07-曲轴常见锻造缺陷及对策

曲轴常见锻造缺陷及对策
[摘要] 本文主要讲述了我公司多年曲轴生产中曾经发生的质量缺陷、缺陷产生部位、产生的原因及解决的措施。

1前言
发动机曲轴是发动机中最重要的、结构和受力情况最复杂的零件之一。

曲轴作为我公司的主要营利产品，生产有二十多年的历史，工艺已趋于成熟稳定，解决现场问题的经验日益渐丰。

但在这几年，人员流动较快，为防止新工艺及生产人员走弯路，预防曾经发生过的质量缺陷再次出现，笔者将从事现场工作中遇到的曲轴各类常见缺陷及解决方法归类如下，作为曲轴设计和生产中处理质量的参考。

2曲轴常见缺陷及对策
2.1充不满
2.1.1平衡块充不满
法兰小头平衡块连杆颈外侧平衡块内侧
曲柄外侧
特征：该类缺陷主要产生在平衡块既高又薄且平衡块尖点离中心较远的曲轴上。

对于8个平衡块的六缸曲轴，中间的第六、七平衡块容易出现。

形成原因：平衡块高宽比大，平衡块内金属的温度下降快，塑性下降；其流动距离较长，模具表面阻力大。

8个平衡块的六缸曲轴，中间的四个平衡块处发生“抢料”现象，六七平衡块成形所需的金属无法补给，所以容易充不满。

对策：1、坯料规格的合理选取。

此方面要注意三个问题：
l一是通常按最密集平衡块部分的材料利用率为80%来初选坯料直径；
l二是要考虑平衡块配重部分占整个曲柄总面积的比例。

坯料面积/（2*配重块面积）≥0.6
l三是要兼顾国内钢厂能够提供的规格，小规格的料比较好选，大规格的料，国内通常是10mm一个规格，时常会发生选上一个规格的较过大，选下一个
规格的料又过小。

在有辊锻的情况下，尽量选用大一些的规格的料。

2、选用适当的压挤工艺及合理分布预锻储料：对于一些大型曲轴，由于平衡块
较厚，再加上压挤工位没有顶料，压挤通常采用平面压挤的方式，此时就要注意不要压的太扁，使压挤后的坯料宽度不要超过预锻型腔边缘，以防止金属势能的流失，从而导致锻件充不满；预锻设计时，在常规设计的基础上，另外将平衡块与主轴径处设计一个较大的三角锥体形的存料区，与连杆颈之间的梯形区域做成一个存料区，即为终锻存储足够的用于填充的金属，此方面运用成功的例子为康C曲轴。

对于小型曲轴，压挤设计的思路一般为比预锻厚2-3mm，全桥部设计。

3、在实际生产中，由于种种原因，有时常采用将预锻模整体下落，桥部宽度加
宽，降封闭高度锻打的方法，即将曲轴锻打得比以前更薄的方法以解决充不满。

此种情况对于料规格较大（但仍充不满）时作用甚微；对于料比较紧张的，采用此种方案较为有效，充分利用预锻的大圆角作用。

4、要控制加热温度及均匀性。

在高温段，金属塑性受温度影响较大。

低温锻打，
不仅恶化模具的工作条件，而且引起锻件充不满。

2.1.2止推环处充不满
特征：该类缺陷主要产生在第四主轴径两侧的止推环上，不易察觉,但发生几率较高。

产生原因:一是氧化皮过厚，喷丸后显现；二是模具型腔内堆积了石墨。

对策：
l该处属于非辊锻区，但仍可利用辊锻轻微变形来达到去除氧化皮的目的；而且在锻打过程中利用风管吹除；
l由于该处型腔较窄，对此我们不但要严格按工艺要求对石墨进行配比，每件润滑一次，并要定期对模具用尖锐的工具对该处进行清理，每班至少清理一
次；
l型腔设计时增加补偿量。

2.1.3曲柄臂充不满
特征：该类缺陷主要产生在连杆颈处型腔较深的下模，发生几率相对不太高，但
每年都会发生，而且一发生锻件就只能报废，无法挽救。

产生原因：机械手送料不到位，或者在生产中有时为了保证平衡块充满，有意将坯料摆偏。

但若摆放的过偏，虽然平衡块充满得到保证，但相应的造成曲柄臂处缺料充不满。

04年湖锻生产D6114曲轴就发生过一次该位置批量的充不满。

对策：解决此类缺陷，主要是要保证将压挤后坯料送到型腔中心位置。

2.2 折（裂）纹
2.2.1 端面折（裂）纹
A 类 产生原因
特征：端面折纹主要发生在小头，通常有两种情况，一种为上图的A 类折纹，在圆周360º都可能发生；另一种为上图的B 类折纹，发生在小头，位置相对固定，为竖向折纹。

产生原因：A 类主要由于材料端面开裂造成。

原材料硬度较高，塑性不足或应力没有释放干净均会造成材料剪切开裂。

B 类产生的原因为辊锻过程中坯料表面的金属变形快，心部的金属变形难、流动慢，辊锻后端面形成大凹陷。

锻打时坯料截面流动速度的差异，加剧了凹陷的负面影响，从而形成折纹，。

对策：A 类折纹，解决措施为适当提高原材料的塑性指标，和控制坯料硬度，并且将坯料加热到蓝脆区进行剪切。

B 类折纹，解决措施为将凹陷区近可能摆放在
A 类折纹 原因：材料端面开裂
B 类折纹 原因：端面凹陷
小头型腔外锻打。

2.2.2 二、五连杆颈折纹
特征：该类折纹通常位于第三四九十曲柄外侧面。

产生原因：主要为预锻该处抬高较大，料多，终锻时曲柄镦粗宽度变宽后,发生边缘啃料现象产生折纹。

对策：通过减小预锻该处曲柄横向宽度(即减小该处金属量)，常规设计是预锻比终锻宽度小1mm 左右，对此建议再减小1-2mm 左右，如上图康C 曲轴折纹，我们通过将预锻该处曲柄宽度由118.8减小到117(终锻为119.8mm)，比终锻小2.8mm ，成功地消除了折纹(见上图)。

另外可适当将终锻该处斜面桥部的R 加大(利于多余金属排出)，更利于折纹的消除。

2.2.3 平衡块分模面处折纹
特征：该类折纹通常位于平衡块内侧分模面附近，其方向与分模面方向一致。

产生原因：预锻预留连皮中心线与终锻分模导面形状不匹配，相差较多引起。

二者相差过大，终锻锻打时上下模不能同时接触预留的连皮，先接触一侧势必会推动金属向另一侧移动，导致圆角锐化,与上模向分模面处流动的金属汇流形成
折
纹。

对策：解决方法为控制预、终锻分模落差，控制在10（约为预锻此处R 角的一半）毫米以内。

哪一侧有折纹，修磨预锻模相应一侧。

2.2.4 连杆颈外侧折纹
特征：该类折纹通常位于1、3、4、6连杆颈外侧的分模面附近，在型腔深的一侧。

产生原因：由于连杆颈与主轴颈的分模面不在一个水平方向上，有一定的落差，而连杆颈与主轴颈在宽度方向上也不平齐；而主轴颈的有限长度，在模具相应型腔的桥部处二者之间形成了一个斜面过渡形式的连接面，在锻打的过程中，主轴颈的金属外流极易受到该处斜面的阻挡从而侧向流动，而由于连杆颈型腔边缘距离坯料中心较主轴颈远得多，从而在两处金属充填型腔的时间有差异的情况下，从连接斜面侧向流动的金属向连杆颈型腔流动，形成折纹。

对策：此类折纹解决方法是疏导，将三角斜面开通，并将三面汇交处做成SR25￣30的球面，使主轴颈一侧多余的金属作纵向流动，补给金属填充连杆颈，从而消除折纹。

2.2.5 校正折纹
特征：该类裂纹，发生的数量较少，但是我们在加工厂处理废品时，每个月都有，产生的位置在曲轴两头的主轴径和曲柄的过渡处，
产生原因：为锻件弯曲变形大，冷校正一次压下量太大造成。

对策：
l产生原因为曲轴冷校正时压下量太大造成。

冷校正后应力难以消除，只能进行时效。

放置至少两个月后再进行探伤检查，以防裂纹件流出厂。

l取消冷校工艺的使用。

冷校的负面影响较大，虽然在表面上达到了消除变形的目的，却给冷加工带来了负面影响。

曲轴加工后应力得到释放，引起曲轴
轴径跳动，当跳动量超过磨削量的要求时，曲轴只能报废。

2.3变形
2.3.1小端变形
特征：该类弯曲变形一般从第二主轴颈处开始变化，弯曲几乎都是向上模弯曲。

产生的原因：随着曲轴越来越长，曲轴小头部分受校正模装模所限，无法全部包容进行校正，以前我们生产的曲轴都用1、7主轴颈作为定位基准，此类问题还可以通过机加工进行弥补，现随着加工厂为解决动平衡问题，纷纷用2、6主轴颈为基准，此问题就充分暴露出来。

对策：
l解决办法为想办法将校正模加长，如康C、D6114曲轴就是将校正模端头悬空加长；
l若是实在无法加长，可适当将余量加大进行补偿，并定期对切边模进行检查、及时更换。

2.3.2平衡块变形
特征：该类变形主要发生在平衡块比较薄的轿车曲轴上，反映的典型特征为平衡块切边后的上下“八”字变形。

该类变形不仅对加工定位带来负面影响，而且去
重孔易钻豁。

产生原因：
l 凹模与锻件轮廓间隙太小，存在切肉现象；
l 凸凹模间隙间隙大宜造成间隙不均匀，从而造成平衡块两侧剪切力不等。

对策：
l 在切边凹模的设计上，凹模与锻件轮廓之间的间隙，应在0.3-0.5mm 之间，
在保证锻件不切肉的条件下，不致使切边力增大，切边变形问题严重。

l 凸凹模间隙取值在0.8毫米以内。

2.3.3 平衡块镦粗变形
特征：平衡块凸模边宽度较另一侧宽度大，在平衡块比较薄的小曲轴上较为明显。

产生原因：凹模刃口老化或者终锻桥部磨损，造成切边力量加大，平衡块发生镦粗变形而展宽，该类缺陷影响到产品最终的动平衡（表现为凸模重）。

对策：
l 对此问题的解决方法为在设计时有意将平衡块的上模减薄0.2mm 左右或将
拔模角减小0.5度，进行工艺补偿。

l 优化成形工艺，增加精锻工序，减小桥部磨损，减小切边力。

2.4 凹坑
2.4.1 氧化坑
特征：主要分布在曲轴的型腔较窄、深处，凹凸不平滑。

产生原因：型腔较窄深，又在下模，极易堆积氧化皮等残渣。

对策：坚持按工艺要求对模具进行吹风、润滑，并及时对该类位置用尖锐的工具进行清理。

2.4.2 异物压入
氧化坑处
特征：此类缺陷出现在下模，位置不定，深度较深。

产生原因：模具顶杆孔内钻有小飞边，飞边脱落后掉入型腔打入下一支锻件上。

对策：1、坚持每生产一件就对模具吹风清理一次，保证及时将异物清出型腔。

2、保证顶杆和顶杆的配合精度，发现顶杆缺损后及时更换，以防止顶杆
孔内钻有小飞边。

[结束语]
曲轴锻造工艺和生产过程比较复杂，生产中碰到的质量问题很多，以上所列均是相对比较多的一些质量缺陷。

对于质量缺陷的处理方法，在本文中作了比较详细的说明。

但对于具体的工艺参数（如抬高量、轴向间隙、劈料角度等）及局部的形状设计，要根据曲轴的形状，大小及机加工要求不同而区分对待。

相信通过对未知领域（如动平衡性能研究）不断的探索实践及计算机三维模拟的有效运用，曲轴成形还可以进一步的优化，从设计的源头达到提高曲轴质量水平的目的。