朝柴NGD3.0曲軸鍛造工藝研究

■內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)富成鍛造有限責(zé)任公司 韓海河，宮顯宇，車奇楠，梁志保，秦 偉

朝柴NGD3.0曲軸鍛造工藝研究

■內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)富成鍛造有限責(zé)任公司 韓海河，宮顯宇，車奇楠，梁志保，秦 偉

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)重零部件之一。NGD3.0曲軸裝配于朝柴研發(fā)的某新型商務(wù)車發(fā)動(dòng)機(jī)，項(xiàng)目組針對(duì)NGD3.0曲軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了合理的鍛模工裝，通過工藝不斷優(yōu)化，制造出精度高、外觀美、性能好的曲軸鍛件。

NGD3.0曲軸（見圖1）裝配于朝柴公司最新研發(fā)的中型商務(wù)車發(fā)動(dòng)機(jī)中，將替代現(xiàn)有的QD32型發(fā)動(dòng)機(jī)。該曲軸鍛件尺寸精度高、公差范圍小、平衡塊落差高，對(duì)鍛造工藝、模具壽命和質(zhì)量穩(wěn)定性等提出了很高的要求。

一、技術(shù)難點(diǎn)分析及措施

1. 工藝技術(shù)難點(diǎn)分析

（1）鍛造成形工藝 NG D3.0曲軸屬于中型精化曲軸，脫模斜度僅為1.5°～3°。曲軸平衡塊?。?1mm）且高（單側(cè)79.4mm），屬于極難充滿的類型，根據(jù)以往實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，此種類型產(chǎn)品如預(yù)鍛充型效果差，大量金屬流到模膛外，就會(huì)導(dǎo)致終鍛件無法充滿；預(yù)鍛成形效果不理想的中間毛坯將會(huì)使終鍛打擊力過大，降低模具使用壽命且會(huì)對(duì)設(shè)備造成影響。

（2）動(dòng)平衡指標(biāo) 曲軸平衡塊兩側(cè)均為非加工面，較一般曲軸來講，動(dòng)平衡指標(biāo)將更難保證。

（3）切邊模設(shè)計(jì) 曲軸平衡塊薄，最大高度與厚度比達(dá)到了3.8，極易發(fā)生彎曲和變形，超出廠家技術(shù)指標(biāo)范圍，因此，必須在切邊后進(jìn)行熱校正。雙25MN壓力機(jī)鍛造生產(chǎn)線僅有3臺(tái)設(shè)備（2臺(tái)JTLY500型25MN液壓螺旋壓力機(jī)，一臺(tái)JL37-630曲柄壓力機(jī)），如果進(jìn)行校正就必須更換模具，不便于生產(chǎn)，這就要求在切邊壓力機(jī)上設(shè)計(jì)出一套切邊校正聯(lián)動(dòng)裝置。

（4）模具制造 曲軸整體質(zhì)量要求較高，這要求模具的加工精度必須得到保證。

2. 工藝技術(shù)難度解決措施

（1）在預(yù)鍛模具每個(gè)缸的兩個(gè)平衡塊之間添加儲(chǔ)料區(qū)（見圖2），儲(chǔ)存部分可能被預(yù)鍛過程擠出的坯料，降低預(yù)鍛打擊力，儲(chǔ)存的料在終鍛過程中釋放，方便終鍛過程平衡塊頂端的充滿。

圖1 NGD3.0曲軸鍛件

圖2 預(yù)鍛熱鍛件及局部剖面

（2）在預(yù)、終鍛模平衡塊上下模局部做了阻力墻，增大了金屬流向模膛外部的阻力，達(dá)到聚料的效果，提高預(yù)鍛成形質(zhì)量，降低終鍛打擊力度。

（3）NGD3.0曲軸平衡塊兩側(cè)均為非加工面，切邊過程會(huì)造成下部重量小于上部，動(dòng)平衡將因此超標(biāo)。為此，工藝組設(shè)計(jì)了一種特殊的終鍛熱鍛件。如圖4所示，終鍛熱鍛件上、下并非完全對(duì)稱，在下模平衡塊兩側(cè)在不超出公差的范圍內(nèi)增加了部分坯料，平衡由切邊過程所造成的毛坯上、下重量偏差。

（4）為保證切邊后進(jìn)行熱校正，切邊、熱校正模具同時(shí)安裝在6300kN曲柄壓力機(jī)上，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。切邊模、校正模通過底板螺栓固定在壓力機(jī)上，校正過程通過碟簧來控制打擊力度，防止超過壓力機(jī)的打擊能力造成過載；為增強(qiáng)校正導(dǎo)向，校正模具添加了四角導(dǎo)軌，單側(cè)間隙為2mm；碟簧最適宜的工作溫度為–15～150℃，為防止碟簧在使用過程中因過熱而變形失效，校正模支承板上設(shè)計(jì)了通風(fēng)孔，在風(fēng)機(jī)作用下碟簧工作空間溫度保持穩(wěn)定。

（5）為保證模具質(zhì)量和精度，項(xiàng)目組采用Pro/E軟件做出了全部模具的三維模型，模具車間采用數(shù)控加工中心進(jìn)行整體數(shù)控加工，保證了模具的統(tǒng)一性；項(xiàng)目組繪制了模具1∶1二維檢測樣板，用于保證在模具交付時(shí)檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性；每次交檢的模具模膛表面進(jìn)行拋光處理，提高模具的表面粗糙度。

圖3 預(yù)鍛阻力墻設(shè)計(jì)

圖4 終鍛熱鍛件局部尺寸

圖5 切邊校正示意

二、有限元分析

為保證NGD3.0曲軸的充型質(zhì)量，優(yōu)化工藝參數(shù)，縮短試制周期，降低試制費(fèi)用，項(xiàng)目組利用Deform-3D軟件進(jìn)行了NGD3.0曲軸鍛造工藝有限元模擬分析。相關(guān)參數(shù)見附表，42CrMoA應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖6。

N G D3.0曲軸鍛造有限元分析分預(yù)鍛—終鍛兩工步。由圖7模擬結(jié)果可看出，曲軸預(yù)、終鍛充型效果都達(dá)到了預(yù)期，未出現(xiàn)鍛造缺陷。預(yù)鍛打擊力19 200k N，終鍛打擊力23 800kN，均在設(shè)備安全打擊力30MN范圍內(nèi)，滿足批量生產(chǎn)的需求。

三、鍛造工藝流程制訂

1. 工藝流程

下料→加熱（中頻爐）→預(yù)、終鍛鍛造成形（雙25MN壓力機(jī)）→切邊、校正（6300kN壓力機(jī)）→熱處理→表面清理→探傷→鍛件終檢。

2. 鍛造工藝

(1)計(jì)算下料規(guī)格 根據(jù)N G D 3.0鍛件圖樣，通過經(jīng)驗(yàn)計(jì)算、實(shí)體造型及有限元分析得出下料規(guī)格尺寸為φ120mm×(550±2)mm，經(jīng)小批量（50件）生產(chǎn)驗(yàn)證，滿足生產(chǎn)要求，已納入工藝。

（2）加熱 鋼42CrMoA鍛造適宜溫度為1180～1220℃，工藝定制為中頻爐加熱，加熱節(jié)拍70 s/件，并用光學(xué)高溫計(jì)進(jìn)行抽檢并做好記錄，避免造成過燒或溫度過低。

（3）鍛造成形 根據(jù)模擬分析結(jié)果，預(yù)、終鍛打擊次數(shù)均為1次，避免多次打擊的情況下出現(xiàn)鍛造缺陷。由于平衡塊為非加工，每次鍛造完成后需先用風(fēng)管對(duì)模膛進(jìn)行徹底清理，然后再用石墨進(jìn)行模具潤滑冷卻，防止因氧化物堆積造成平衡塊充型不完全。

（4）切邊、校正 采用切邊、精整一體模具進(jìn)行切邊，切邊、精整過程分兩次完成。

（5）熱處理 曲軸鍛件內(nèi)在質(zhì)量的好壞主要取決于金相組織及力學(xué)性能。項(xiàng)目組依據(jù)原材料復(fù)驗(yàn)報(bào)告單中的合金元素含量，確定鍛件熱處理工藝的加熱及保溫參數(shù)，從而保證熱處理質(zhì)量。通過精確控制淬火、回火溫度，使NGD3.0曲軸內(nèi)在質(zhì)量得到有效保證，滿足了生產(chǎn)要求。

圖6 42CrMoA應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖7 鍛造工藝有限元分析

模擬相關(guān)參數(shù)

四、結(jié)語

通過工藝試制及生產(chǎn)驗(yàn)證，NGD3.0曲軸工藝方案及鍛造工藝參數(shù)正確、合理，能夠切實(shí)指導(dǎo)生產(chǎn)。試制所用的生產(chǎn)設(shè)備、工藝裝備、檢測儀器及檢測方法能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量要求。生產(chǎn)的NGD3.0曲軸鍛件的外觀質(zhì)量、尺寸精度、力學(xué)性能等指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

20150709