朝柴NGD3.0曲轴锻造工艺研究

■内蒙古一机集团富成锻造有限责任公司 韩海河，宫显宇，车奇楠，梁志保，秦 伟

朝柴NGD3.0曲轴锻造工艺研究

■内蒙古一机集团富成锻造有限责任公司 韩海河，宫显宇，车奇楠，梁志保，秦 伟

曲轴是发动机的关重零部件之一。NGD3.0曲轴装配于朝柴研发的某新型商务车发动机，项目组针对NGD3.0曲轴结构特点，设计了合理的锻模工装，通过工艺不断优化，制造出精度高、外观美、性能好的曲轴锻件。

NGD3.0曲轴（见图1）装配于朝柴公司最新研发的中型商务车发动机中，将替代现有的QD32型发动机。该曲轴锻件尺寸精度高、公差范围小、平衡块落差高，对锻造工艺、模具寿命和质量稳定性等提出了很高的要求。

一、技术难点分析及措施

1. 工艺技术难点分析

（1）锻造成形工艺 NG D3.0曲轴属于中型精化曲轴，脱模斜度仅为1.5°～3°。曲轴平衡块薄（21mm）且高（单侧79.4mm），属于极难充满的类型，根据以往实际生产经验，此种类型产品如预锻充型效果差，大量金属流到模膛外，就会导致终锻件无法充满；预锻成形效果不理想的中间毛坯将会使终锻打击力过大，降低模具使用寿命且会对设备造成影响。

（2）动平衡指标 曲轴平衡块两侧均为非加工面，较一般曲轴来讲，动平衡指标将更难保证。

（3）切边模设计 曲轴平衡块薄，最大高度与厚度比达到了3.8，极易发生弯曲和变形，超出厂家技术指标范围，因此，必须在切边后进行热校正。双25MN压力机锻造生产线仅有3台设备（2台JTLY500型25MN液压螺旋压力机，一台JL37-630曲柄压力机），如果进行校正就必须更换模具，不便于生产，这就要求在切边压力机上设计出一套切边校正联动装置。

（4）模具制造 曲轴整体质量要求较高，这要求模具的加工精度必须得到保证。

2. 工艺技术难度解决措施

（1）在预锻模具每个缸的两个平衡块之间添加储料区（见图2），储存部分可能被预锻过程挤出的坯料，降低预锻打击力，储存的料在终锻过程中释放，方便终锻过程平衡块顶端的充满。

图1 NGD3.0曲轴锻件

图2 预锻热锻件及局部剖面

（2）在预、终锻模平衡块上下模局部做了阻力墙，增大了金属流向模膛外部的阻力，达到聚料的效果，提高预锻成形质量，降低终锻打击力度。

（3）NGD3.0曲轴平衡块两侧均为非加工面，切边过程会造成下部重量小于上部，动平衡将因此超标。为此，工艺组设计了一种特殊的终锻热锻件。如图4所示，终锻热锻件上、下并非完全对称，在下模平衡块两侧在不超出公差的范围内增加了部分坯料，平衡由切边过程所造成的毛坯上、下重量偏差。

（4）为保证切边后进行热校正，切边、热校正模具同时安装在6300kN曲柄压力机上，其结构如图5所示。切边模、校正模通过底板螺栓固定在压力机上，校正过程通过碟簧来控制打击力度，防止超过压力机的打击能力造成过载；为增强校正导向，校正模具添加了四角导轨，单侧间隙为2mm；碟簧最适宜的工作温度为–15～150℃，为防止碟簧在使用过程中因过热而变形失效，校正模支承板上设计了通风孔，在风机作用下碟簧工作空间温度保持稳定。

（5）为保证模具质量和精度，项目组采用Pro/E软件做出了全部模具的三维模型，模具车间采用数控加工中心进行整体数控加工，保证了模具的统一性；项目组绘制了模具1∶1二维检测样板，用于保证在模具交付时检验的准确性；每次交检的模具模膛表面进行抛光处理，提高模具的表面粗糙度。

图3 预锻阻力墙设计

图4 终锻热锻件局部尺寸

图5 切边校正示意

二、有限元分析

为保证NGD3.0曲轴的充型质量，优化工艺参数，缩短试制周期，降低试制费用，项目组利用Deform-3D软件进行了NGD3.0曲轴锻造工艺有限元模拟分析。相关参数见附表，42CrMoA应力应变曲线见图6。

N G D3.0曲轴锻造有限元分析分预锻—终锻两工步。由图7模拟结果可看出，曲轴预、终锻充型效果都达到了预期，未出现锻造缺陷。预锻打击力19 200k N，终锻打击力23 800kN，均在设备安全打击力30MN范围内，满足批量生产的需求。

三、锻造工艺流程制订

1. 工艺流程

下料→加热（中频炉）→预、终锻锻造成形（双25MN压力机）→切边、校正（6300kN压力机）→热处理→表面清理→探伤→锻件终检。

2. 锻造工艺

(1)计算下料规格 根据N G D 3.0锻件图样，通过经验计算、实体造型及有限元分析得出下料规格尺寸为φ120mm×(550±2)mm，经小批量（50件）生产验证，满足生产要求，已纳入工艺。

（2）加热 钢42CrMoA锻造适宜温度为1180～1220℃，工艺定制为中频炉加热，加热节拍70 s/件，并用光学高温计进行抽检并做好记录，避免造成过烧或温度过低。

（3）锻造成形 根据模拟分析结果，预、终锻打击次数均为1次，避免多次打击的情况下出现锻造缺陷。由于平衡块为非加工，每次锻造完成后需先用风管对模膛进行彻底清理，然后再用石墨进行模具润滑冷却，防止因氧化物堆积造成平衡块充型不完全。

（4）切边、校正 采用切边、精整一体模具进行切边，切边、精整过程分两次完成。

（5）热处理 曲轴锻件内在质量的好坏主要取决于金相组织及力学性能。项目组依据原材料复验报告单中的合金元素含量，确定锻件热处理工艺的加热及保温参数，从而保证热处理质量。通过精确控制淬火、回火温度，使NGD3.0曲轴内在质量得到有效保证，满足了生产要求。

图6 42CrMoA应力应变曲线

图7 锻造工艺有限元分析

模拟相关参数

四、结语

通过工艺试制及生产验证，NGD3.0曲轴工艺方案及锻造工艺参数正确、合理，能够切实指导生产。试制所用的生产设备、工艺装备、检测仪器及检测方法能够保证产品的质量要求。生产的NGD3.0曲轴锻件的外观质量、尺寸精度、力学性能等指标均满足设计标准。

20150709