文/吳玉堅,趙業(yè)勤,蔡誼成·東風鍛造有限公司

曲軸半閉式鍛造工藝的研究與應用

文/吳玉堅,趙業(yè)勤,蔡誼成·東風鍛造有限公司

在東風鍛造有限公司（下簡稱DF52）的產(chǎn)品結構中，曲軸是最主要的產(chǎn)品，占公司總銷量的50％～60％。在曲軸成本構成中，原材料成本占總成本的56％以上。通過提高成品材料利用率，降低全價值鏈制造成本，提高產(chǎn)品的競爭力是鍛造工藝研究的重要課題。其途徑有兩方面，一方面是通過鍛件優(yōu)化設計來減小曲軸加工余量，提高機加工效率，為曲軸機加工客戶創(chuàng)造價值；另一方面通過優(yōu)化成形工藝來減少飛邊金屬消耗，提高材料利用率，降低內部鍛造成本。

眾所周知，無飛邊鍛造技術在回轉體零件上已得到成熟化應用。對于截面變化劇烈的曲軸而言，輥鍛及扭轉工藝是較為有效的節(jié)材技術，但就其節(jié)材效果目前也已達到技術瓶頸。DF52在20多年生產(chǎn)曲軸經(jīng)驗的基礎上，將閉式鍛造優(yōu)點與曲軸實際形狀相結合，運用數(shù)值模擬技術對曲軸鍛造工藝進行了優(yōu)化設計，成功開發(fā)了曲軸半閉式鍛造工藝。

在CV六缸曲軸上的應用

圖1 六缸曲軸半閉式模具結構

六缸曲軸目前在DF52較多地采用曲面分模技術實現(xiàn)鍛造，較扭轉工藝，具有良好的流線特征及工藝穩(wěn)定性。分析其分模特征，實質是半閉式結構的雛形。在曲拐單元的連桿頸一側，金屬外向流動受到分模曲面的阻力。為進一步地提高曲軸材料利用率，在現(xiàn)有的曲面分?；A上，DF52在靠近平衡塊的橋部增加阻力擋墻，從而在局部構成半閉式的效果，如圖1所示。在DF52現(xiàn)有的直列六缸曲軸產(chǎn)品中，全部采取了這種結構，并取得良好的節(jié)材效果，這為半閉式鍛造的擴大應用提供了可行性依據(jù)。

在CV四缸曲軸上的應用

在DF52的現(xiàn)有曲軸產(chǎn)品結構中，平面分模的四缸曲軸生產(chǎn)數(shù)量超過100萬支。在六缸曲軸應用經(jīng)驗的基礎上，DF52將半閉式鍛造工藝在四缸曲軸上進行應用并取得成功?，F(xiàn)以在CV四缸曲軸上的應用為例，對半閉式鍛造工藝進行詳細介紹。

應用背景

汽車輕量化是未來節(jié)約能源的重要途徑之一。發(fā)動機作為汽車的重要組成部分，其輕量化程度也是衡量發(fā)動機設計效果的重要參數(shù)。眾所周知，為了輕量化，缸體缸蓋等材料由鑄鐵材質向低密度的鋁鎂合金材質轉變。曲軸質量約占發(fā)動機質量的1/10，其輕量化設計也是重要研究課題之一。

在曲軸的結構組成中，平衡塊的功能是為了平衡旋轉慣性力矩，本身不承擔載荷。因此，平衡塊的減重設計成為實現(xiàn)曲軸輕量化的方向。目前在滿足發(fā)動機旋轉平衡力矩及軸頸載荷安全的條件下，越來越多的曲軸采用四個平衡塊的設計，如圖2所示。

平衡塊數(shù)量的減少，會引起曲軸機加工靜平衡性能的降低。為了保證曲軸鉆去重孔時的靜平衡性能，平衡塊的扇面角度要增加，以確保有足夠的鉆孔位置，平衡塊的高度因此增加。另一方面，為提高機加工效率，曲軸平衡塊側面的加工余量很小或不再加工保持毛坯面，這樣平衡塊的寬度會減小。以某發(fā)動機公司產(chǎn)品為例，原設計產(chǎn)品平衡塊的高寬比（平衡塊的高度與寬度比）為3.5,產(chǎn)品新設計后上升至4.1，平衡塊高寬比上升，毛坯鍛造工藝難度也隨之加大。

圖2 曲軸設計平衡塊數(shù)量變化

圖3 開式鍛造毛邊大小

降低原材料消耗解決方案

為保證平衡塊充型良好，按照傳統(tǒng)的開式鍛造工藝，需要消耗更多的金屬材料。增加原材料消耗，這無疑增加了毛坯的制造成本，也違背綠色鍛造及持續(xù)降成本的經(jīng)營理念，無法實現(xiàn)下游主機廠客戶與毛坯供應商的雙贏。盡管增加輥鍛工藝，但該曲軸材料利用率也只能達到72.7％，材料浪費嚴重，如圖3所示。

在CV六缸曲軸采用局部半閉式鍛造取得良好效果的基礎上，我們進一步在CV四缸曲軸上進行試驗研究。在設備鍛造噸位允許的條件下，在模具設計時我們沿曲軸軸向采取了整體半閉式的結構設計，其典型形狀及尺寸如圖4所示。

圖4 半閉式結構形狀

總體思路為先設定材料利用率目標值，再進行過程設計。具體的設計流程為：

⑴初步設計模具半閉式結構及尺寸。

⑵計算終鍛模具型腔軸向各截面的理論面積，包括假想虛擬毛邊的面積。

⑶根據(jù)各截面理論面積，設計輥坯尺寸。

⑷三維數(shù)值模擬成形過程。

⑸根據(jù)模擬結果分析設計的可行性。

最理想的結果是，曲軸平衡塊充滿度與模擬鍛造厚度保持一致。提前充滿和較大的充不滿形狀，都證明半閉式設計工藝存在缺陷，需要進行修正，修正設計后再進行模擬，直到模擬效果及毛邊分布達到初期設定目標要求，如5所示。

經(jīng)過上述的優(yōu)化循環(huán)，設計方案將最終確定。之后進入模具加工、實物鍛造調試的驗證階段。DF52經(jīng)過在多個曲軸的驗證，實物鍛造的效果與理論模擬效果基本一致，并且滿足曲軸平衡塊的充滿度要求，證明上述循環(huán)優(yōu)化設計方法是可行的。通過批量生產(chǎn)驗證，半閉式結構設計將CV四缸曲軸材料利用率平均提升約5％，超過80％。因為各截面金屬材料的分配更加精細合理，減輕了模具磨損，一次模具壽命提升近15％。

疑點解決

整體半閉式模具結構帶來良好經(jīng)濟效益的同時，在生產(chǎn)過程中也存在一些問題點，需要進行重點管控。

曲軸重量及設備噸位的關系發(fā)生變化

采用半閉式結構，引起曲軸設備噸位的上升。通過設備安裝的噸位檢測儀的測量數(shù)據(jù)，設備噸位平均上升約10％。因此，在根據(jù)曲軸重量選取合適設備時，如果成形過程采取半閉式結構設計，需要考慮設備噸位的變化。DF52繪制了設備額定噸位與額定曲軸重量的關系圖，如圖6所示。

預終鍛均采取半閉式結構的必要性

由于坯料根據(jù)終鍛增加虛擬毛邊計算確定，因此，預鍛設計時成形量需加大，以保證預鍛產(chǎn)生較多毛邊，否則預鍛半閉式將無法起到阻料作用。既便如此，終鍛設計時也要設計半閉式結構，阻止預鍛橋部金屬外流，并影響終鍛成形充滿效果。

模具裝配錯差的嚴格控制

在裝配階段預終鍛模存在錯差，將容易導致設備打擊過程中，上下模具產(chǎn)生干涉引發(fā)設備悶車等故障事故。同時模具錯差引起模具兩側閉料力不均勻，從而影響平衡塊的充滿效果。

圖5 設計方案優(yōu)化流程

圖6 設備額定噸位與曲軸額定重量的關系

減小金屬軸向流動對模具的破壞

金屬在成形時，在模具寬度方向受到半閉式邊界條件約束，不可避免產(chǎn)生軸向流動。為保護模具特別是兩個平衡塊之間的模具部分，不致受軸向不等金屬流動應力產(chǎn)生歪斜失效，采取的措施有兩種：

⑴在模擬階段需要精確計算輥坯各段的體積分布。

⑵在模架空間允許的情況下增加成形制坯工步，合理分流金屬。對于四缸八平衡塊曲軸，增加成形制坯更為有效。

全壽命過程檢測曲軸鍛件及模具的磨損狀態(tài)

采取半閉式結構，需要檢測模具全壽命過程中的鍛件質量，確保鍛件質量未受此結構設計的負面影響；同時對模具磨損程度進行檢測，確保再翻新利用。采用紅外線掃描設備，對鍛件或模具進行掃描成像，與理論模型對比檢測，可以量化確定模具壽命及鍛件實際尺寸，如圖7所示。

結束語

半閉式模具設計是實現(xiàn)資源節(jié)約，降低制造成本以及為客戶創(chuàng)造價值的有效工藝方法，可以大幅度提高曲軸材料利用率。120MN設備所生產(chǎn)的六缸曲軸，采取局部半閉式結構，材料利用率提高約3％；80MN生產(chǎn)的四缸四平衡塊曲軸，采取整體半閉式結構，材料利用率提高約5％；在63MN及40MN生產(chǎn)的PV曲軸，采取整體半閉式結構，材料利用率提高約6％。

圖7 掃描成像對比檢測

整體半閉式結構在曲軸上應用的關鍵，是循環(huán)的設計模擬優(yōu)化過程。采取最優(yōu)化的設計方案，實物驗證才能取得較好效果。通過配置有效的管理及檢測方法，整體半閉式結構的負面影響是能夠得到有效控制并消除的。