文/胡卫红
曲柄是主轴颈和连杆轴颈的连接部分，断面为椭圆形，为了平衡惯性力，曲柄处有平衡重块。平衡重块用来平衡发动机不平衡的离心力矩，有时还用来平衡一部分往复惯性力，从而使曲轴旋转平稳。曲轴加工时对动平衡的要求非常高，对生产过程要进行严格的批次管理，对同批次锻造件的一致性和尺寸稳定性提出了极高的要求。曲轴工艺设计和锻造模具制造要求高，锻造过程中控制也是需要精准的把控。
2019 年全国汽车产量达2580 万辆，其中乘用车为2130 万辆，乘用车曲轴年需求2300 万件。轿车曲轴因其形状复杂，安全性要求高，加工余量少，锻造加工中曲轴难度最大，目前具备大批量生产能力的厂家很少。随着产品的更新换代，各大主机厂纷纷投产节能环保型发动机，对曲轴追求高强度和轻量化，特别是乘用车曲轴大批量自动化生产线开始普及，对锻件的要求也不断提高；必须选用节能和高效的锻造工艺才能跟上主机厂的发展。
我们在多年制造过程中对乘用车4 缸曲轴锻造工艺摸索中积累了一些宝贵经验，以下重点对某型轿车的1.5 升4 缸曲轴的锻造工艺特点及实际生产过程中的一些经验进行分析和总结。
典型乘用车曲轴锻造工艺设计要点典型轿车的4 缸曲轴（图1）的锻造，采用水平分模锻造的工艺方式，一般工艺流程为：中频加热→除鳞→制坯（辊锻或压挤）→预锻→终锻→切边、整形→控温冷却线冷却（或调质热处理）→喷丸→探伤→清洗→包装。
根据曲轴的功能和工艺特点，曲轴为典型的长轴类锻件，平衡块部分窄且深，拔模斜度小(一般1°～1.5°)，因而平衡块部位难以成形，按照锻造工艺手册上正常工艺进行拍扁、预锻和终锻设计模具并进行模拟，选取合适的圆棒料，平衡块部位未能充满，如图2(a)所示。需要对预锻和终锻模具进行优化，经过一系列的优化后模拟结果可以充满如图2(b)所示。
常规设计准则这里不赘述，重点归纳一下几点优化改善：
⑴为了改善平衡块充满问题，预锻模平衡块中间舌头部分(劈料台)降低10 ～15 mm，边缘模具凸圆角加大到R8 ～R10mm。
图1 乘用车1.5 升四缸曲轴
图2 曲轴锻造成形模拟
⑵预锻模和终锻模平衡块周围飞边优化，增设阻力墙，形状和位置依据锻件形状设置，凸起高度为10 ～15mm(图3)，根据具体情况进行调整。
⑶终锻模平衡块外围模具飞边桥部高度比其他位置抬高1mm 左右。
图3 曲轴预锻和终锻模具
经过以上改进，在4000 吨热模锻压力机实际生产中平衡块充满良好，合格率大于99%，模具寿命6000 ～7000 件。
⑷由于曲轴为长轴类锻件，且平衡块型腔深且薄，拔模斜度小，为了可靠、稳定地顶出，减少顶出变形，需要设计6 至8 个顶杆(原来为4 个顶杆)，这点在自动化线尤为重要，模具结构如图4 所示。
图4 乘用车某型曲轴压力机锻造模具结构
通过模拟软件的应用，结合实际工作经验，对锻造过程进行模拟可以优化模具结构设计，大大缩短模具开发周期，提高开发一次成功率。
高端乘用车曲轴锻造工艺重要改进方向和管控点高端乘用车曲轴锻件形状复杂，加工余量少，平衡块等处基本不加工，安全性要求高，要满足在全自动机加生产线上加工，对锻件的要求和质量控制难度大大提高。毛坯尺寸超差、动平衡超差，上全自动机加工线第一道工序就会报警而甩料，严重的甚至引起停机停线。针对这种要求的锻件除了有优良的工艺设计外，还需要锻造的熟练操作技能以及过程的高水平管控保证才行，以下就实际生产过程的一些改进经验和过程管控要点作一下归纳：
以图5 某款轿车曲轴为例，锻件形状复杂，标注“1”处4 个平衡块侧面加工余量只有1.5mm,标注“2”处4 个平衡块为非加工。而且标注“2”平衡块厚度只有8mm，锻造过程极易发生变形，错模量最大允许0.5mm。锻造过程模具稍有松动，或者锻件卡模、磕碰、夹持力过大致锻件变形就会引起不合格。
图5 某轿车曲轴锻件
这是到目前为止我们碰到的锻造难度最大的锻件，经过了近一年的摸索和改善，达成了稳定批产状态，锻件质量尤其是动平衡性能和外观质量达到甚至超过了欧洲原厂的水平。主要有以下几方面经验：
⑴在成功解决平衡块充满问题的基础上，为了解决平衡块切边变形问题，对平衡块周边局部飞边减薄，该处飞边厚度为2.5mm，其余地方为4.5mm。
⑵锻件错模量0.5mm 很难控制，造成生产过程中频繁调整模具，每班要调整4 次以上，为了解决锻件错移超差问题，将预锻、终锻分体模改为整体模，并增加四角锁扣，成功控制住了错模产生，每班实现稳定生产，当班基本不需要调整。
⑶为了彻底清除氧化皮，提高锻件表面质量，对坯料进行2 次去氧化皮，分别进行感应加热后高压水除鳞和预锻前高压空气清除氧化皮。
⑷为了控制模具变形和切边时产生变形，对锻模以及切边凹模材料和加工精度进行攻关，通过对切边凹模间隙进行优化，以及材料改良，切边凹模刃口寿命可到2 万件依然保持锋利。并且对锻模和切边模的寿命进行分别管控，根据寿命确定更换时间，避免模具超寿命服役。
⑸曲轴锻造过程实现全自动化，对锻造过程中每个工步进行温度管控，从中频加热→制坯(辊锻或压挤)→锻造→上控冷线→下控冷线进行温度监控并进入MEMS 系统。异常件自动放入异常品筐中并统计数量，在现场可视化看板上对以上重要参数进行同步监控，生产线运行状态一目了然。
⑹除了锻造首件用三坐标检验外，设计制作直线度和错差专用检具，对锻造过程的锻件100%快速检验。
曲轴锻造工艺设计中的其他关注点⑴曲轴锻造工艺过程中曲轴锻模飞边形式以及阻流沟的设计，模具的加工精度以及锻造的操作熟练和润滑方式都很重要，缺一不可。
⑵锻造错移的控制。曲轴锻件对错差要求高，锻造过程容易产生波动，可以设计整体锻模和增加锻模锁扣，并采取自动检测加强过程管控。
⑶预锻形状设计优化可以改善锻件的很多缺陷，是锻造工艺设计成功的关键，应引起重视。为使预锻时材料流动顺利，预锻设计时平衡块中间连接处尽量做成直线和大圆弧过渡，增加该部分的体积，利于金属材料的流动和终锻该部位的充满。预锻小头型腔的处理也是值得注意的，小头长度加长10mm 左右，并将小头端部拔模角作出45°左右斜角。这样可以避免终锻时小头端产生折叠，同时小头端部作出斜角利于吹掉下模该处的氧化皮，避免该处氧化皮堆积而造成锻件小头缺料。
⑷锻造温度的把握。锻造温度范围必须注意，一般情况尽量在上限温度进行锻造，最低锻造温度不低于1100℃。锻造温度对成形影响极大，特别是开发试制初期，操作不熟练和喷涂脱模剂等动作衔接不到位，造成锻造工步间隔时间长而产生温降，而使实际终锻温度不足，影响成形。但对于非调质钢锻造温度不可太高，要以材料性能保证满足晶粒度要求为前提，这点需要在实际工艺过程中跟踪监测来确定理想的锻造温度范围。
⑸计算机成形过程模拟。要成功开发曲轴锻造工艺应配备必要分析手段，尽量使用DEFORM、QFORM等锻造成形模拟软件进行模拟，结合锻造过程的实践经验及时优化设计，计算机应用为工艺设计提供了强有力的分析手段，企业需要配备专门人员进行模拟分析。无条件的企业可以采取企业和高校或研究所联合的方式进行
——来源：《锻造与冲压》2020年第17期
