椭圆型曲柄臂A系列曲轴锻件镦锻工艺优化

文/杜绍贵，何正海·中国中车资阳机车有限公司

椭圆型曲柄臂A系列曲轴锻件镦锻工艺优化

文/杜绍贵，何正海·中国中车资阳机车有限公司

A系列曲轴材料利用率偏低，通过分析有四个原因：锻件加工余量偏大且不均匀、曲柄臂分模方式欠优、锻前坯料耗损大、曲柄臂外轮廓相似度差。通过制定镦锻工艺优化方案，包括调整加工余量、优化分模方式、精化曲柄臂外形、减小坯料规格等。经模拟分析、成形试验及生产验证，曲轴光坯平均减重10.4%，曲轴材料利用率平均达到61.7%。

A系列曲轴包括A6、A8、AG6、AG8四项产品，其曲柄臂全部为椭圆型，是我公司与国内某柴油机制造企业合作研发的曲轴产品的简称，该系列曲轴全部为粗加工状态交货。由于柴油机市场竞争激烈，合作方希望我们能够提升曲轴制造工艺，降低曲轴制造成本，共同迎接挑战，扩大市场份额。为此，我公司内部积极开展工艺优化、改进曲轴锻件镦锻以及热处理、机械加工工艺。

本文以A6曲轴锻件镦锻工艺作为对象，针对曲轴锻件材料利用率偏低这个突出问题，结合现有工艺装备，实施镦锻工艺优化，提出了调整加工余量，减小坯料直径，采用折线分模，减小主轴颈环槽深度，优化曲柄臂外轮廓形状并锻出平衡块安装面的镦锻工艺优化方案，通过有限元软件模拟、两拐镦锻成形试验，验证了优化方案的可行性、合理性，镦锻工艺优化后的A6曲轴锻件实现了批量镦锻生产、交付，工艺稳定，锻件质量优良。

原有镦锻工艺

A6曲轴材料为合金结构钢，钢锭开坯锻造比≥5。A6曲轴锻件于2005年3月完成镦锻工艺设计，经试验、验证并于2005年10月批量生产，通过细致分析可发现镦锻工艺有以下不足。

⑴加工余量偏大、不均匀。由于每个企业所采用的镦锻工艺和装备不同，所采用的热处理、机械加工工艺也不同，较难统一加工余量的加放标准，工艺师需结合本企业的实际情况并根据自己的经验来进行镦锻工艺设计。按交货状态计算，A6曲轴锻件曲柄臂厚度加工余量为11mm，曲柄臂外圆周最大加工余量为49.6mm，最小加工余量为22.6mm；曲柄臂平衡块安装面最大加工余量为40mm，最小加工余量为20.8mm。

⑵曲柄臂直线分模。镦锻工艺设计将曲柄臂的分模线与连杆颈分模线位于同一平面称之为直线分模。图1为A6曲轴锻件曲柄臂，弯曲上下模组合。从图1可以看出直线分模有以下缺点：①弯曲模型腔分配不合理。弯曲上模型腔深335mm，弯曲下模型腔深146mm，型腔深度比值达到2.29，平衡块安装面镦锻成形困难，极易在镦锻时出现塌角(缺肉、充不满等）缺陷；②曲柄臂外圆周加工余量不均匀，最大加工余量与最小加工余量相差27mm；③曲柄臂重量增加，材料消耗多。A6曲轴锻件一个曲柄臂的重量为127kg。

图1 直线分模存在的缺点

⑶锻前坯料耗损大。镦锻前对曲轴光坯进行两次机械加工以获得符合要求的坯料。A6曲轴光坯的重量为3303kg，锻前坯料耗损为227.4kg，占光坯重量的6.9%。

⑷曲柄臂外轮廓重合度较差。曲柄臂外轮廓形状的设计，在充分考虑曲柄臂镦锻成形过程中的难度、曲柄臂是否产生较大的飞边、脱模是否顺畅的基础上，应尽可能让曲柄臂外轮廓形状与交货状态相重合。从图1a中可以看出A6曲轴锻件曲柄臂外轮廓重合度较差，其重合度系数（即曲柄臂锻件重量与曲柄臂交货状态重量之比）为1.75。

⑸材料利用率偏低。以上四个方面的问题，最终都会增加原材料的消耗，都会通过材料利用率这个指标体现出来，材料利用率是检验曲轴镦锻工艺水平最具说服力的指标。A6曲轴交货状态的重量为1818.9kg，毛坯重量为3303kg，材料利用率为55.1%。

镦锻工艺优化

通过上述分析，针对原有镦锻工艺提出以下工艺优化方案。

⑴调整加工余量。根据交货状态图，结合下道工序提供的锻件交验标准，调整径向轴向加工余量，优化曲柄臂外轮廓形状，对A6曲轴锻件进行全方位“瘦身”。图2为镦锻工艺优化后A6曲轴锻件三维图，该锻件一个曲柄臂的重量为116.4kg，较改进前减少了10.6kg。

图2 镦锻工艺优化后A6曲轴锻件三维图

图3 折线分模的优势

⑵改进分模方式、锻出平衡块安装面，提高曲柄臂外轮廓重合度。采用折线分模，不仅可以合理分配上下模型腔深度，有利于曲柄臂镦锻成形，而且曲柄臂外轮廓加工余量分布均匀。此外，将曲柄臂顶部锻成平面，可以减少平衡块安装面的加工余量，也有利于曲柄臂镦锻成形，特别是有利于平衡块安装面“肩膀”位置的镦锻成形。这样，曲柄臂外轮廓重合度得以大幅提高。图3为镦锻工艺优化后的A6曲轴锻件曲柄臂及其弯曲上下模组合。根据图3可计算出：①其曲柄臂外轮廓重合度系数为116.4÷72.56=1.60，较改进前减小了0.15；②弯曲上、下模型腔深度比值仅为204÷245=0.83，较改进前减小了1.46。

⑶减小坯料规格。坯料直径是在锻件主轴颈直径的基础上加上主轴颈环槽深度得以确定的，但这是基于经验的方法，所确定的坯料直径往往偏大，增加不必要的材料消耗。如何确定合理的坯料直径，在工艺设计中引入“当量圆”的概念。曲柄臂镦锻成形过程，包括水平镦粗和水平镦粗+垂直弯曲两个连续的工步，第一阶段水平镦粗结束时坯料呈鼓形，其最大截面投影称之为“当量圆”，为使曲柄臂充填饱满又不产生过大的飞边，“当量圆”的半径略大于平衡块安装面高度为佳。工艺优化后A6曲轴锻件用料规格初选为φ270mm，锻前坯料尺寸为φ270mm×265mm。

⑷减少工艺用料。减少工艺用料从两个方面着手：一是精化光坯订料尺寸，直接按锻前使用尺寸订料；二是减小主轴颈环槽深度，即采用浅环槽坯料，减少锻前坯料耗损。镦锻工艺优化后毛坯重量为2966kg，锻前坯料耗损为89kg，占毛坯重量的3%，比工艺优化前减少3.9%。

为了验证A6曲轴锻件镦锻成形工艺优化的可行性、可靠性，采用有限元软件对镦锻成形过程进行模拟成形仿真分析，模拟成形结果见图4，单拐模拟结果充填饱满，没有任何外观缺陷。通过两拐镦锻成形试验和A6曲轴锻件镦锻生产来进一步验证工艺方案的可行性、合理性。两拐镦锻成形试验结果见图5。

图4 模拟成形结果

图5 两拐镦锻成形试验结果

A6曲轴锻件批量生产验证。我厂采用该工艺已经生产A6曲轴锻件59支，曲轴锻件完全满足工艺标准要求，一次性交检合格。图6为镦锻工艺优化后的A6曲轴锻件。

图6 镦锻工艺优化后的A6曲轴锻件

工艺优化效果

可通过以下几个工艺技术参数来对A6曲轴锻件工艺优化的效果进行综合评价，见表1。

表1 A6曲轴锻件镦锻成形工艺优化效果

A6曲轴锻件镦锻成形工艺优化获得了满意的结果，有效地解决了平衡块安装面塌角、充不满的问题，精化了曲轴锻件外形，减小了用料规格，显著减小了光坯重量和锻前坯料耗损，提高了材料利用率，锻件一次性投产成功，工艺稳定，质量优良，具有非常好的推广价值。借用A6镦锻工艺优化成功的经验，将该系列其余3种曲轴锻件也实施了同样的镦锻工艺优化并批量生产。截止2015年8月30日，已完成A6、AG6、A8、AG8曲轴锻件138支的生产。四种曲轴锻件光坯采购重量平均每支减重378.8kg，平均减重10.4%，平均材料利用率达到61.7%。2015年四种锻件实际采购光坯146支，合计节省材料消耗378.8kg×146=55.3048（t），随着产量的增加，其经济效益也将逐渐显现出来。

结论

⑴提升了曲轴锻件几何尺寸精度，重点在于精化曲柄臂锻件外形轮廓尺寸，应选择折线分模，锻出平衡块安装面，最大限度提高曲柄臂外轮廓重合度。

⑵减小坯料规格，可减少锻前坯料耗损，有利于提高曲轴材料利用率，减小坯料主轴颈环槽深度是减小坯料规格的有效途径。经验表明，可将坯料主轴颈环槽深度控制在8mm（单边）以内。

⑶坯料直径大小选择是否适当，可以通过计算“当量圆”直径来进行判断。

⑷按锻前坯料直径、长度订料是减少工艺用料的有效方法之一。