大功率柴油机凸轮轴精锻技术研究

李志广， 张建颖， 周艳红， 邢 鹏， 李 萌， 马 强

（1.山西柴油机工业有限责任公司， 山西 大同 037036；2.北京辰安科技股份有限公司， 北京 100085；3.陆军驻大同地区军事代表室， 山西 大同 037036）

0 引 言

大功率柴油机凸轮轴是用于装甲装备和舰船装备动力系统的关键件，分为进气凸轮轴与排气凸轮轴，材料牌号多为20CrMnTi、20CrMnMo等，总长一般为1 000～1 500 mm。大功率柴油机凸轮轴只有经过锻造加工，才能确保其使用时高优质性、高可靠性和高安全性。

“精锻”是“精密锻造”或“精密级锻造”的简称，是一种近净锻造技术。锻件精度是大功率柴油机凸轮轴锻造所涉及的关键和共性技术问题之一，GB/T 12362《钢质模锻件 公差及机械加工余量》定义锻件精度分为：普通级和精密级[1]；GB/T 8541《锻压术语》定义对应的锻件分为：普通精度锻件和精密精度锻件[2]。赵震等结合精锻技术发展现状，阐述了以温锻-冷锻、分流锻造、流动控制、冲锻复合与闭塞锻造等为主流精锻技术的研究、应用和发展趋势[3]；夏巨谌等结合中、美、日、德等国家精锻技术发展现状，证实了以复杂回转体件流动控制、复杂组合体件锻造、复杂枝芽件小飞边锻造等为主流精锻技术研究、应用和发展趋势[4]。到目前为止，尚未见有关于大功率柴油机凸轮轴在模锻锤设备上实现精锻的研究报道；李志广等致力于锻造及锻造与铸造、冲压和热处理等协同精密制造技术的精锻研究[5,6]，研发了在模锻锤设备上实现大功率柴油机凸轮轴精锻[7]、连杆精锻[8]、连接销锻挤复合[9]、扳手精锻[10]、大型刮板铸锻复合[11]、吊环精锻[12]、齿弧锻冲复合[13]、双面模膛锻模[14]以及长寿命切边模结构[15]、精准卸除飞边方法[16]等多项精锻专利技术，这些技术具有差异化、个性化和绿色化锻造特点，在锻造实践中应用效果良好。

大功率柴油机凸轮轴热模锻可采用模锻锤、模锻液压机、曲柄热模锻压力机、液压螺旋压力机、电动螺旋压力机等锻造设备，当在模锻锤设备上锻造成形时，锻件精度达到GB/T 12362普通级则相对容易，但要达到GB/T 12362精密级相当困难[5-18]。因此，只有既遵循锻造基本原理又另辟蹊径，才能破解大功率柴油机凸轮轴在模锻锤设备上达到精密级的关键和共性技术难题[7,19-21]。

1 锻件精度预测与确定的原则

在锻造实践中，锻件精度预测与确定应优先坚持以下原则：①以绘制的锻件毛坯图确定锻件形状复杂系数S（如0.63

2 凸轮轴锻造工艺性分析

大功率柴油机凸轮轴锻造工艺过程：下料→加热→模锻（制坯和终锻）→切边→热校正→冷却。锻造温度经历由高到低的变化过程：最高加热温度→滚挤制坯开始温度→始锻温度→终锻温度→热切边温度→热校正温度→最后冷却至室温。因从输入最高加热温度（1 250～1 200 ℃）到输出最终室温（20 ℃）的锻造温度变化梯度大，在锻造过程中的凸轮轴热模锻件总长实际热胀冷缩量大（15.0～23.0 mm）且不均匀，其中在热校正时，易产生啃伤凸轮外侧且距离凸轮轴长度基准线越远的凸轮外侧面啃伤越严重，或在冷却后易产生总长尺寸不均匀地超上差（3.0～6.0） mm，且在距凸轮轴长度基准线越远的凸轮外侧的超上差量高达（2.0～4.0） mm，最终导致凸轮轴锻件GB/T 12362普通级合格率最高为96%。在传统锻造实践中，提高凸轮轴锻件合格率的常用方法是采用将“等宽凸轮”变为“加宽凸轮”（即被动增大凸轮宽度结构的机加工余量）等补偿方法。因此大功率柴油机凸轮轴在模锻锤设备上成形的锻件精度达到GB/T 12362普通级要求都较难，而实际的要求是大功率柴油机凸轮轴锻件精度为GB/T 12362精密级，如图1所示。

图1 凸轮轴精锻件毛坯图

3 凸轮轴精锻的关键技术

大功率柴油机凸轮轴精锻技术：在综合考虑锻造材料牌号与规格、锻造形状与尺寸、加热条件与方法、工艺过程与方法、模锻锤设备与特点、锻模设计与制造、锻造操作与冷却方式等条件下，一种优化和精准控制锻模结构与尺寸、金属冷却收缩率、锻造始锻温度、终锻温度、热切边温度与热校正温度、锻造滚挤制坯、终锻和热校正锤击次数以及“锻造（滚挤制坯、终锻）→热切边→热校正”操作时间等多维度、多层级、多变量的集成精锻技术。

在模锻锤设备上实现大功率柴油机凸轮轴精锻应重点解决的关键技术：①锻模结构设计与锻件精度关系；②锻造金属冷却收缩与锻件精度关系；③锻造工艺温度与锻件精度关系；④锻造锤击次数与锻件精度关系；⑤锻造操作时间与锻件精度关系；⑥锻模结构与尺寸、锻造金属冷却收缩率、锻造工艺温度、锻造锤击次数和锻造操作时间等共同作用与锻件精度关系。

4 凸轮轴精锻实施过程

4.1 优化凸轮轴精锻锻模结构与尺寸

凸轮轴精锻模结构具有紧凑、流程短、功能多、使用寿命长、制造成本低等特点，主要包括：①1个纵向共用滚挤模膛，可为任意一个终锻模膛分别提供进气凸轮轴或排气凸轮轴滚挤制坯坯料；②2个纵向并排1模2锻的终锻模膛，进气凸轮轴和排气凸轮轴锻件分别使用1个终锻模膛，具有相同或相近的使用功能和使用寿命；③1个左纵向右对角精密导向锁扣，将进气凸轮轴和排气凸轮轴锻件共用滚挤模膛设置在左纵向导向锁扣上，既可实现锻模精密导向又可减小锻模宽度尺寸；④2个并排纵向终锻模膛中心线位于锻模燕尾宽度范围内，锻模尺寸与偏心力矩小，既能满足使用强度要求又能满足使用功能要求。通过优化凸轮轴精锻锻模结构与尺寸，最终成形的锻件可达到凸轮轴精锻尺寸要求，凸轮轴精锻锻模结构如图2所示。

图2 凸轮轴精锻锻模简图

4.2 优化和控制精锻金属冷却收缩率

金属冷却收缩量与冷却收缩率有关。传统金属热模锻件尺寸L、金属冷模锻件尺寸l以及金属热模锻件冷却收缩率δ之间的数学关系式为：

式中：L——金属热模锻件尺寸，mm；l——金属冷模锻件尺寸，mm；δ——金属热模锻件冷却收缩率，%。

凸轮轴精锻件从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸的实际金属冷却收缩率δN与凸轮轴精锻件从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸的基准金属冷却收缩率δ0、凸轮轴精锻件从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸的优选金属冷却收缩率递增级差δn-1的数学关系式为：

式中：δN——凸轮轴精锻件从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸的实际金属冷却收缩率，%，为依次递增变化的具体数值，N＝1，2，3……，表示凸轮组数量，每一凸轮组的凸轮数量为2N；δ0——凸轮轴精锻件从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸的基准金属冷却收缩率，%，为相同不变的基准数值；δn-1——凸轮轴精锻件从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸的优选金属冷却收缩率递增级差，%，为相同不变的具体数值，n＝1，2，3……，表示凸轮组次序数，以距离长度基准线最近的第1组凸轮为起点次序数。

通过优化和控制凸轮轴锻造实际金属冷却收缩率，最终成形的锻件可达到凸轮轴精锻尺寸要求。

4.3 优化和控制精锻工艺温度

凸轮轴传统锻造一般只规定了锻造始锻温度和终锻温度，事实上锻造涉及的始锻温度、终锻温度、热切边温度和热校正温度等都影响凸轮轴模锻件长度方向的尺寸精度。

（1）优化和控制凸轮轴精锻始锻温度可为最终成形的锻件达到精锻尺寸要求提供条件。凸轮轴精锻始锻温度Ti与锻造允许最低始锻温度Timin、锻造允许最高始锻温度Timax的数学关系式为：

式中：Ti——精锻始锻温度，℃；Timin——锻造允许最低始锻温度，℃；Timax——锻造允许最高始锻温度，℃；TiΔ1——锻造最低始锻温度条件下再增加的温度值，℃；TiΔ2——锻造最高始锻温度条件下再减少的温度值，℃。

（2）优化和控制凸轮轴锻造终锻温度也可为最终成形的锻件达到精锻尺寸要求提供条件。凸轮轴精锻终锻温度Tf与热模锻允许最低终锻温度Tfmin的数学关系式为：

式中：Tf——精锻终锻温度，℃；Tfmin——锻造允许的最低终锻温度，℃；TfΔ——锻造最低终锻温度条件下再增加的温度值，℃。

（3）优化和控制凸轮轴精锻热切边温度也可为最终成形的锻件达到精锻尺寸要求提供条件。凸轮轴精锻热切边温度Tt与精锻终锻温度Tf的数学关系式为：

式中：Tt——精锻热切边温度，℃；Tf——精锻终锻温度，℃；TfΔ——精锻终锻温度条件下再减少的温度值，℃。

（4）优化和控制凸轮轴精锻热校正温度也可为最终成形的锻件达到精锻尺寸要求提供条件。凸轮轴精锻热校正温度Ts与优化和精锻热切边温度Tt的数学关系式为：

式中：Ts——精锻热校正温度，℃；Tt——精锻热切边温度，℃；TtΔ——精锻热切边温度条件下再减少的温度值，℃。

4.4 优化和控制精锻锤击次数

凸轮轴锻造滚挤制坯、终锻成形、热校正等的锤击次数与锻造制坯温度、终锻温度、热校正温度以及金属冷却收缩率密切相关，锻造锤击次数过多或过少，会导致凸轮轴锻造始锻温度、终锻温度、热校正温度过低或过高、金属冷却收缩率变小或变大。

4.5 优化和控制精锻操作时间

凸轮轴锻造金属冷却收缩率与“锻造（滚挤制坯、终锻）→热切边→热校正”各工步的操作时间有关，操作时间过长或过短，都会导致凸轮轴锻造终锻温度、热切边温度、热校正温度的过低或过高、金属冷却收缩率变小或变大。通过优化和控制凸轮轴锻造操作时间，可为最终成形的锻件达到精锻尺寸要求提供条件。

4.6 实施效果

大功率柴油机凸轮轴精锻成形经上述操作并实际验证，最终取得了显著且可量化的应用效果：可拓展现有锻造工艺、锻模和模锻锤设备等使用功能和使用范围，将凸轮轴模锻件合格率由GB/T 12362普通级96%提高到精密级98%以上，不仅达到精锻尺寸要求，而且在形状、尺寸和质量等关键技术质量指标上具有均质性、稳定性和一致性，如图3所示。

图3 凸轮轴精锻件实物

5 结束语

（1）综合考虑锻造材料牌号与规格、锻造形状与尺寸、加热条件与方法、工艺过程与方法、模锻锤设备与特点、锻模设计与制造、锻造操作与冷却方式等条件的基础上，解决了在模锻锤设备上实现大功率柴油机凸轮轴精锻的关键与共性技术难题。

（2）大功率柴油机凸轮轴精锻技术是优化和控制锻模结构与尺寸、金属冷却收缩率、锻造始锻温度、终锻温度、热切边温度与热校正温度、锻造滚挤制坯、终锻、热校正锤击次数以及“锻造（滚挤制坯、终锻）→热切边→热校正”操作时间等多维度、多层级、多变量的集成精锻技术。

（3）替代了传统锻造工艺，拓展了现有锻造工艺、锻模和模锻锤设备的使用功能和使用范围，将凸轮轴锻件合格率由普通级96%提高到精密级98%以上，在形状、尺寸和质量等关键技术质量特性指标上具有均质性、稳定性和一致性，具有应用的有效性和广泛性。