大型曲轴的整体锻造工艺介绍

1、大型曲轴的整体锻造工艺介绍大型内燃机广泛应用F船舶和铁路机车上面大型曲轴如图M所示)是大型内廳机的关键零部件之一.它把活塞连杆的往复运动转化为门身的雄转运动，航而向外输出功奉.曲辅的性能对内燃机乃至整个机械系统的可靠性和寿命有着直接彩响.曲轴运转时事受着貝杂的载荷，包括弯矩、扭特组合变形和周期性的疲劳载荷等U为了应对诸彝S紮的作用力.曲轴必须具有足够的疲芳強度和结构刚度T外.随看技术的进涉.大型内燃机功率也在不断提升.这就对曲轴的性能提出了更高的要求.曲轴的成形工艺是影响曲轴性能的际£因素之一W图i-i臭空卿曲袖按照生产方式的不同.大型曲轴大致分为两类：组合戒曲轴和整休式曲抽i叭其中

2、.整体式曲紬上要【"锻造方法生产.可分为自由锻造法和全纤维弯曲徹锻法悶种.全纤维殍曲鐵锻法生产的曲紬能承受更大的动力输出，具有更高的疲芳强度|叫因此成为广泛:R0的整体式曲轴Hft方法.传统的曲轴全纤维弯曲載锻袪按照加工原理和装备结构的不同,左要分为RR法和TR法两种叫但是这两者存征加工参数固定、曲轴毛坯加工余童大等統点NRR法是加RR法基础上开发的种可疣活谀节匸艺参数的HHR方法担仍存在加工效率低、能耗大等缺点d针对F此.国内提出了NTR(NewTR)法曲轴全纤维弯曲瞰供匚艺.很好地克服FKR法、NRR沐和IR法帕缺点.便曲釉全纤维锲擀匚艺达到了新的水平.本文将从蠡值模拟和比例纜型

3、试验两个角度村厲上四种曲铀全纤维弯曲m锻方袪进存分析和比较，以期遴选出最佳的加工工艺参数井总结出曲轴全纤维滾眠成形的一殷性规慄.毎恨曲轴包含若干数虽的Illi拐.町将毎个曲拐视作Illi轴的一个单元如图12所示.每个曲拐由三部分组成1可：主轴颈、曲拐臂和曲柄销。大型曲轴的整休锻造方法主要仃门由锻造法和全纤维弯曲徴锻法。121自由锻造法主轴颈预加工二：:二二二：3&扭捞图1-3自由锻造法生产曲轴毛坯的步H上世纪6()年代中期Z前.我国大型曲轴毛坯的锻造均采用自由锻造法何.自由锻造法的大致步骤如图13所示,为:(1) 将曲轴毛坯锻压成与曲轴尺寸相当的矩形形状:(2) 利用机加工的方式加工出

4、Illi轴的上轴颈：加热E轴颈,通过天车扭转各曲拐至正确角度,最后加工出曲轴各部分形状。门由锻造法使用的工具和工装比较简单，但是其缺点也很突出：生产效率低、匸时多：加工余虽大，材料利用率低冈：加工完成后，曲轴内部金属纤维被过筝地切断，同时质虽较差的钢锭屮心部位暴露在曲柄销和曲拐臂内傅表而，影响了曲轴锻件质a1101.从而降低了曲轴的性能.因此,自由锻造法多应用小批©曲轴和大型低速内燃机曲轴的生产宙.曲轴全纤维弯曲傲锻法弯曲模弯曲模图|二弯曲傲锻法示惫图如图】4所示.殍仙議锻法是指用相当r曲轴主轴颈大小的坯料，以殍曲和傲粗两种工序将曲轴的曲拐逐个加工成形的方法小切(a)作全纤维仙轴(b

5、)全纤维曲轴图1-5曲轴内部纤堆形式对比这种Illi釉加工方法与口由锻造法相比加工的IIH轴内部金属纤维基本连续且金属纤维组织流向与曲料分外形吻幼图1.5(b)所示这就避免了在芳续机加工时金属纤维组织被大虽切断少)，因此弯曲議锻法乂被称为全纤维弯曲徹锻法.全纤维曲轴能承受更大的动力输出，具右更高的疲劳强度。据相关研丸机构的试验证明：全纤维曲轴较Z非全纤维曲轴，疲劳强度至少可提高20%以上(HIIlli轴的弯曲徴锻法是一种双向锻造方法，采用局部加热的方式，加工过程大致为：(1)轴坯同时或者交叉受到輸粗力和弯曲力的作用，最终在模具模腔的约束下形成单拐：<2)轴坯沿轴向旋转一定角度后，重复Z前

6、的做粗弯曲复合过程形成笫二个单拐：<3)按照以上方法逐次徹锻出各个曲拐直至形成预期的多拐曲轴.弯Illi做锻法按照其加工装辻I：作原理的不同主要分为以种：RR法、NRR(NewRR)法、TR法和NTR(NewTR)法.1. RR法20世纪30年代末，法国工程师R.Rorder发明了一种大型曲轴全纤维弯曲锹锻法称为“RR法”其设备简图及工作原理如ra1-6所示.其工作原理是：弯曲冲头固定在模架上，水压机推动上横梁向下运动，乐力为匕.一部分压力作用在弯曲冲头上，产生向下的弯曲力巴：徴粗冲头底板上，水压机的另一部分压力由两侧斜面转化为水平方向的做粗力0偸.在弯曲力和懺粗力的共同作用下.曲轴的一

7、个曲拐就形成了.对于不同曲轴的加工.可以选择不同的斜而角度，斜而角度&可通过更换垫片来进行调节。RR法与自由锻造法相比，可以节省大约55%以上的原材料(，大大减小了加工余量:机械加工工时可减少60%左右I®。另外,RR法加工的曲轴内部金属纤维基本连续|呻且分布合理，疲劳强度相对r用口由锻造法加工的曲轴具有显著提升.但是,由其加工原理可知.RR法的缺点也很明显(叫(1) 水压机提供的压力通过斜面转化为水平的懺粗力，由F斜而角度固定.且水压机压力保持不变卩叫水平分力大小也就保持恒定。徴锻过程末段盅要的锹粗力很大.因此对水乐机的动力提出了更高的要求。另外，斜而传力装社的摩擦损失较大

8、，经济性欠佳。据相关资料介绍，该设备的水平徴粗力仅相半设备公称压力的33%,可见其效率很低。(2) 该徴锻方法装宜的结构决定了锲粗行程和弯曲行程只能同时进行，工艺参数固定，这就容易便得加工的的曲拐臂在模腔内填充不足，只能通过增加加工余量来补偿2. NRR法日本神户制钢公司高砂工厂于20世纪50年代引进了RR技术，由于改进生产工艺的需要，于80年代在冲头位置加装了可单独控制的用于销拐的弯曲缸.该方法实现了“预徴徴弯终锲”的锻造方法.成形效果良好.加工余虽:和工时旳较RR法大大减少191l!ll轴锻件旗虽也相应提高。此方法即为NRR(NewRR)法.其原理如图17所示.NRR法的弯曲行程和做粗行程

9、是相互独立的.这样就在很大程度上丈现了加匸参数的灵活调整。但是由rNRR法是在RR法的基础上进行部分改进而实现的，因此其缺点也与RR法类似，即斜而传力装昼能嫂利用率较低.对设备吨位要求较奇，经济性欠佳。3. TR法在RR法基础上，波兰波兹南金属成形研究所的T.Rul教授F20世纪60年代发明了TR法.并取得了1：5模拟试验的成功*)针对RR法斜面传力的缺点,TR法将传力装置改进为肘杆机构.其设备简B9如图所示.水压机横梁垂直向下匀速运动，肘卜F与铅垂线的夹角久逐渐增大。随着久的逐渐增大，水平锲粗速度逐渐减小，符合曲轴徴锻过程中对锲粗工艺的耍求】：另外.在匕大小恒定的情况下，水平分力Q,也随着2

10、的逐渐增大而逐渐变大，这种变化也恰好符合锻件锲粗变形的需耍1.据相关资料介绍，TR法设备的水平輸粗力可达设备公称压力的12倍【叫即相当于RR法的3.6倍.这样就能便设备能力得到充分发挥。若便用相同公称压力的压力机，相比fRR装且.TR装習能够徴鍛更大尺寸的曲轴】.另外，相对于RR法,TR法对于克服曲拐臂塌角缺陷和减小曲轴加工余虽也有明显效果【2皿.25.TR法的不足之处仍然是弯曲和徹锻过程的工艺参数固定另外,在配套、成形精度等方面，TR法与RR法相差并不大冈4. NTR法NTR(NewTR.新TR)法【旳是参照NRR法，对TR法的改进。NTR法设备简图如图19所示.NTR法设备中,执行徹粗行程的装置沿用了TR法装置的肘杆机构,因此其做粗速度和做粗力的变化观律与TR法基木相同：随着;I的逐渐增大，水平徹粗速度逐渐减小，水平分力0債逐渐变大.这两种变化均恰好符合锻件議粗变形的需要。而执行弯曲I：艺过程的进给装岂与NRR法相同,由单独控制的油