曲轴再制造技术(大型船用曲轴毛坯的锻造，能在工作中承受周期性变化吗？)

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文|凹脸的外星人

编辑|凹脸的外星人

前言

船用曲轴是船舶柴油机的关键组成部分之一，它在运行过程中承受着周期性变化的弯曲和扭转力矩，同时还承受惯性力和振动附加应力以及交变载荷的作用。

由于实际使用情况复杂，非常容易使其产生疲劳破坏，造成曲轴断裂，引起柴油机缸体等其他零件的损坏，直接影响船体等设备的安危。

所以对船用曲轴的强度、刚度、耐磨性等提出了较高的要求。

为了满足各种力学性能要求，对船用曲轴的内部和表面组织结构、纤维分布等都有严格要求。

此外，形状尺寸精度要高，机械加工余量要少，是大型船用曲轴锻造生产中必须解决的重要问题。

大型船用曲轴的锻造方法有很多，其中有扭拐、压拐、错拐等自由锻造法，也有错—挤，循序模锻、弯曲镦锻等模锻方法。

然而按照锻造纤维流线的分布特点来看，大型船用曲轴的锻造方法，也可以归纳为三种，即切断纤维锻造和半连续纤维锻造以及全纤维锻造。

由于其锻造的纤维分布形式各不相同，它们的锻造方法也各有所不同。

近年来随着制造业快速发展和船舶制造业的崛起，大型船用曲轴的市场发展潜力巨大。

随着国内生产大型船用曲轴机械加工能力的不断增强，大型船用曲轴的锻件毛坯市场需求量逐年增多。

大型船用曲轴的切断纤维锻造

大型船用曲轴的切断纤维锻造是将钢锭压成曲柄销所要求的扁方，再用机械切削加工的方法，把曲轴的主轴颈和曲柄销轴颈加工出来，用电感应加热炉进行局部加热，再扭曲柄销，达到曲柄销所要求的相位角度。

采用这种锻造方法，切断了曲轴的主轴颈和曲柄销轴颈与曲柄臂结合处的锻造纤维，降低了大型船用曲轴的承载能力。

特别是通过切削加工之后，钢锭心部缺陷（如疏松、偏析等）暴露于主轴颈和曲柄销轴颈的表面，引起应力集中，影响了曲轴的疲劳强度。

这种锻造方法，在实际生产中废品率比较高，同时因局部加热扭曲柄销轴颈，造成变形不均匀。

当扭曲柄销轴颈的角度较大时，还很容易产生裂纹。因此，在实际生产中尽量不用这种方法。

只有当形状特殊，结构非常紧凑，采用其他方法难以锻出成形的曲轴时，才不得不用这种方法。

大型船用曲轴的半连续纤维锻造

大型船用曲轴的半连续纤维锻造是将钢锭压成一定截面的坯料，如六个曲柄销的曲轴压成六方形截面，或三角形截面等。

八个曲柄销的曲轴压成正方形截面，然后号印错移，最后再压成曲柄销所要求的相位角度。大型船用曲轴的半连续纤维锻造方法。

虽然克服了切断纤维锻造中的许多缺点，但是由于半连续纤维锻造操作工艺方法复杂，一般操作人员很难掌握操作技巧，导致锻件易出现锻造缺陷，甚至因机械加工余量不足而报废。

因此，采用半连续纤维锻造方法生产大型船用曲轴，需要具有丰富实践经验的高技能锻工。

大型船用曲轴的半连续纤维锻造，在操作过程中应注意以下问题：加热要均匀，防止变形时偏心；锻六方坯时，一定要准确以免影响曲柄销的相位角度。

号印时，可以用模型校对，注意不要号错，印不要号斜；错移曲柄销时，V形砧的位置要准确，垫砧要合适，并注意轴颈不要拉长，错挤移量一定要保证。

拍（挤）压曲柄销时，注意曲柄臂角度；压曲柄销修整时，如果曲柄销圆角材料不足，可用半圆铁辗压。

鉴于上述原因，大型船用曲轴的半连续纤维锻造也仅适用于单件或小批量生产。

大型船用曲轴的全纤维锻造

按照切断纤维锻造和半连续纤维锻造生产的大型船用曲轴毛坯，由于其曲轴上的主轴颈和曲柄销轴颈以及曲柄臂两侧面都需要经过机械加工来达到毛坯制造尺寸。

从而造成大型船用曲轴锻件毛坯的热变形纤维组织被机械切削加工切断，使坯料心部的缺陷外露而降低了大型船用曲轴力学性能和正常工作时运转的安全可靠性。

大型船用曲轴的全纤维锻造，是目前曲轴锻造中的一种先进锻造工艺。

即可以在专用的水压机或液压机上锻造也可以在普通的水压机或液压机上设置专用工艺装备来锻造。

大型船用曲轴全纤维锻造的曲轴毛坯，金属热变形纤维沿锻件外形连续分布，坯料的中心线与曲轴的轴心线基本重合，经过切削加工后，金属纤维不被切断，坯料心部偏析、夹杂等缺陷也不外露。

因而明显地提高了曲轴力学性能和正常工作时运转的安全可靠性。

同时可以采用较细的坯料直径，显著地减少了毛坯的加工余量。

实际生产已经证明，采用全纤维锻造生产的大型船用曲轴毛坯比采用其他锻造生产的大型船用曲轴毛坯，可以节约金属材料约34%、缩短切削加工工时约28%、减少废品、减轻劳动强度、提高生产率。

大型船用曲轴的全纤维错挤锻造

大型船用曲轴的全纤维锻造工艺方法有两种：错挤锻造和镦挤锻造。

全纤维错挤锻造工艺是将坯料放置在模具内将曲柄销逐个锻出，曲柄销错挤成形。

将预制好的坯料放入模具后，在纵向压力的作用下，水压机或液压机的活动横梁带动上模具压头向下错移两个曲柄臂，同时推挤曲柄销轴颈，直到曲柄销和曲柄臂成形。

大型船用曲轴的全纤维错挤成形，需要通过制坯和错挤两个工序来完成。

（1）大型船用曲轴的制坯

钢锭经过压钳把、倒棱、拔长成圆形截面，电感应加热出炉后，在制坯模内，按曲轴的曲柄销数分别摔圆、压痕、分段。

坯料压痕前先通过圆弧摔，使坯料上曲柄臂部分的直径保持均匀一致。

在上模不断抬起和压下的过程中，坯料不断地旋转，待上下模压合后，曲轴所需的主轴颈、曲柄臂、曲柄销轴颈等部分坯料，便由三对圆弧压痕模块压痕分段。

然后使用曲轴制坯模，1，3，6，8.主轴颈压痕模块2，7.曲柄销轴颈压痕模块4，5.圆弧摔形模块。

进下一个曲柄销长度进行压痕分段，直至完成全部曲柄销数的制坯为止。

大型船用曲轴的曲柄销错挤成形

坯料经过制坯，再经过电感应加热后，便可以在成形模内逐拐错挤成形。

它是一个已经成形的曲柄销，待错挤下一曲柄销之前的初始位置。

当制坯后的曲轴放在下模上时，已成形的曲柄销轴颈与待成形曲柄销轴颈之间的夹角为120。

下模支承块的模槽各托住相邻两个主轴颈中间的待成形曲柄销上的两个曲柄臂的一半，两个曲柄臂的另一半坯料各卡在上模具冲压头左右两侧面的模槽内。

当上模具在水压机或液压机的活动横梁带着向下运动时，先以节距板卡紧左右两端的主轴颈。

与此同时上模具的冲压头两侧面模槽和下模具支承块的模槽，对曲柄臂部分的坯料进行挤压剪切变形，但曲柄销轴颈的中心线尚未移动。

当上模继续下降时，模具上冲压头凹挡底部接触到曲柄销轴颈，并使其错移而变薄拉伸，直到上、下模闭合曲柄销和曲柄臂在模具内成形。

最后上模具抬起，曲柄销和曲柄臂由顶出器顶起，即锻完一个曲柄销轴颈的成形。这样连续进行下去，直到错挤出全部曲柄销轴颈为止。

大型船用曲轴的全纤维锻造采用错挤锻造工艺生产，在制坯过程中，其制坯尺寸要合理，否则将影响曲轴毛坯尺寸和操作。

这种方法，模缸1上，左上斜块6与左夹紧油缸1安装在上连接架24的左侧。右上模块20和右上模块座21固定在一起安装在右夹紧油缸23上，右上斜块18与右夹紧油缸23安装在上连接架24的右侧。

中间上模块22安装在上连接架24的中间位置。上连接架24通过螺钉与水压机或液压机的活动横梁连接。

左下模块5和左下模块座8固定在一起，与左下斜块7共同安装在左滑动模座9上。中间下模块11与中间下油缸12连接在一起固定在底座13上。

右下模块19和右下模块座16固定在一起，与右下斜块17共同安装在右滑动模座15上。

左油缸10和左滑动模座9与右油缸14和右滑动模座15共同安装在底座加热后的坯料放入下模块（具）内。

定位后，开动水压机（或液压机）工作台，将下模块（具）移到水压机或液压机下，待上、下模块（具）对准定位以后，水压机或液压机的活动横梁带动上连接架24下压。

这时左、右夹紧油缸1、23加压，左、右上斜块6、18推13上。

底座13固定在水压机或液压机的工作台上。

具结构简单，生产成本较低，所需的水压机或液压机吨位比较小，模具更换比较方便。

大型船用曲轴的全纤维镦挤锻造

大型船用曲轴的全纤维镦挤锻造就是利用曲轴本身的结构形状特点，使坯料在模具内将曲柄销轴颈逐个锻出。

全纤维镦挤锻造的大型船用曲轴坯料和锻件。这种锻造工艺是目前所有生产最先进的。

右下斜块7、17通过左、右滑动模座9、15和左、右模块座2、8、16、21带动左、右，上、下模块（具）3、5、20、19同时向中间移动，左油缸10和右油缸14也一同加压。

这时中间下油缸12推动中间下模块11与中间上模块22夹紧曲柄销轴颈并向下移动，挤压曲柄臂坯料，直到曲柄销轴颈和曲柄臂成形。

然后活动横梁上升带动上模块（具）和中间上模块提起，下中间油缸升起推动中间下模块动全纤维镦挤锻造曲轴坯料和锻件。

大型船用曲轴毛坯锻造手段中最为先进的一种工艺。

曲柄销镦挤成形过程中的工作原理。车削合格的大型船用曲轴毛坯料段，经电感应局部加热（需要镦挤的曲柄销和曲柄臂）。

当两个曲柄臂在横向压力作用下镦粗到一定程度时，纵向压力开始向下推挤曲柄销轴颈，在镦粗和推挤的联合作用下，使曲柄销轴颈和曲柄臂在模具内成形，即镦挤完一个曲柄销轴颈和曲柄臂。

这样连续进行下去，直到镦挤出全部曲柄销轴颈和曲柄臂为止，也就完成了一根全纤维大型船用曲轴毛坯的镦挤工作。

大型船用曲轴的全纤维镦挤锻造，所用专用工艺装备有传统的液压楔式结构和改进后的液压铰链式结构两种形式。

顶出曲轴后，左、右侧缸将左、右滑动模座推开，再继续镦挤另一曲柄销。

10加压带动中间上、下模块19、9夹紧曲柄销轴颈并向下移动，挤压曲柄臂坯料，直到曲柄销轴颈和曲柄臂成形。

然后活动横梁上升带动上模块（具）和中间上模块提起，下中间油缸升起推动中间下模块顶出曲轴后，左、右油缸将左、右滑动模座推开，再继续镦挤另一曲柄销。

结论

经现场生产证明，大型船用曲轴的全纤维镦挤锻造，采用改进后的液压铰链式结构工装最为合理。

这种结构装置的最大优点是在镦挤过程中，随着连杆倾斜α角的逐渐变小，水平分力增加，镦挤压力逐渐变大。这与曲柄臂在挤压过程中，随着曲柄臂挤压面积的增大，所需变形力增大的需要。