基于RR法某4列压缩机曲轴锻造成形工艺研究

文／唐艳，杜绍贵·中车资阳机车有限公司

压缩机在工业生产各个领域得到广泛应用，其核心部件之一曲轴结构形式多种多样。目前，压缩机曲轴锻件的主要成形工艺有自由锻和模锻两种，其中，模锻包含整体模锻和镦锻两种方法，整体模锻方法如模锻压缩机曲轴锻造新工艺，镦锻方法如一种大型七拐压缩机曲轴TR镦锻成形技术。某4列曲轴为一款新研制压缩机曲轴，材料42CrMoA，重量678kg，长度2230mm，曲拐半径88.9mm，绕主轴颈中心回转直径φ365mm，相位角90°、180°，从几何特征来初步分析，采用整体模锻成形或镦锻成形，工艺上都有可行性。本文基于现有装备和多年的经验积累，采用RR镦锻法对4列压缩机曲轴锻造成形工艺开展研究、试验，完成该曲轴锻件的研制并实现“近净成形”。

图1 4列压缩机曲轴成品结构尺寸简图

4列压缩机曲轴成品结构尺寸

图1所示为4列压缩机曲轴成品结构尺寸简图，该曲轴有以下特点：

⑴曲拐角度分布。该曲轴有4个曲拐，曲拐1和曲拐2、曲拐3和曲拐4分别呈180°分布，如果把曲拐1和曲拐2、曲拐3和曲拐4分别视为一个整体，则两者之间呈90°分布。

⑵曲柄几何尺寸。除曲柄2、曲柄5厚度为82.6mm外，其余曲柄1、曲柄3、曲柄4、曲柄6厚度均为73mm。而外形尺寸，曲柄1～6完全相同，为椭圆形，长轴365mm，短轴242mm，长短轴之比约1.51。

⑶曲拐结构。从图1可以看出，该曲轴2个曲拐由2个连杆颈+3个曲柄构成，曲柄2为1、2曲拐共用曲柄；曲柄5为3、4曲拐共用曲柄。

⑷中间长轴颈。由曲拐1、曲拐2和曲拐3、曲拐4构成的2个曲拐整体之间有长度为724mm长的轴颈。

4列压缩机曲轴成品结构尺寸特点，与柴油机曲轴相比有相似之处，也有不同之处，见图2。通常柴油机曲柄椭圆长短轴之比小于1.3，中间没有长轴颈，而最大的不同之处是2个曲拐共用中间曲柄。

4列压缩机曲轴RR镦锻成形工艺方案

针对4列压缩机曲轴成品结构尺寸特点以及现有装备条件，该曲轴采用RR镦锻法锻造成形，工艺方案如下。

图2 4列压缩机曲轴与柴油机曲轴2拐示意图

⑴曲轴锻件成形顺序。RR镦锻法工艺特点之一是加热一拐、锻造一拐，为减轻锻造过程中换模工作量，锻造成形顺序是第1、第3、第2、第4曲拐或者是第4、第2、第3、第1曲拐。

⑵共用曲柄成形。RR镦锻法在锻造没有共用曲柄的曲轴坯料时，可一火次完成一个曲拐的终锻；而对于有共用曲柄的曲轴坯料，以第1、第2曲拐为例，锻造第1曲拐时，曲柄1终锻，而共用曲柄即曲柄2只能预成形，否则就不能实现第2曲拐成形，即共用曲柄需要两火次才能完成终锻，这一点是RR镦锻4列压缩机曲轴成形工艺方案的核心，见图3。

4列压缩机曲轴锻造工艺设计

锻件设计

运用“近净成形”设计理念，减小加工余量、节省材料，并综合考虑调质热处理变形及必要加工留量，设计如图4所示4列压缩机曲轴锻件。

坯料设计

图3 压缩机曲轴两拐成形示意图

图4 4列压缩机曲轴锻件图

图5 4列压缩机曲轴坯料

坯料设计的主要依据是锻件图，同时考虑火耗与飞边，原则是在保证曲轴锻件质量的同时兼顾减少材料消耗。但对4列压缩机曲轴锻件坯料，还需要考虑共用曲柄两次变形这个重要因素。曲柄1、曲柄3、曲柄4、曲柄6坯料重81.2kg，依据RR法坯料设计经验，试选坯料直径φ260mm，由此确定其坯料规格为φ260mm×195mm。曲柄2、曲柄5坯料重102kg，根据锻件图，可以得出曲柄臂1、曲柄臂3、曲柄臂4、曲柄臂6的全部水平镦粗量为195-95=100mm，共用曲柄(即曲柄2、曲柄5)需两次变形，其坯料长度应为100×2+105=305mm，综合考虑坯料重量、坯料长度以及利于充满且不产生缺陷因素，4列压缩机曲轴坯料如图5所示。

模具设计

弯曲模设计

不同于柴油机曲轴将曲柄成形型腔置于弯曲上、下模内，4列压缩机曲轴锻件由于共用曲柄需要预锻、终锻两个火次，而预锻、终锻型腔是完全不相同的，因此只能在弯曲上、下模内设计辅助型腔，将曲柄预成形、成形型腔设置在弯曲上、下模两侧的成形模内，如图6所示。

共用曲柄预成形模设计

由于共用曲柄需要预锻、终锻两火次成形，而预成形工步非常关键，预成形模结构尺寸合理与否，直接影响共用曲柄的终锻效果。预成形模设计主要考虑以下三个因素：⑴预成形模有足够容纳共用曲柄坯料的预成形型腔；⑵坯料预成形形状、尺寸有利于共用曲柄终成形；⑶预成形坯料能够轻松的放入终锻模膛。

图6 镦锻模具组装示意图

通过模拟分析后，设计的预成形模型腔如图7(a)所示。模具左端截面为椭圆形，右端截面为φ225mm的圆形，横截面为R200mm的圆弧段。三维造型计算预成形模型腔所能容纳的曲轴坯料重为113kg，大于共用曲柄的坯料重量102kg，可见预成形模型腔足够。共用曲柄坯料预成形后的截面轮廓与其终锻轮廓线如图7(b)所示。从图7(b)中可以看出，共用曲柄坯料预成形形状近似于其终锻形状，有利于终锻成形；同时，二者之间最小间隙7mm，该间隙能够保证预成形坯料轻松放入终锻型腔。

图7 预成形模设计

图8 4列曲轴两拐试验过程照片

两拐成形试验验证

根据4列压缩机曲轴成品结构尺寸特点，可把第1、第2曲拐视为一个整体，它和第3、第4曲拐是完全相同的，即两者的锻造工艺参数是完全相同的，解决了第1、第2曲拐的成形，自然就解决了第3、4曲拐的成形，也即完成了4列压缩机曲轴锻件的研制。

图8(a)、(b)、(c)分别为两拐坯料、共用曲柄预成形、两拐终锻成形的照片。两拐试验件成形效果良好：3个曲柄充填饱满，中间共用曲柄厚度尺寸完全符合要求，曲拐半径满足工艺要求，表面无锻造缺陷，且锻造过程中入模、脱模顺畅，锻件加工余量分布均匀。试验结果表明试验选取的工艺参数正确、可靠，可以进行整轴生产验证。

结束语

4列压缩机曲轴锻件成形工艺的关键是共用曲柄的预成形及终锻，本文应用经验设计和现场实物锻造试验相结合的传统方法，对4列压缩机曲轴锻造成形工艺进行研究、试验，完成了4列压缩机曲轴锻件的研制，实现了批量生产；优化曲柄锻件外形，在满足成形要求的基础上，实现了“近净成形”，将材料利用率提高到51.6%；基于RR法的4列压缩机曲轴锻造成形工艺研究，为类似的压缩机曲轴实现RR、TR模锻代替自由锻提供了参考和借鉴。