛造設(shè)備，1961年在依爾武德國家曲軸公司投產(chǎn)使用。該設(shè)備由軸向水壓機和徑向水壓機聯(lián)合鍛造。軸向水壓機用來墩鍛曲臂，徑向水壓機用來彎曲連桿頸。模具部分由模塊組成。一套完整的模具應(yīng)包括法蘭模、止推模、曲臂模、壓環(huán)模、彎曲模和曲柄分度模[7]。由于各工作缸直接作用在鍛件上，可根據(jù)曲軸的不同形狀，任選幾步成形。該方法成形精度高，加工余量小，金屬纖維連續(xù)程度更高。（4）其它專用壓機鍛造工藝。全纖維曲軸的其它鍛造工藝包括德國帝森集團VSG公司的VSG鐓鍛法；20世紀(jì)70年代初，英國發(fā)明的CIVROD法；天津大學(xué)和天津市康庫德機電技術(shù)有限公司聯(lián)合研究出NTR鍛造法等。

3.3 模鍛

汽車用曲軸整體模鍛工藝較成熟，2005～2010年，我國引進(jìn)了十多條大型的曲軸自動化生產(chǎn)線，其中部分采用了韓國、日本的步進(jìn)梁技術(shù)。受設(shè)備噸位及模具制造能力的限制，國內(nèi)文獻(xiàn)報道的最大的模鍛曲軸是第二重型機械集團公司模具分廠所生產(chǎn)的KV12大型曲軸，曲軸長1852mm，重340kg[8]。船用曲軸的模鍛工藝主要為分段模鍛法，工序如下：首先將鋼錠鍛成“糖葫蘆”形坯料，然后將安裝在活動橫梁上的三個上模剛性組合后，對加熱坯料進(jìn)行預(yù)鍛，得到飛邊很厚的曲軸坯；再拆除上模的剛性組合，先鍛中間，后對兩邊依次進(jìn)行終鍛，得到飛邊較薄鍛件；切除飛邊后，最后將三個上模剛性組合，進(jìn)行曲軸校正。該工藝由于所需設(shè)備太大，故應(yīng)用不廣[9]。

3.4 鑄造

隨著鑄造技術(shù)的進(jìn)步，球墨鑄鐵的力學(xué)性能已經(jīng)接近碳鋼的水平，且其耐磨性好、減震性好，有極高性價比。球墨鑄鐵越來越廣泛的應(yīng)用到曲軸的制造中來。據(jù)報導(dǎo)，美國曾生產(chǎn)長9.5m，重15t的鑄造曲軸。蘇聯(lián)克羅敏斯克熱力機車廠專門生產(chǎn)球鐵曲軸，其長度為2480～3600mm，主軸頸直徑為220～250mm。比利時ACEC公司的鑄造廠生產(chǎn)的最大球鐵曲軸毛重達(dá)4t[10]。國內(nèi)生產(chǎn)的最大的鑄造曲軸為廣州柴油機廠的12V320曲軸鑄件重量約6.5t[11]。曲軸的鑄造工藝，廣泛采用粘土砂震實與高壓造型工藝、鐵模覆砂工藝與樹脂砂重力鑄造工藝。曲軸造型澆注工藝一般有，平澆一平冷、平澆一立冷、立澆一立冷、斜澆一斜冷與斜澆一反立冷。在中大型球鐵曲軸生產(chǎn)方面，國內(nèi)廣泛采用金屬型覆砂工藝生產(chǎn)。吠喃樹脂自硬砂具有操作簡便，鑄件表面質(zhì)量好，精度高，砂型不必烘干，落砂容易清理等優(yōu)點，因此用自硬砂鑄型取代粘土砂干砂型生產(chǎn)大型鑄件是當(dāng)前國內(nèi)外鑄造業(yè)的共同發(fā)展趨勢。

4 小結(jié)及展望

在我國，小型曲軸主要采用模鍛或鑄造工藝生產(chǎn)；船用中高速柴油機曲軸的生產(chǎn)主要采用全纖維鍛造成形及鑄造，其中，全纖維鍛造曲軸由于金屬流線保存的好，具有較好的綜合力學(xué)性能，生產(chǎn)技術(shù)相對穩(wěn)定，應(yīng)用較廣；球墨鑄鐵曲軸經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗笠簿哂休^好的力學(xué)性能，且制造成本低，推廣應(yīng)用在中低功率柴油機上可取得較好的經(jīng)濟效益；低速船用柴油機曲軸現(xiàn)階段主要采用半組合式工藝生產(chǎn)。

（1）柴油發(fā)動機向著大功率、綠色環(huán)保的方向發(fā)展，對曲軸結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及加工制造精度提出了更高的要求。所以，對于全纖維鍛造工藝的研究應(yīng)集中在：a.進(jìn)一步提高曲軸的強度、剛度等力學(xué)性能。比如，采用光坯直接擠壓方案，進(jìn)一步提高曲軸外輪廓的金屬纖維連續(xù)性，使曲軸的疲勞強度更高。b.提高產(chǎn)品質(zhì)量及精度，通過對鐓粗及壓彎力分別控制，對鐓粗過程中壓彎時機的合理選擇，模具相關(guān)參數(shù)的合理設(shè)計，進(jìn)一步降低曲軸加工余量，提高材料利用率。c.要大力研發(fā)曲軸鐓彎成形的專用設(shè)備，雖然一次性投資較大，但可以大大縮短產(chǎn)品的制造周期，提高生產(chǎn)效率。

（2）球墨鑄鐵曲軸具有較好的力學(xué)性能，較短的制造周期和生產(chǎn)成本，在中小曲軸上，出現(xiàn)了以鑄代鍛的趨勢。對于大型船用鑄造曲軸的鑄造工藝及熱處理工藝還需進(jìn)一步研究，明確相應(yīng)的工藝參數(shù)及穩(wěn)定其生產(chǎn)工藝，要切實控制好大型鑄造曲軸的廢品率。

（3）雖然大型組合式曲軸我國于2005年才實現(xiàn)零的突破，但是產(chǎn)能擴張較快，如今，不僅滿足能國內(nèi)需要，而且開始部分出口國外。組合式曲軸的曲拐毛坯鍛造難度較大，需要應(yīng)用比例實驗、數(shù)值模擬分析等手段進(jìn)一步研究曲拐的成形過程，減少鍛造余量，提高材料的利用率。要從理論上進(jìn)一步研究毛坯和模具尺寸對成形過程的影響，減少成形缺陷。

參考文獻(xiàn)

[1]彭麗華.內(nèi)燃機曲軸制造技術(shù)新論[J].金屬成形工藝，2004（2）：11-22.

[2]鄭會賽.大型船用曲軸曲拐鍛造新工藝及工裝研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2012.

[3]朱明旗.以科技創(chuàng)新奠定世界第一造船大國基礎(chǔ)—8K90MC-C大缸徑船用柴油機曲軸下線[J].上海企業(yè)，2008（9）：30-31.

[4]余云嵐，張堅.我國船用低速大功率柴油機曲軸制造技術(shù)的發(fā)展[J].上海造船，2009（4）：38-41.

[5]李基棠.曲軸的制造關(guān)鍵在毛坯[A].2008中國船舶工業(yè)協(xié)會鑄鍛分會論文集[C].2008：129-130.

[6]張學(xué)忠，何文武，劉建生，等.大型曲軸彎曲鐓鍛技術(shù)的研究[J].機械工程與自化，2008（6）：198-200.

[7]郭志仁.國內(nèi)外大型曲軸鍛造工藝及其裝置[J].重型機械，1983（3）：39-46.

[8]宋春堂，高劍波.大型曲軸鍛模的加工工藝[J].模具工業(yè)，1994（4）：49-51.

[9]左陽春，馮麗魁，趙恒義，等.大型曲軸的幾種成型方法及比較[J].熱加工工藝，2008（3）：130-132.

[10]張俊.關(guān)于8E350ZDC柴油機球墨鑄鐵曲軸的設(shè)計問題[J].武漢造船，1983（1）：25-49.

[11]周亙.中速柴油機球鐵曲軸鑄造技術(shù)現(xiàn)狀調(diào)研及質(zhì)量問題探討[J].現(xiàn)代鋼鐵，1993（1）：21-31.