我国曲轴模锻工艺现状

文／夏占雪·第一拖拉机股份有限公司工艺材料研究所

阮艳静，刘亚丽·第一拖拉机股份有限公司锻造厂

我国曲轴模锻工艺现状

文／夏占雪·第一拖拉机股份有限公司工艺材料研究所

阮艳静，刘亚丽·第一拖拉机股份有限公司锻造厂

本文简要介绍了我国曲轴模锻工艺的现状，对曲轴产品锻造过程中的新工艺、新技术的应用提出了针对性的意见和建议，对今后曲轴模锻技术的发展具有积极的指导意义。

曲轴是发动机里面的关键零部件，据不完全统计，近年来随着我国汽车产业的迅猛发展，我国曲轴产品的年需求量将达到4000万件。作为发动机的关键件之一，曲轴的性能在很大程度上影响着汽车发动机的可靠性与寿命。由于曲轴在高速运动过程中承受弯曲和扭转交变载荷，受力状况非常复杂，对制造工艺的要求越来越高，因此，模锻成形工艺在曲轴生产上得到了越来越广泛的应用。

典型生产工艺特点

从曲轴的锻造工艺来说，主要分为直接模锻成形和“模锻＋扭曲”复合成形两种工艺。直接模锻成形工艺根据曲轴结构特点又可以分为平面分模和曲面分模两种形式，主要适用于大部分的轿车曲轴以及部分商用车曲轴的生产。这几种类型的曲轴需求量最大，应用最为广泛。具有成形设备吨位小、生产工序简洁和生产率高等特点，生产厂家也最多，锻件重量一般在10～120kg之间，所需要的模锻设备吨位在4000～12500t。

“模锻＋扭曲”复合成形工艺主要适用于重型多平衡块锻钢曲轴的生产，扭曲时需要专用扭曲设备。与直接模锻成形工艺相比，其优点主要在于可以减小平衡块型槽的深度，减小锻件的加工余量，模具寿命高。锻件重量一般在100～200kg之间，所需要的模锻设备吨位在12500～20000t。同时也有部分小的乘用车曲轴需要“模锻＋扭曲”复合成形工艺来实现，更复杂的一些曲轴甚至需要采用曲面分模成形后再通过扭曲成形工艺来完成。

从目前国内各个曲轴厂家的工艺情况来看，综合各种制造成本来考虑，普遍的原则是不论那种结构的曲轴，只要能够直接模锻成形，无论是曲面分模模锻还是平面分模模锻，都尽可能的不采用扭曲成形工艺来完成，主要因素有：①由于扭曲工序的稳定性较直接模锻差，减少扭曲工序，也就意味着产品质量的稳定性更好，不良品率也会降低；②从制造成本上分析，减少一台设备就意味着生产成本的降低，同时也会进一步提高生产效率；③受国内装备制造水平的限制，部分小型曲轴的扭曲设备仍需要从国外进口，大型扭曲设备的技术也停留在20世纪90年代的水平，无法满足产品精密化生产的需要。

目前国内典型的曲轴锻造生产工艺流程为：下料→加热→辊锻制坯→压扁→预锻→终锻→切边→扭曲（视曲轴工艺需要→热精整→悬挂控冷）→清理喷丸→探伤防锈→检验发出（图1）。

图1 生产流程

曲轴生产的下料方式

根据曲轴用料规格的不同，目前主要有剪切下料与锯切下料两种下料方式。剪切下料又可分为热剪切和冷剪切下料。传统的加热到蓝脆后剪床下料的工艺，由于其占地面积大，能耗高、坯料端面质量差、自动化生产适应性差等原因，已经遭到各个曲轴制造厂的淘汰；加热到锻造温度后剪切下料工艺，在国内仍然是一个空白，国外少部分企业有应用。主要的因素在于：①这种设备没有实现国产化，需要从国外进口；②前期一次性投资过大，性价比差；③设备维护成本较高，在目前企业普遍缺少高素质技能人员的情况下，企业不具备这种设备的使用条件。整体热剪下料的优势在于该工艺能源消耗少、节能环保、可以减少部分生产流程，非常适用于大批量单一品种的自动化生产。

锯切下料主要有高速带锯和圆盘锯两种下料方式，这两种下料方式各有优势，高速带锯效率稍低，但采用多台设备，可满足大批量生产要求，同时前期投资较小，生产成本低。圆盘锯下料工艺的主要优势是下料速度快、坯料尺寸精度高、端面斜度小等，缺点是前期投入较高，材料消耗稍大。

坯料加热和表面质量控制

随着国内节能环保技术的推广应用，以及精密化生产的发展，我国曲轴锻造过程的加热已经全部采用了中频感应加热技术。最近几年，许多曲轴制造厂通过淘汰落后的燃气炉加热方式，实现了企业的节能降耗，提高了生产率，同时也改善了锻件的质量，降低了生产成本。在加热质量方面，坯料温度的稳定性基本达到了批量化生产的需要。受国内感应炉制造厂家技术水平的限制，在温度控制方面仍然无法实现加热温度的完全闭环控制以及应用连续监控技术。在防止坯料过热、过烧、坯料温度的均匀性、防止加热过程粘料、缩小坯料心表温差以及快速出料等方面仍和国外有一定的差距。

在提高锻件表面质量方面，目前大部分企业做的不够好。有一些曲轴制造厂，在未采用感应加热之前，使用一种机械式去氧化皮装置来提高锻件的表面质量，达到了良好的效果。随着感应加热技术的推广应用，坯料表面氧化现象得到了很大的改观。在采用感应加热后，去氧化皮工序已经变得可有可无，尤其是在产品的外观质量已经得到国内下游企业普遍认可的前提下，绝大部分企业都是加热后直接进行预锻，甚至省略了压扁工序，虽然看似是一个较为合理的生产方式，但当曲轴产品出口的时候，仅有极少数企业能够满足产品外观质量的要求，其中关键的一点就是这些企业都有锻前去氧化皮工序，从这个角度来看，去氧化皮装置对于提高锻件的表面质量尤为关键（图2）。

图2 高压水去氧化皮

原材料控制

随着国外技术的引进，国内相继开发了许多曲轴用非调质钢材料，如SAE1548（无V非调质钢 ）、49MnVS3、48MnV、43MnVS、38MnSiV、38MnVS5、C38N2等材料，但是总体上，我国在曲轴非调质钢应用方面和日本、德国等发达国家仍有不小的差距。目前为止，除了部分轿车曲轴采用非调质钢生产外，相当一部分曲轴产品仍然在采用调质钢生产，其主要因素有：一是国产非调质钢性能不稳定，非金属夹杂控制不严格，不能满足锻后控冷工艺的需要，产品性能的稳定性差；二是主机厂在使用调质钢的技术标准来要求非调质钢，而国外在非调质钢的使用上以满足使用寿命为准则，由于非调质钢固有的特性，即强度有余而韧性不足，如果采用单纯的控冷工艺，无法达到调质钢的性能要求，只有增加一道热处理工序，才能满足主机厂要求，但是在满足工艺要求的同时，也失去了非调质钢的实际意义；还有就是目前国内在曲轴锻后控冷技术的研究方面和国外差距较大。

最近几年，部分企业开始意识到非调质钢材料的优势和发展的可持续性。投入了大量的资金和人员进行相关的工艺装备研发，随着国内冶炼技术的不断提高，国产材料正在逐渐地赶上或者超过进口材料的性能，一些曲轴制造厂家通过引进国外的装备与技术，实现了非调质钢曲轴的批量化生产。国内企业如江西重工锻造、重庆庆铃、上海爱知等企业引进了多条自动化的曲轴控制冷却生产线(图3)。

图3 控温冷却线

预制坯设计

在曲轴工艺设计过程中，预制坯设计是整个曲轴工艺设计中的重要一环，主要目的是通过预制坯工艺进行合理分配体积，实现最少坯料的成形，同时也可以实现设备的最大能效和模具的优化生产。工艺的好坏会直接影响到曲轴的生产成本、外观质量、产品性能等许多要素。预制坯主要有辊锻制坯、楔横轧制坯、专机制坯等几种形式，目前企业当中应用最多的是辊锻制坯，楔横轧工艺几乎没有企业采用，只是在国外有过报道。对于一些特殊结构的曲轴产品，也有采用辊锻制坯与专机结合的复合工艺制坯。设计过程一般按照锻件体积分配原则进行，由于在设计过程中存在理论计算的复杂性，目前德国一家公司开发了一套专业的设计软件VERACAD可以代替人工设计，极大地提高了设计的一次性成功率。国内的曲轴制造厂如东风锻造、洛阳一拖、文登天润、五一八厂等都引进了这套软件系统，在产品开发过程中具有很好的应用。

曲轴的模锻成形

目前曲轴模锻成形工艺设计一般采用压扁→预锻→终锻3工位或者预锻→终锻2工位设计。小型直列四缸曲轴常采用2工位设计，由于成形较为容易，一般不设计压扁工序，优点是模架结构紧凑，操作简单，生产节拍快，适合于自动化生产。大型六拐曲轴一般采用3工位设计，压扁工位的主要作用是去除氧化皮和为下一个工位定位做准备，同时又起到了预先分配局部材料的作用，减轻了预锻模具的局部受力，提高了模具的整体寿命。预锻是整个工艺设计的核心，合理的预锻工艺，既可以确保锻件成形的质量，又可以提高材料的利用率，同时模具的寿命又能达到设计要求，设备的载荷也能维持在一个合理的水平。

模锻工艺中的模架设计也是工艺设计中的关键部分，根据设备的不同，模架一般分为具有导柱导套的凹腔结构的压机模架和导向板导向的分层模架，这两种模架均可以实现多工位排布。

热模锻压力机模架一般采用导柱导套结构，凹坑式模块固定，两侧基准定位，两侧斜块压紧，这种模架的优点是模块受侧向压力较多，模块不容易发生载荷断裂，模块尺寸可以适当减小，整体结构紧凑，比较容易实现自动化生产，尤其是多工位自动化生产；缺点是模具加工复杂，换模只能整体拆卸，换模周期长，错模调整性差，需要定期修复，对人员的维护技术要求高。

分层结构的模架技术主要来自于德国的舒勒公司，其主要特点是结构简单，模具拆装方便快捷，具有液压锁紧、自动快速换模等优势，缺点是模具固定采用键定位，四周无侧向压力，因此模块尺寸较大，导板的导向性差。目前，一些企业已经开发出具有子模架功能的半凹腔式新型模架结构，这种模架采用导柱导向，子模架与模块整体拆装，主模架装有浮动导轨，主要用于拆卸子模架，主模架不需要拆卸。子模架结构紧凑，便于更换与维护，容易做成标准件形式。模具以镶块的形式与子模架连接，这样模具可以做的很薄，节省了模具材料，这种新型模架工艺是今后发展的主要方向。

切边、扭曲、校正

切边工序基本的结构形式各个企业区别不大，主要有底部取件与上部取件两种结构形式，底部取件结构是模架下面有由钢丝绳牵引的接料小车，锻件切边后落到小车上，小车下降，带走锻件。上部取件主要是配合机器人取件的需要，下面装有液压顶出。锻件切边后，下顶出动作，顶出锻件，机器人取件，放到下一个工位进行校正。近几年随着技术的发展变化，切边与校正工序可以通过一个工序完成，这种工艺的变化来自于氮气弹簧技术在热锻行业的应用。也就是在切边的过程中采用氮气弹簧增加一个背压力，在切边的同时对锻件进行整形。最终实现了切边整形的复合，主要优势是缩短了生产线节拍，提高了生产效率，减少了设备投资。

扭曲工艺在曲轴成形过程中应用的不多，主要是针对一些无法直接模锻的曲轴结构。一拖锻造是最早采用这种技术生产重型曲轴的厂家之一，重汽锻造采购了一台俄罗斯的扭曲机，同时也引进了扭曲工艺，一汽锻造和东风锻造在最近几年才开始采用这种技术生产曲轴产品。由于这种工艺受产品结构的制约，今后在工艺提高方面很难有大的突破。

结束语

随着国家对节能环保技术推广力度的加大，应用于商用车领域的高压共轨发动机技术以及乘用车领域的涡轮增压技术正在越来越多的应用于汽车制造业，这两种技术的应用，进一步促进了曲轴生产技术的升级，最主要的变化之一就是铸造曲轴产量在逐年下降，通过模锻成形技术生产曲轴已经成为我国曲轴生产工艺的主要方式。