曲轴半闭式锻造工艺的研究与应用

文/吴玉坚,赵业勤,蔡谊成·东风锻造有限公司

曲轴半闭式锻造工艺的研究与应用

文/吴玉坚,赵业勤,蔡谊成·东风锻造有限公司

在东风锻造有限公司（下简称DF52）的产品结构中，曲轴是最主要的产品，占公司总销量的50％～60％。在曲轴成本构成中，原材料成本占总成本的56％以上。通过提高成品材料利用率，降低全价值链制造成本，提高产品的竞争力是锻造工艺研究的重要课题。其途径有两方面，一方面是通过锻件优化设计来减小曲轴加工余量，提高机加工效率，为曲轴机加工客户创造价值；另一方面通过优化成形工艺来减少飞边金属消耗，提高材料利用率，降低内部锻造成本。

众所周知，无飞边锻造技术在回转体零件上已得到成熟化应用。对于截面变化剧烈的曲轴而言，辊锻及扭转工艺是较为有效的节材技术，但就其节材效果目前也已达到技术瓶颈。DF52在20多年生产曲轴经验的基础上，将闭式锻造优点与曲轴实际形状相结合，运用数值模拟技术对曲轴锻造工艺进行了优化设计，成功开发了曲轴半闭式锻造工艺。

在CV六缸曲轴上的应用

图1 六缸曲轴半闭式模具结构

六缸曲轴目前在DF52较多地采用曲面分模技术实现锻造，较扭转工艺，具有良好的流线特征及工艺稳定性。分析其分模特征，实质是半闭式结构的雏形。在曲拐单元的连杆颈一侧，金属外向流动受到分模曲面的阻力。为进一步地提高曲轴材料利用率，在现有的曲面分模基础上，DF52在靠近平衡块的桥部增加阻力挡墙，从而在局部构成半闭式的效果，如图1所示。在DF52现有的直列六缸曲轴产品中，全部采取了这种结构，并取得良好的节材效果，这为半闭式锻造的扩大应用提供了可行性依据。

在CV四缸曲轴上的应用

在DF52的现有曲轴产品结构中，平面分模的四缸曲轴生产数量超过100万支。在六缸曲轴应用经验的基础上，DF52将半闭式锻造工艺在四缸曲轴上进行应用并取得成功。现以在CV四缸曲轴上的应用为例，对半闭式锻造工艺进行详细介绍。

应用背景

汽车轻量化是未来节约能源的重要途径之一。发动机作为汽车的重要组成部分，其轻量化程度也是衡量发动机设计效果的重要参数。众所周知，为了轻量化，缸体缸盖等材料由铸铁材质向低密度的铝镁合金材质转变。曲轴质量约占发动机质量的1/10，其轻量化设计也是重要研究课题之一。

在曲轴的结构组成中，平衡块的功能是为了平衡旋转惯性力矩，本身不承担载荷。因此，平衡块的减重设计成为实现曲轴轻量化的方向。目前在满足发动机旋转平衡力矩及轴颈载荷安全的条件下，越来越多的曲轴采用四个平衡块的设计，如图2所示。

平衡块数量的减少，会引起曲轴机加工静平衡性能的降低。为了保证曲轴钻去重孔时的静平衡性能，平衡块的扇面角度要增加，以确保有足够的钻孔位置，平衡块的高度因此增加。另一方面，为提高机加工效率，曲轴平衡块侧面的加工余量很小或不再加工保持毛坯面，这样平衡块的宽度会减小。以某发动机公司产品为例，原设计产品平衡块的高宽比（平衡块的高度与宽度比）为3.5,产品新设计后上升至4.1，平衡块高宽比上升，毛坯锻造工艺难度也随之加大。

图2 曲轴设计平衡块数量变化

图3 开式锻造毛边大小

降低原材料消耗解决方案

为保证平衡块充型良好，按照传统的开式锻造工艺，需要消耗更多的金属材料。增加原材料消耗，这无疑增加了毛坯的制造成本，也违背绿色锻造及持续降成本的经营理念，无法实现下游主机厂客户与毛坯供应商的双赢。尽管增加辊锻工艺，但该曲轴材料利用率也只能达到72.7％，材料浪费严重，如图3所示。

在CV六缸曲轴采用局部半闭式锻造取得良好效果的基础上，我们进一步在CV四缸曲轴上进行试验研究。在设备锻造吨位允许的条件下，在模具设计时我们沿曲轴轴向采取了整体半闭式的结构设计，其典型形状及尺寸如图4所示。

图4 半闭式结构形状

总体思路为先设定材料利用率目标值，再进行过程设计。具体的设计流程为：

⑴初步设计模具半闭式结构及尺寸。

⑵计算终锻模具型腔轴向各截面的理论面积，包括假想虚拟毛边的面积。

⑶根据各截面理论面积，设计辊坯尺寸。

⑷三维数值模拟成形过程。

⑸根据模拟结果分析设计的可行性。

最理想的结果是，曲轴平衡块充满度与模拟锻造厚度保持一致。提前充满和较大的充不满形状，都证明半闭式设计工艺存在缺陷，需要进行修正，修正设计后再进行模拟，直到模拟效果及毛边分布达到初期设定目标要求，如5所示。

经过上述的优化循环，设计方案将最终确定。之后进入模具加工、实物锻造调试的验证阶段。DF52经过在多个曲轴的验证，实物锻造的效果与理论模拟效果基本一致，并且满足曲轴平衡块的充满度要求，证明上述循环优化设计方法是可行的。通过批量生产验证，半闭式结构设计将CV四缸曲轴材料利用率平均提升约5％，超过80％。因为各截面金属材料的分配更加精细合理，减轻了模具磨损，一次模具寿命提升近15％。

疑点解决

整体半闭式模具结构带来良好经济效益的同时，在生产过程中也存在一些问题点，需要进行重点管控。

曲轴重量及设备吨位的关系发生变化

采用半闭式结构，引起曲轴设备吨位的上升。通过设备安装的吨位检测仪的测量数据，设备吨位平均上升约10％。因此，在根据曲轴重量选取合适设备时，如果成形过程采取半闭式结构设计，需要考虑设备吨位的变化。DF52绘制了设备额定吨位与额定曲轴重量的关系图，如图6所示。

预终锻均采取半闭式结构的必要性

由于坯料根据终锻增加虚拟毛边计算确定，因此，预锻设计时成形量需加大，以保证预锻产生较多毛边，否则预锻半闭式将无法起到阻料作用。既便如此，终锻设计时也要设计半闭式结构，阻止预锻桥部金属外流，并影响终锻成形充满效果。

模具装配错差的严格控制

在装配阶段预终锻模存在错差，将容易导致设备打击过程中，上下模具产生干涉引发设备闷车等故障事故。同时模具错差引起模具两侧闭料力不均匀，从而影响平衡块的充满效果。

图5 设计方案优化流程

图6 设备额定吨位与曲轴额定重量的关系

减小金属轴向流动对模具的破坏

金属在成形时，在模具宽度方向受到半闭式边界条件约束，不可避免产生轴向流动。为保护模具特别是两个平衡块之间的模具部分，不致受轴向不等金属流动应力产生歪斜失效，采取的措施有两种：

⑴在模拟阶段需要精确计算辊坯各段的体积分布。

⑵在模架空间允许的情况下增加成形制坯工步，合理分流金属。对于四缸八平衡块曲轴，增加成形制坯更为有效。

全寿命过程检测曲轴锻件及模具的磨损状态

采取半闭式结构，需要检测模具全寿命过程中的锻件质量，确保锻件质量未受此结构设计的负面影响；同时对模具磨损程度进行检测，确保再翻新利用。采用红外线扫描设备，对锻件或模具进行扫描成像，与理论模型对比检测，可以量化确定模具寿命及锻件实际尺寸，如图7所示。

结束语

半闭式模具设计是实现资源节约，降低制造成本以及为客户创造价值的有效工艺方法，可以大幅度提高曲轴材料利用率。120MN设备所生产的六缸曲轴，采取局部半闭式结构，材料利用率提高约3％；80MN生产的四缸四平衡块曲轴，采取整体半闭式结构，材料利用率提高约5％；在63MN及40MN生产的PV曲轴，采取整体半闭式结构，材料利用率提高约6％。

图7 扫描成像对比检测

整体半闭式结构在曲轴上应用的关键，是循环的设计模拟优化过程。采取最优化的设计方案，实物验证才能取得较好效果。通过配置有效的管理及检测方法，整体半闭式结构的负面影响是能够得到有效控制并消除的。