大功率柴油機凸輪軸精鍛技術研究

李志廣， 張建穎， 周艷紅， 邢 鵬， 李 萌， 馬 強

（1.山西柴油機工業有限責任公司， 山西 大同 037036；2.北京辰安科技股份有限公司， 北京 100085；3.陸軍駐大同地區軍事代表室， 山西 大同 037036）

0 引 言

大功率柴油機凸輪軸是用于裝甲裝備和艦船裝備動力系統的關鍵件，分為進氣凸輪軸與排氣凸輪軸，材料牌號多為20CrMnTi、20CrMnMo等，總長一般為1 000～1 500 mm。大功率柴油機凸輪軸只有經過鍛造加工，才能確保其使用時高優質性、高可靠性和高安全性。

“精鍛”是“精密鍛造”或“精密級鍛造”的簡稱，是一種近凈鍛造技術。鍛件精度是大功率柴油機凸輪軸鍛造所涉及的關鍵和共性技術問題之一，GB/T 12362《鋼質模鍛件 公差及機械加工余量》定義鍛件精度分為：普通級和精密級[1]；GB/T 8541《鍛壓術語》定義對應的鍛件分為：普通精度鍛件和精密精度鍛件[2]。趙震等結合精鍛技術發展現狀，闡述了以溫鍛-冷鍛、分流鍛造、流動控制、沖鍛復合與閉塞鍛造等為主流精鍛技術的研究、應用和發展趨勢[3]；夏巨諶等結合中、美、日、德等國家精鍛技術發展現狀，證實了以復雜回轉體件流動控制、復雜組合體件鍛造、復雜枝芽件小飛邊鍛造等為主流精鍛技術研究、應用和發展趨勢[4]。到目前為止，尚未見有關于大功率柴油機凸輪軸在模鍛錘設備上實現精鍛的研究報道；李志廣等致力于鍛造及鍛造與鑄造、沖壓和熱處理等協同精密制造技術的精鍛研究[5,6]，研發了在模鍛錘設備上實現大功率柴油機凸輪軸精鍛[7]、連桿精鍛[8]、連接銷鍛擠復合[9]、扳手精鍛[10]、大型刮板鑄鍛復合[11]、吊環精鍛[12]、齒弧鍛沖復合[13]、雙面模膛鍛模[14]以及長壽命切邊模結構[15]、精準卸除飛邊方法[16]等多項精鍛專利技術，這些技術具有差異化、個性化和綠色化鍛造特點，在鍛造實踐中應用效果良好。

大功率柴油機凸輪軸熱模鍛可采用模鍛錘、模鍛液壓機、曲柄熱模鍛壓力機、液壓螺旋壓力機、電動螺旋壓力機等鍛造設備，當在模鍛錘設備上鍛造成形時，鍛件精度達到GB/T 12362普通級則相對容易，但要達到GB/T 12362精密級相當困難[5-18]。因此，只有既遵循鍛造基本原理又另辟蹊徑，才能破解大功率柴油機凸輪軸在模鍛錘設備上達到精密級的關鍵和共性技術難題[7,19-21]。

1 鍛件精度預測與確定的原則

在鍛造實踐中，鍛件精度預測與確定應優先堅持以下原則：①以繪制的鍛件毛坯圖確定鍛件形狀復雜系數S（如0.63

2 凸輪軸鍛造工藝性分析

大功率柴油機凸輪軸鍛造工藝過程：下料→加熱→模鍛（制坯和終鍛）→切邊→熱校正→冷卻。鍛造溫度經歷由高到低的變化過程：最高加熱溫度→滾擠制坯開始溫度→始鍛溫度→終鍛溫度→熱切邊溫度→熱校正溫度→最后冷卻至室溫。因從輸入最高加熱溫度（1 250～1 200 ℃）到輸出最終室溫（20 ℃）的鍛造溫度變化梯度大，在鍛造過程中的凸輪軸熱模鍛件總長實際熱脹冷縮量大（15.0～23.0 mm）且不均勻，其中在熱校正時，易產生啃傷凸輪外側且距離凸輪軸長度基準線越遠的凸輪外側面啃傷越嚴重，或在冷卻后易產生總長尺寸不均勻地超上差（3.0～6.0） mm，且在距凸輪軸長度基準線越遠的凸輪外側的超上差量高達（2.0～4.0） mm，最終導致凸輪軸鍛件GB/T 12362普通級合格率最高為96%。在傳統鍛造實踐中，提高凸輪軸鍛件合格率的常用方法是采用將“等寬凸輪”變為“加寬凸輪”（即被動增大凸輪寬度結構的機加工余量）等補償方法。因此大功率柴油機凸輪軸在模鍛錘設備上成形的鍛件精度達到GB/T 12362普通級要求都較難，而實際的要求是大功率柴油機凸輪軸鍛件精度為GB/T 12362精密級，如圖1所示。

圖1 凸輪軸精鍛件毛坯圖

3 凸輪軸精鍛的關鍵技術

大功率柴油機凸輪軸精鍛技術：在綜合考慮鍛造材料牌號與規格、鍛造形狀與尺寸、加熱條件與方法、工藝過程與方法、模鍛錘設備與特點、鍛模設計與制造、鍛造操作與冷卻方式等條件下，一種優化和精準控制鍛模結構與尺寸、金屬冷卻收縮率、鍛造始鍛溫度、終鍛溫度、熱切邊溫度與熱校正溫度、鍛造滾擠制坯、終鍛和熱校正錘擊次數以及“鍛造（滾擠制坯、終鍛）→熱切邊→熱校正”操作時間等多維度、多層級、多變量的集成精鍛技術。

在模鍛錘設備上實現大功率柴油機凸輪軸精鍛應重點解決的關鍵技術：①鍛模結構設計與鍛件精度關系；②鍛造金屬冷卻收縮與鍛件精度關系；③鍛造工藝溫度與鍛件精度關系；④鍛造錘擊次數與鍛件精度關系；⑤鍛造操作時間與鍛件精度關系；⑥鍛模結構與尺寸、鍛造金屬冷卻收縮率、鍛造工藝溫度、鍛造錘擊次數和鍛造操作時間等共同作用與鍛件精度關系。

4 凸輪軸精鍛實施過程

4.1 優化凸輪軸精鍛鍛模結構與尺寸

凸輪軸精鍛模結構具有緊湊、流程短、功能多、使用壽命長、制造成本低等特點，主要包括：①1個縱向共用滾擠模膛，可為任意一個終鍛模膛分別提供進氣凸輪軸或排氣凸輪軸滾擠制坯坯料；②2個縱向并排1模2鍛的終鍛模膛，進氣凸輪軸和排氣凸輪軸鍛件分別使用1個終鍛模膛，具有相同或相近的使用功能和使用壽命；③1個左縱向右對角精密導向鎖扣，將進氣凸輪軸和排氣凸輪軸鍛件共用滾擠模膛設置在左縱向導向鎖扣上，既可實現鍛模精密導向又可減小鍛模寬度尺寸；④2個并排縱向終鍛模膛中心線位于鍛模燕尾寬度范圍內，鍛模尺寸與偏心力矩小，既能滿足使用強度要求又能滿足使用功能要求。通過優化凸輪軸精鍛鍛模結構與尺寸，最終成形的鍛件可達到凸輪軸精鍛尺寸要求，凸輪軸精鍛鍛模結構如圖2所示。

圖2 凸輪軸精鍛鍛模簡圖

4.2 優化和控制精鍛金屬冷卻收縮率

金屬冷卻收縮量與冷卻收縮率有關。傳統金屬熱模鍛件尺寸L、金屬冷模鍛件尺寸l以及金屬熱模鍛件冷卻收縮率δ之間的數學關系式為：

式中：L——金屬熱模鍛件尺寸，mm；l——金屬冷模鍛件尺寸，mm；δ——金屬熱模鍛件冷卻收縮率，%。

凸輪軸精鍛件從長度基準線到凸輪外側長度尺寸的實際金屬冷卻收縮率δN與凸輪軸精鍛件從長度基準線到凸輪外側長度尺寸的基準金屬冷卻收縮率δ0、凸輪軸精鍛件從長度基準線到凸輪外側長度尺寸的優選金屬冷卻收縮率遞增級差δn-1的數學關系式為：

式中：δN——凸輪軸精鍛件從長度基準線到凸輪外側長度尺寸的實際金屬冷卻收縮率，%，為依次遞增變化的具體數值，N＝1，2，3……，表示凸輪組數量，每一凸輪組的凸輪數量為2N；δ0——凸輪軸精鍛件從長度基準線到凸輪外側長度尺寸的基準金屬冷卻收縮率，%，為相同不變的基準數值；δn-1——凸輪軸精鍛件從長度基準線到凸輪外側長度尺寸的優選金屬冷卻收縮率遞增級差，%，為相同不變的具體數值，n＝1，2，3……，表示凸輪組次序數，以距離長度基準線最近的第1組凸輪為起點次序數。

通過優化和控制凸輪軸鍛造實際金屬冷卻收縮率，最終成形的鍛件可達到凸輪軸精鍛尺寸要求。

4.3 優化和控制精鍛工藝溫度

凸輪軸傳統鍛造一般只規定了鍛造始鍛溫度和終鍛溫度，事實上鍛造涉及的始鍛溫度、終鍛溫度、熱切邊溫度和熱校正溫度等都影響凸輪軸模鍛件長度方向的尺寸精度。

（1）優化和控制凸輪軸精鍛始鍛溫度可為最終成形的鍛件達到精鍛尺寸要求提供條件。凸輪軸精鍛始鍛溫度Ti與鍛造允許最低始鍛溫度Timin、鍛造允許最高始鍛溫度Timax的數學關系式為：

式中：Ti——精鍛始鍛溫度，℃；Timin——鍛造允許最低始鍛溫度，℃；Timax——鍛造允許最高始鍛溫度，℃；TiΔ1——鍛造最低始鍛溫度條件下再增加的溫度值，℃；TiΔ2——鍛造最高始鍛溫度條件下再減少的溫度值，℃。

（2）優化和控制凸輪軸鍛造終鍛溫度也可為最終成形的鍛件達到精鍛尺寸要求提供條件。凸輪軸精鍛終鍛溫度Tf與熱模鍛允許最低終鍛溫度Tfmin的數學關系式為：

式中：Tf——精鍛終鍛溫度，℃；Tfmin——鍛造允許的最低終鍛溫度，℃；TfΔ——鍛造最低終鍛溫度條件下再增加的溫度值，℃。

（3）優化和控制凸輪軸精鍛熱切邊溫度也可為最終成形的鍛件達到精鍛尺寸要求提供條件。凸輪軸精鍛熱切邊溫度Tt與精鍛終鍛溫度Tf的數學關系式為：

式中：Tt——精鍛熱切邊溫度，℃；Tf——精鍛終鍛溫度，℃；TfΔ——精鍛終鍛溫度條件下再減少的溫度值，℃。

（4）優化和控制凸輪軸精鍛熱校正溫度也可為最終成形的鍛件達到精鍛尺寸要求提供條件。凸輪軸精鍛熱校正溫度Ts與優化和精鍛熱切邊溫度Tt的數學關系式為：

式中：Ts——精鍛熱校正溫度，℃；Tt——精鍛熱切邊溫度，℃；TtΔ——精鍛熱切邊溫度條件下再減少的溫度值，℃。

4.4 優化和控制精鍛錘擊次數

凸輪軸鍛造滾擠制坯、終鍛成形、熱校正等的錘擊次數與鍛造制坯溫度、終鍛溫度、熱校正溫度以及金屬冷卻收縮率密切相關，鍛造錘擊次數過多或過少，會導致凸輪軸鍛造始鍛溫度、終鍛溫度、熱校正溫度過低或過高、金屬冷卻收縮率變小或變大。

4.5 優化和控制精鍛操作時間

凸輪軸鍛造金屬冷卻收縮率與“鍛造（滾擠制坯、終鍛）→熱切邊→熱校正”各工步的操作時間有關，操作時間過長或過短，都會導致凸輪軸鍛造終鍛溫度、熱切邊溫度、熱校正溫度的過低或過高、金屬冷卻收縮率變小或變大。通過優化和控制凸輪軸鍛造操作時間，可為最終成形的鍛件達到精鍛尺寸要求提供條件。

4.6 實施效果

大功率柴油機凸輪軸精鍛成形經上述操作并實際驗證，最終取得了顯著且可量化的應用效果：可拓展現有鍛造工藝、鍛模和模鍛錘設備等使用功能和使用范圍，將凸輪軸模鍛件合格率由GB/T 12362普通級96%提高到精密級98%以上，不僅達到精鍛尺寸要求，而且在形狀、尺寸和質量等關鍵技術質量指標上具有均質性、穩定性和一致性，如圖3所示。

圖3 凸輪軸精鍛件實物

5 結束語

（1）綜合考慮鍛造材料牌號與規格、鍛造形狀與尺寸、加熱條件與方法、工藝過程與方法、模鍛錘設備與特點、鍛模設計與制造、鍛造操作與冷卻方式等條件的基礎上，解決了在模鍛錘設備上實現大功率柴油機凸輪軸精鍛的關鍵與共性技術難題。

（2）大功率柴油機凸輪軸精鍛技術是優化和控制鍛模結構與尺寸、金屬冷卻收縮率、鍛造始鍛溫度、終鍛溫度、熱切邊溫度與熱校正溫度、鍛造滾擠制坯、終鍛、熱校正錘擊次數以及“鍛造（滾擠制坯、終鍛）→熱切邊→熱校正”操作時間等多維度、多層級、多變量的集成精鍛技術。

（3）替代了傳統鍛造工藝，拓展了現有鍛造工藝、鍛模和模鍛錘設備的使用功能和使用范圍，將凸輪軸鍛件合格率由普通級96%提高到精密級98%以上，在形狀、尺寸和質量等關鍵技術質量特性指標上具有均質性、穩定性和一致性，具有應用的有效性和廣泛性。