低速柴油機曲柄熱處理變形控制研究

毛雪芹 祁 波 王國棟 馬曉兵 康 兵

(武漢重工鑄鍛有限責任公司，湖北430084)

曲柄是柴油機運動機構的關鍵部件，其形狀特殊，機械加工部位較多，在熱處理過程中極易發生變形，以致無法滿足產品后續加工要求。在曲柄的各個加工部位中，內檔部位的加工最為復雜，在熱處理過程中變形問題也最為突出。有效控制熱處理過程中曲柄內檔尺寸的變化，是曲柄熱處理變形控制的重點和難點，也是熱處理專業技術人員長期研究和探索的重要課題。

低速柴油機曲柄最常用的材質有M60.6和S34MnV兩種，熱處理方式為正火+正火+回火。分別選用三組材質為S34MnV的某機型曲柄，以不同的裝爐方式進行熱處理，通過對比曲柄在不同裝爐方式下熱處理后內檔尺寸的變化，來確定最為合適的裝爐方式和變形控制措施。

1 試驗過程及試驗方法

1.1 曲柄裝爐方式為豎立式

曲柄的工藝路線為：煉鋼→鍛造→粗加工→熱處理→精加工。

所選用的某機型曲柄，其粗加工圖內檔基本尺寸為179 mm，頸部總厚度基本尺寸為769 mm，如圖1所示。按照我公司曲柄熱處理和機械加工相關要求，熱處理前內檔尺寸需控制在179 mm±5 mm范圍內；熱處理后內檔變形需控制在±10 mm范圍內，即內檔張大和縮小尺寸均不超過10 mm，方可滿足后續精加工要求。首先選用六件曲柄(分別記為①、②、③、④、⑤、⑥)在臺車爐進行正火+正火+回火熱處理，然后對它們的內檔尺寸進行測量，統計數據見表1。

圖1 曲柄粗加工示意圖Figure 1 Schematic diagram of rough machining for crank

由表1中數據可以看出，曲柄在采用豎立式裝爐進行熱處理后，其內檔尺寸明顯增大，其張開尺寸范圍為14～21 mm。六件曲柄熱處理后內檔變形均超出控制范圍，無法滿足后續精加工要求。因此，只有對該六件產品重新進爐加熱后進行校正，以使內檔尺寸符合加工要求。這樣不僅增加了生產成本，也延緩了產品流轉速度。

表1 豎立式裝爐時曲柄的熱處理變形情況Table 1 Heat deformation situations of crank under charging in vertical type 單位：mm

1.2 曲柄裝爐方式為平裝式

同樣地，選用另外六件S34MnV曲柄(分別記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ)進行平裝式裝爐，熱處理工藝仍為正火+正火+回火。然后測量六件曲柄內檔尺寸，統計數據如表2所示。

表2 平裝式裝爐時曲柄的熱處理變形情況Table 2 Heat deformation situations of crank under charging in horizontal type 單位：mm

由表2可見，采用平裝式裝爐時，由于產品自身重力的作用，熱處理后內檔明顯收縮，縮小尺寸范圍為5～19 mm。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ號曲柄內檔縮小尺寸超出控制范圍，無法滿足精加工要求。其余兩件曲柄內檔雖亦有縮小，但滿足加工要求。

1.3 曲柄裝爐方式優化(平裝且內檔塞入墊鐵和楔鐵)

對比表1、表2的數據，對裝爐方式進行優化，即采用平裝式裝爐且在曲柄內檔處塞入墊鐵和楔鐵。如圖2所示，先在曲柄下面放入墊鐵，再在墊鐵上塞入相應規格的楔鐵，并控制好墊鐵和楔鐵放置方向，將楔鐵塞緊。曲柄第一次正火后，曲柄內檔會張大，在第二次正火入爐前重新調整楔鐵高度，略微下降5～10 mm，這樣經第二次正火后，曲柄內檔尺寸與熱處理前基本保持不變，在回火后恰好達到工藝控制要求范圍。

圖2 曲柄裝爐優化示意圖Figure 2 Schematic drawing of improved charging for the crank

按照圖2所示裝爐，又進行了其他六件曲柄(分別記為(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6))的熱處理，然后測量六件曲柄的內檔尺寸，如表3所示。

由表3可知，曲柄平裝式裝爐且在內檔處塞入墊鐵和楔鐵，待熱處理完畢后，其內檔尺寸變化控制在4～6 mm，完全滿足后續精加工要求。

表3 優化裝爐后曲柄的熱處理變形情況Table 3 Heat deformation situations of crank after improved charging 單位：mm

2 分析討論

通過對比曲柄在不同裝爐方式下進行熱處理內檔尺寸的變化，分析如下：

(1)當采用豎立式裝爐，曲柄在加熱時隨著溫度的不斷升高，工件內部應力逐漸增大，而在后續正火出爐冷卻過程中，因工件表層和心部的冷卻速度不一致，導致體積收縮不均而產生熱應力。在熱應力的作用下，由于表層冷卻速度比心部快得多，表層要收縮，而中心溫度尚高阻止表層收縮，對表層產生拉應力，心部則產生壓應力。隨著冷卻過程的繼續進行，由于工件心部最后冷卻，體積收縮不能自由進行而使表層受壓應力、心部受拉應力，即在熱應力的作用下最終使工件表層受壓而心部受拉。這種現象受到冷卻速度、熱處理工藝參數等因素的影響。冷卻速度愈快，冷卻過程中在熱應力作用下產生的不均勻塑性變形愈大，內檔張開愈嚴重。

(2)當采用平裝式裝爐，內檔未塞入墊鐵和楔鐵時，曲柄在加熱時隨著溫度不斷升高，其屈服強度不斷降低，同時在工件內部存在殘余應力(機加應力、鍛造應力等)，當溫度上升到一定程度時，工件各部位屈服強度的變化就會引起不均勻的塑性變形而造成其形狀改變。若上檔支撐不嚴，處于懸臂狀態時，在長時間的高溫過程中，由于重力作用產生高溫蠕變，而使上檔下墜。在兩次正火過程中，上檔與下檔間的尺寸逐漸收縮，形成產品變形。在采用了改進的裝爐方式進行熱處理時，由于在曲柄內檔塞入了合適的墊鐵和楔鐵，在加熱過程中，雖然也會由于工件內部產生應力(主要為熱應力和組織應力)，引起內檔變形，但曲柄上檔的變形受到墊鐵和楔鐵的支撐和阻擋，下墜的力度不足以使產品發生較大變形，因此內檔尺寸變化可控制在較小范圍。

3 結論

(1)無論平裝式或豎立式裝爐，曲柄在熱處理過程中均會發生變形。但相比而言，采用平裝式時曲柄內檔變形量較小。

(2)采用平裝式裝爐，在曲柄內檔塞入墊鐵和楔鐵，并在生產過程中適時加以調整，能夠有效控制曲柄的內檔變形，使其滿足后續加工要求。

(3)低速柴油機曲柄熱處理變形控制的研究，對其他類型產品熱處理變形控制具有借鑒和指導意義。