朝柴NGD3.0曲軸鍛造工藝研究

■內蒙古一機集團富成鍛造有限責任公司 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

■內蒙古一機集團富成鍛造有限責任公司 韓海河，宮顯宇，車奇楠，梁志保，秦 偉

曲軸是發動機的關重零部件之一。NGD3.0曲軸裝配于朝柴研發的某新型商務車發動機，項目組針對NGD3.0曲軸結構特點，設計了合理的鍛模工裝，通過工藝不斷優化，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的中型商務車發動機中，將替代現有的QD32型發動機。該曲軸鍛件尺寸精度高、公差范圍小、平衡塊落差高，對鍛造工藝、模具壽命和質量穩定性等提出了很高的要求。

一、技術難點分析及措施

1. 工藝技術難點分析

（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°。曲軸平衡塊薄（21mm）且高（單側79.4mm），屬于極難充滿的類型，根據以往實際生產經驗，此種類型產品如預鍛充型效果差，大量金屬流到模膛外，就會導致終鍛件無法充滿；預鍛成形效果不理想的中間毛坯將會使終鍛打擊力過大，降低模具使用壽命且會對設備造成影響。

（2）動平衡指標 曲軸平衡塊兩側均為非加工面，較一般曲軸來講，動平衡指標將更難保證。

（3）切邊模設計 曲軸平衡塊薄，最大高度與厚度比達到了3.8，極易發生彎曲和變形，超出廠家技術指標范圍，因此，必須在切邊后進行熱校正。雙25MN壓力機鍛造生產線僅有3臺設備（2臺JTLY500型25MN液壓螺旋壓力機，一臺JL37-630曲柄壓力機），如果進行校正就必須更換模具，不便于生產，這就要求在切邊壓力機上設計出一套切邊校正聯動裝置。

（4）模具制造 曲軸整體質量要求較高，這要求模具的加工精度必須得到保證。

2. 工藝技術難度解決措施

（1）在預鍛模具每個缸的兩個平衡塊之間添加儲料區（見圖2），儲存部分可能被預鍛過程擠出的坯料，降低預鍛打擊力，儲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 預鍛熱鍛件及局部剖面

（2）在預、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，達到聚料的效果，提高預鍛成形質量，降低終鍛打擊力度。

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

（4）為保證切邊后進行熱校正，切邊、熱校正模具同時安裝在6300kN曲柄壓力機上，其結構如圖5所示。切邊模、校正模通過底板螺栓固定在壓力機上，校正過程通過碟簧來控制打擊力度，防止超過壓力機的打擊能力造成過載；為增強校正導向，校正模具添加了四角導軌，單側間隙為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，校正模支承板上設計了通風孔，在風機作用下碟簧工作空間溫度保持穩定。

（5）為保證模具質量和精度，項目組采用Pro/E軟件做出了全部模具的三維模型，模具車間采用數控加工中心進行整體數控加工，保證了模具的統一性；項目組繪制了模具1∶1二維檢測樣板，用于保證在模具交付時檢驗的準確性；每次交檢的模具模膛表面進行拋光處理，提高模具的表面粗糙度。

圖3 預鍛阻力墻設計

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曲軸的充型質量，優化工藝參數，縮短試制周期，降低試制費用，項目組利用Deform-3D軟件進行了NGD3.0曲軸鍛造工藝有限元模擬分析。相關參數見附表，42CrMoA應力應變曲線見圖6。

N G D3.0曲軸鍛造有限元分析分預鍛—終鍛兩工步。由圖7模擬結果可看出，曲軸預、終鍛充型效果都達到了預期，未出現鍛造缺陷。預鍛打擊力19 200k N，終鍛打擊力23 800kN，均在設備安全打擊力30MN范圍內，滿足批量生產的需求。

三、鍛造工藝流程制訂

1. 工藝流程

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

2. 鍛造工藝

(1)計算下料規格 根據N G D 3.0鍛件圖樣，通過經驗計算、實體造型及有限元分析得出下料規格尺寸為φ120mm×(550±2)mm，經小批量（50件）生產驗證，滿足生產要求，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，加熱節拍70 s/件，并用光學高溫計進行抽檢并做好記錄，避免造成過燒或溫度過低。

（3）鍛造成形 根據模擬分析結果，預、終鍛打擊次數均為1次，避免多次打擊的情況下出現鍛造缺陷。由于平衡塊為非加工，每次鍛造完成后需先用風管對模膛進行徹底清理，然后再用石墨進行模具潤滑冷卻，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、精整一體模具進行切邊，切邊、精整過程分兩次完成。

（5）熱處理 曲軸鍛件內在質量的好壞主要取決于金相組織及力學性能。項目組依據原材料復驗報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，從而保證熱處理質量。通過精確控制淬火、回火溫度，使NGD3.0曲軸內在質量得到有效保證，滿足了生產要求。

圖6 42CrMoA應力應變曲線

圖7 鍛造工藝有限元分析

模擬相關參數

四、結語

通過工藝試制及生產驗證，NGD3.0曲軸工藝方案及鍛造工藝參數正確、合理，能夠切實指導生產。試制所用的生產設備、工藝裝備、檢測儀器及檢測方法能夠保證產品的質量要求。生產的NGD3.0曲軸鍛件的外觀質量、尺寸精度、力學性能等指標均滿足設計標準。

20150709