我國曲軸模鍛工藝現(xiàn)狀

文／夏占雪·第一拖拉機股份有限公司工藝材料研究所

阮艷靜，劉亞麗·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

我國曲軸模鍛工藝現(xiàn)狀

文／夏占雪·第一拖拉機股份有限公司工藝材料研究所

阮艷靜，劉亞麗·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠

本文簡要介紹了我國曲軸模鍛工藝的現(xiàn)狀，對曲軸產(chǎn)品鍛造過程中的新工藝、新技術的應用提出了針對性的意見和建議，對今后曲軸模鍛技術的發(fā)展具有積極的指導意義。

曲軸是發(fā)動機里面的關鍵零部件，據(jù)不完全統(tǒng)計，近年來隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，我國曲軸產(chǎn)品的年需求量將達到4000萬件。作為發(fā)動機的關鍵件之一，曲軸的性能在很大程度上影響著汽車發(fā)動機的可靠性與壽命。由于曲軸在高速運動過程中承受彎曲和扭轉交變載荷，受力狀況非常復雜，對制造工藝的要求越來越高，因此，模鍛成形工藝在曲軸生產(chǎn)上得到了越來越廣泛的應用。

典型生產(chǎn)工藝特點

從曲軸的鍛造工藝來說，主要分為直接模鍛成形和“模鍛＋扭曲”復合成形兩種工藝。直接模鍛成形工藝根據(jù)曲軸結構特點又可以分為平面分模和曲面分模兩種形式，主要適用于大部分的轎車曲軸以及部分商用車曲軸的生產(chǎn)。這幾種類型的曲軸需求量最大，應用最為廣泛。具有成形設備噸位小、生產(chǎn)工序簡潔和生產(chǎn)率高等特點，生產(chǎn)廠家也最多，鍛件重量一般在10～120kg之間，所需要的模鍛設備噸位在4000～12500t。

“模鍛＋扭曲”復合成形工藝主要適用于重型多平衡塊鍛鋼曲軸的生產(chǎn)，扭曲時需要專用扭曲設備。與直接模鍛成形工藝相比，其優(yōu)點主要在于可以減小平衡塊型槽的深度，減小鍛件的加工余量，模具壽命高。鍛件重量一般在100～200kg之間，所需要的模鍛設備噸位在12500～20000t。同時也有部分小的乘用車曲軸需要“模鍛＋扭曲”復合成形工藝來實現(xiàn)，更復雜的一些曲軸甚至需要采用曲面分模成形后再通過扭曲成形工藝來完成。

從目前國內(nèi)各個曲軸廠家的工藝情況來看，綜合各種制造成本來考慮，普遍的原則是不論那種結構的曲軸，只要能夠直接模鍛成形，無論是曲面分模模鍛還是平面分模模鍛，都盡可能的不采用扭曲成形工藝來完成，主要因素有：①由于扭曲工序的穩(wěn)定性較直接模鍛差，減少扭曲工序，也就意味著產(chǎn)品質量的穩(wěn)定性更好，不良品率也會降低；②從制造成本上分析，減少一臺設備就意味著生產(chǎn)成本的降低，同時也會進一步提高生產(chǎn)效率；③受國內(nèi)裝備制造水平的限制，部分小型曲軸的扭曲設備仍需要從國外進口，大型扭曲設備的技術也停留在20世紀90年代的水平，無法滿足產(chǎn)品精密化生產(chǎn)的需要。

目前國內(nèi)典型的曲軸鍛造生產(chǎn)工藝流程為：下料→加熱→輥鍛制坯→壓扁→預鍛→終鍛→切邊→扭曲（視曲軸工藝需要→熱精整→懸掛控冷）→清理噴丸→探傷防銹→檢驗發(fā)出（圖1）。

圖1 生產(chǎn)流程

曲軸生產(chǎn)的下料方式

根據(jù)曲軸用料規(guī)格的不同，目前主要有剪切下料與鋸切下料兩種下料方式。剪切下料又可分為熱剪切和冷剪切下料。傳統(tǒng)的加熱到藍脆后剪床下料的工藝，由于其占地面積大，能耗高、坯料端面質量差、自動化生產(chǎn)適應性差等原因，已經(jīng)遭到各個曲軸制造廠的淘汰；加熱到鍛造溫度后剪切下料工藝，在國內(nèi)仍然是一個空白，國外少部分企業(yè)有應用。主要的因素在于：①這種設備沒有實現(xiàn)國產(chǎn)化，需要從國外進口；②前期一次性投資過大，性價比差；③設備維護成本較高，在目前企業(yè)普遍缺少高素質技能人員的情況下，企業(yè)不具備這種設備的使用條件。整體熱剪下料的優(yōu)勢在于該工藝能源消耗少、節(jié)能環(huán)保、可以減少部分生產(chǎn)流程，非常適用于大批量單一品種的自動化生產(chǎn)。

鋸切下料主要有高速帶鋸和圓盤鋸兩種下料方式，這兩種下料方式各有優(yōu)勢，高速帶鋸效率稍低，但采用多臺設備，可滿足大批量生產(chǎn)要求，同時前期投資較小，生產(chǎn)成本低。圓盤鋸下料工藝的主要優(yōu)勢是下料速度快、坯料尺寸精度高、端面斜度小等，缺點是前期投入較高，材料消耗稍大。

坯料加熱和表面質量控制

隨著國內(nèi)節(jié)能環(huán)保技術的推廣應用，以及精密化生產(chǎn)的發(fā)展，我國曲軸鍛造過程的加熱已經(jīng)全部采用了中頻感應加熱技術。最近幾年，許多曲軸制造廠通過淘汰落后的燃氣爐加熱方式，實現(xiàn)了企業(yè)的節(jié)能降耗，提高了生產(chǎn)率，同時也改善了鍛件的質量，降低了生產(chǎn)成本。在加熱質量方面，坯料溫度的穩(wěn)定性基本達到了批量化生產(chǎn)的需要。受國內(nèi)感應爐制造廠家技術水平的限制，在溫度控制方面仍然無法實現(xiàn)加熱溫度的完全閉環(huán)控制以及應用連續(xù)監(jiān)控技術。在防止坯料過熱、過燒、坯料溫度的均勻性、防止加熱過程粘料、縮小坯料心表溫差以及快速出料等方面仍和國外有一定的差距。

在提高鍛件表面質量方面，目前大部分企業(yè)做的不夠好。有一些曲軸制造廠，在未采用感應加熱之前，使用一種機械式去氧化皮裝置來提高鍛件的表面質量，達到了良好的效果。隨著感應加熱技術的推廣應用，坯料表面氧化現(xiàn)象得到了很大的改觀。在采用感應加熱后，去氧化皮工序已經(jīng)變得可有可無，尤其是在產(chǎn)品的外觀質量已經(jīng)得到國內(nèi)下游企業(yè)普遍認可的前提下，絕大部分企業(yè)都是加熱后直接進行預鍛，甚至省略了壓扁工序，雖然看似是一個較為合理的生產(chǎn)方式，但當曲軸產(chǎn)品出口的時候，僅有極少數(shù)企業(yè)能夠滿足產(chǎn)品外觀質量的要求，其中關鍵的一點就是這些企業(yè)都有鍛前去氧化皮工序，從這個角度來看，去氧化皮裝置對于提高鍛件的表面質量尤為關鍵（圖2）。

圖2 高壓水去氧化皮

原材料控制

隨著國外技術的引進，國內(nèi)相繼開發(fā)了許多曲軸用非調(diào)質鋼材料，如SAE1548（無V非調(diào)質鋼 ）、49MnVS3、48MnV、43MnVS、38MnSiV、38MnVS5、C38N2等材料，但是總體上，我國在曲軸非調(diào)質鋼應用方面和日本、德國等發(fā)達國家仍有不小的差距。目前為止，除了部分轎車曲軸采用非調(diào)質鋼生產(chǎn)外，相當一部分曲軸產(chǎn)品仍然在采用調(diào)質鋼生產(chǎn)，其主要因素有：一是國產(chǎn)非調(diào)質鋼性能不穩(wěn)定，非金屬夾雜控制不嚴格，不能滿足鍛后控冷工藝的需要，產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性差；二是主機廠在使用調(diào)質鋼的技術標準來要求非調(diào)質鋼，而國外在非調(diào)質鋼的使用上以滿足使用壽命為準則，由于非調(diào)質鋼固有的特性，即強度有余而韌性不足，如果采用單純的控冷工藝，無法達到調(diào)質鋼的性能要求，只有增加一道熱處理工序，才能滿足主機廠要求，但是在滿足工藝要求的同時，也失去了非調(diào)質鋼的實際意義；還有就是目前國內(nèi)在曲軸鍛后控冷技術的研究方面和國外差距較大。

最近幾年，部分企業(yè)開始意識到非調(diào)質鋼材料的優(yōu)勢和發(fā)展的可持續(xù)性。投入了大量的資金和人員進行相關的工藝裝備研發(fā)，隨著國內(nèi)冶煉技術的不斷提高，國產(chǎn)材料正在逐漸地趕上或者超過進口材料的性能，一些曲軸制造廠家通過引進國外的裝備與技術，實現(xiàn)了非調(diào)質鋼曲軸的批量化生產(chǎn)。國內(nèi)企業(yè)如江西重工鍛造、重慶慶鈴、上海愛知等企業(yè)引進了多條自動化的曲軸控制冷卻生產(chǎn)線(圖3)。

圖3 控溫冷卻線

預制坯設計

在曲軸工藝設計過程中，預制坯設計是整個曲軸工藝設計中的重要一環(huán)，主要目的是通過預制坯工藝進行合理分配體積，實現(xiàn)最少坯料的成形，同時也可以實現(xiàn)設備的最大能效和模具的優(yōu)化生產(chǎn)。工藝的好壞會直接影響到曲軸的生產(chǎn)成本、外觀質量、產(chǎn)品性能等許多要素。預制坯主要有輥鍛制坯、楔橫軋制坯、專機制坯等幾種形式，目前企業(yè)當中應用最多的是輥鍛制坯，楔橫軋工藝幾乎沒有企業(yè)采用，只是在國外有過報道。對于一些特殊結構的曲軸產(chǎn)品，也有采用輥鍛制坯與專機結合的復合工藝制坯。設計過程一般按照鍛件體積分配原則進行，由于在設計過程中存在理論計算的復雜性，目前德國一家公司開發(fā)了一套專業(yè)的設計軟件VERACAD可以代替人工設計，極大地提高了設計的一次性成功率。國內(nèi)的曲軸制造廠如東風鍛造、洛陽一拖、文登天潤、五一八廠等都引進了這套軟件系統(tǒng)，在產(chǎn)品開發(fā)過程中具有很好的應用。

曲軸的模鍛成形

目前曲軸模鍛成形工藝設計一般采用壓扁→預鍛→終鍛3工位或者預鍛→終鍛2工位設計。小型直列四缸曲軸常采用2工位設計，由于成形較為容易，一般不設計壓扁工序，優(yōu)點是模架結構緊湊，操作簡單，生產(chǎn)節(jié)拍快，適合于自動化生產(chǎn)。大型六拐曲軸一般采用3工位設計，壓扁工位的主要作用是去除氧化皮和為下一個工位定位做準備，同時又起到了預先分配局部材料的作用，減輕了預鍛模具的局部受力，提高了模具的整體壽命。預鍛是整個工藝設計的核心，合理的預鍛工藝，既可以確保鍛件成形的質量，又可以提高材料的利用率，同時模具的壽命又能達到設計要求，設備的載荷也能維持在一個合理的水平。

模鍛工藝中的模架設計也是工藝設計中的關鍵部分，根據(jù)設備的不同，模架一般分為具有導柱導套的凹腔結構的壓機模架和導向板導向的分層模架，這兩種模架均可以實現(xiàn)多工位排布。

熱模鍛壓力機模架一般采用導柱導套結構，凹坑式模塊固定，兩側基準定位，兩側斜塊壓緊，這種模架的優(yōu)點是模塊受側向壓力較多，模塊不容易發(fā)生載荷斷裂，模塊尺寸可以適當減小，整體結構緊湊，比較容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，尤其是多工位自動化生產(chǎn)；缺點是模具加工復雜，換模只能整體拆卸，換模周期長，錯模調(diào)整性差，需要定期修復，對人員的維護技術要求高。

分層結構的模架技術主要來自于德國的舒勒公司，其主要特點是結構簡單，模具拆裝方便快捷，具有液壓鎖緊、自動快速換模等優(yōu)勢，缺點是模具固定采用鍵定位，四周無側向壓力，因此模塊尺寸較大，導板的導向性差。目前，一些企業(yè)已經(jīng)開發(fā)出具有子模架功能的半凹腔式新型模架結構，這種模架采用導柱導向，子模架與模塊整體拆裝，主模架裝有浮動導軌，主要用于拆卸子模架，主模架不需要拆卸。子模架結構緊湊，便于更換與維護，容易做成標準件形式。模具以鑲塊的形式與子模架連接，這樣模具可以做的很薄，節(jié)省了模具材料，這種新型模架工藝是今后發(fā)展的主要方向。

切邊、扭曲、校正

切邊工序基本的結構形式各個企業(yè)區(qū)別不大，主要有底部取件與上部取件兩種結構形式，底部取件結構是模架下面有由鋼絲繩牽引的接料小車，鍛件切邊后落到小車上，小車下降，帶走鍛件。上部取件主要是配合機器人取件的需要，下面裝有液壓頂出。鍛件切邊后，下頂出動作，頂出鍛件，機器人取件，放到下一個工位進行校正。近幾年隨著技術的發(fā)展變化，切邊與校正工序可以通過一個工序完成，這種工藝的變化來自于氮氣彈簧技術在熱鍛行業(yè)的應用。也就是在切邊的過程中采用氮氣彈簧增加一個背壓力，在切邊的同時對鍛件進行整形。最終實現(xiàn)了切邊整形的復合，主要優(yōu)勢是縮短了生產(chǎn)線節(jié)拍，提高了生產(chǎn)效率，減少了設備投資。

扭曲工藝在曲軸成形過程中應用的不多，主要是針對一些無法直接模鍛的曲軸結構。一拖鍛造是最早采用這種技術生產(chǎn)重型曲軸的廠家之一，重汽鍛造采購了一臺俄羅斯的扭曲機，同時也引進了扭曲工藝，一汽鍛造和東風鍛造在最近幾年才開始采用這種技術生產(chǎn)曲軸產(chǎn)品。由于這種工藝受產(chǎn)品結構的制約，今后在工藝提高方面很難有大的突破。

結束語

隨著國家對節(jié)能環(huán)保技術推廣力度的加大，應用于商用車領域的高壓共軌發(fā)動機技術以及乘用車領域的渦輪增壓技術正在越來越多的應用于汽車制造業(yè)，這兩種技術的應用，進一步促進了曲軸生產(chǎn)技術的升級，最主要的變化之一就是鑄造曲軸產(chǎn)量在逐年下降，通過模鍛成形技術生產(chǎn)曲軸已經(jīng)成為我國曲軸生產(chǎn)工藝的主要方式。