曲軸鍛件的質(zhì)量與成本分析

文/謝杰鋒，李亮群·桂林福達(dá)重工鍛造有限公司

曲軸是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的核心部件，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的不同，可分為三缸曲軸、四缸曲軸、六缸曲軸等類(lèi)型；按照曲軸用途的不同，可分為乘用車(chē)曲軸、商用車(chē)曲軸、船用曲軸等類(lèi)型。

一根曲軸鍛件從圖紙到實(shí)物需要經(jīng)過(guò)多個(gè)階段：產(chǎn)品評(píng)審→開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)→模具制造→鍛造生產(chǎn)。每個(gè)階段都會(huì)影響曲軸鍛件的質(zhì)量，曲軸鍛件的質(zhì)量是上述階段的集成，同時(shí)每個(gè)階段都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的成本。

質(zhì)量與成本是密不可分的關(guān)系，高質(zhì)量產(chǎn)品既能增加客戶(hù)的滿意度也能提升企業(yè)自身的品牌，低成本能提高企業(yè)的生存能力。當(dāng)下市場(chǎng)環(huán)境低迷，為了生存和發(fā)展，越來(lái)越多的企業(yè)實(shí)行高質(zhì)量低成本的方針也是大勢(shì)所趨。

為了使曲軸鍛件具備高質(zhì)量的同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)降低成本的目標(biāo)，以提高企業(yè)自身競(jìng)爭(zhēng)力，本文將從曲軸鍛件產(chǎn)品評(píng)審、開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、模具制造、鍛造生產(chǎn)等方面探討質(zhì)量提升與成本管控的關(guān)系。

曲軸鍛件鍛造工藝介紹

目前曲軸鍛件生產(chǎn)多數(shù)使用自由鍛成形工藝和模鍛成形工藝，自由鍛成形工藝鍛件質(zhì)量差(受鍛造工藝和鍛造工人操作水平的影響)、生產(chǎn)率低、工作環(huán)境較差、模具壽命低；熱模鍛壓力機(jī)模鍛成形工藝和自由鍛工藝相比，具有尺寸精度高、鍛件質(zhì)量穩(wěn)定、加工余量小等優(yōu)點(diǎn)，易于設(shè)計(jì)成自動(dòng)化生產(chǎn)線，因此熱模鍛壓力機(jī)模鍛成形工藝的生產(chǎn)效率高、工作環(huán)境好，廢液、廢氣等指標(biāo)也符合環(huán)保的要求，但是設(shè)備的投入相對(duì)較大，本文將探討熱模鍛壓力機(jī)模鍛成形工藝下曲軸鍛件的質(zhì)量與成本。

產(chǎn)品評(píng)審

對(duì)于鍛造企業(yè)而言，曲軸鍛件的開(kāi)發(fā)基于產(chǎn)品圖紙(多數(shù)為二維鍛件圖或成品圖)，所有的質(zhì)量要求都源自于產(chǎn)品圖紙，在產(chǎn)品評(píng)審這個(gè)階段需要分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，確認(rèn)產(chǎn)品的尺寸、性能、外觀等要求，從而確定鍛造工藝、用料等。

曲軸必須是一個(gè)平衡件，才能在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部平穩(wěn)運(yùn)作。動(dòng)平衡報(bào)廢是曲軸鍛件機(jī)加工的一個(gè)主要報(bào)廢模式，也是客戶(hù)反饋投訴較多的項(xiàng)目，在產(chǎn)品評(píng)審階段使用動(dòng)平衡軟件，計(jì)算曲軸的成品動(dòng)平衡，如果發(fā)現(xiàn)曲軸的動(dòng)平衡角度差、動(dòng)平衡量大，經(jīng)過(guò)評(píng)估去重難度大或根本無(wú)法去重，則需要在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)前與客戶(hù)溝通，反饋問(wèn)題項(xiàng)，同時(shí)也提出一些可行性建議，協(xié)同解決問(wèn)題，提高產(chǎn)品質(zhì)量，一次開(kāi)發(fā)成功，降低開(kāi)發(fā)成本。

合理的鍛造工藝對(duì)于成本的管控至關(guān)重要，例如一個(gè)產(chǎn)品不需要輥鍛工序，但評(píng)審分析直接套用其他產(chǎn)品的工藝增加輥鍛工序，這種情況一會(huì)產(chǎn)生輥鍛工序費(fèi)用，二會(huì)降低生產(chǎn)節(jié)拍，增加不必要的成本。

用料占整個(gè)產(chǎn)品成本的70%以上，是最需要控制的一個(gè)項(xiàng)目。用料過(guò)多材料利用率低，成本增加；用料過(guò)少產(chǎn)品成形困難(如出現(xiàn)鍛件充型不滿等)，生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量表現(xiàn)差，輕則批量返工，重則導(dǎo)致產(chǎn)品批量報(bào)廢。

從產(chǎn)品評(píng)審這個(gè)階段開(kāi)始，曲軸鍛件的質(zhì)量和成本就開(kāi)始顯現(xiàn)了，合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鍛造工藝、用料是保證高質(zhì)量和低成本的基礎(chǔ)。產(chǎn)品評(píng)審的原則就是具體情況具體分析，實(shí)事求是。

開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

曲軸鍛件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)是由圖紙轉(zhuǎn)換到專(zhuān)業(yè)軟件設(shè)計(jì)的應(yīng)用階段，使用二維制圖軟件(如CAD 軟件)繪制產(chǎn)品圖紙，使用三維建模軟件(如CATIA、UG 軟件)設(shè)計(jì)模具造型，使用專(zhuān)業(yè)的仿真軟件(如FORGE、DEFORM 軟件)模擬分析鍛造過(guò)程。

鍛造產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)是一個(gè)集經(jīng)驗(yàn)與專(zhuān)業(yè)軟件相結(jié)合的工作，技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)可以避免出現(xiàn)過(guò)的問(wèn)題重發(fā)；設(shè)計(jì)是產(chǎn)品的質(zhì)量源頭，投入運(yùn)用合理的專(zhuān)業(yè)軟件才能設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，如專(zhuān)業(yè)的仿真軟件可以模擬曲軸鍛件整個(gè)成形過(guò)程中金屬的流動(dòng)情況、模具載荷、溫度場(chǎng)、等效應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)等信息，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)，增加容錯(cuò)率。

模具制造

模具是曲軸鍛件從理論設(shè)計(jì)到產(chǎn)品實(shí)物實(shí)現(xiàn)的載體，好的模具才能制造出好的產(chǎn)品。模具制造大體分為三個(gè)階段：模具模塊處理→模具加工→模具表面處理。

模具可分為一體式模具(圖1，新模具模塊加工出外形與型腔)和組合式模具(圖2，新模具模塊型腔部分掏空，堆焊填充復(fù)合材料，再加工出外形與型腔)兩種類(lèi)型。現(xiàn)在大部分鍛造模具都是組合式模具，因?yàn)樵阱懺焐a(chǎn)過(guò)程外形部分與型腔部分受力不同，組合式模具既可以降低模具的成本，又可以提高模具的壽命。

圖1 一體式模具示意圖

圖2 組合式模具示意圖

曲軸鍛件的尺寸直接與模具加工精度相關(guān)，模具加工精度越高曲軸鍛件的質(zhì)量也會(huì)有一定程度的提高，但高精度加工意味著高加工成本，因此在模具制造過(guò)程中需要同時(shí)兼顧質(zhì)量與成本，在滿足鍛件質(zhì)量要求前提下降低加工成本。

熱模鍛模具工作條件極其惡劣，在承受冷熱交替的復(fù)雜工況下，模具表面會(huì)出現(xiàn)磨損、疲勞裂紋等老化狀況。為了提高模具本身質(zhì)量，模具需要進(jìn)行表面處理(如QPQ)，增加耐磨層可以大幅度提高模具表面的耐磨性、抗蝕性，而模具型腔幾乎不發(fā)生變形(不影響精度)，在保證鍛件質(zhì)量的同時(shí)大幅度增加模具的壽命，達(dá)到降低成本的目的。

鍛造生產(chǎn)

曲軸鍛件熱模鍛壓力機(jī)模鍛成形工藝流程具體為原材料入庫(kù)檢驗(yàn)→下料→加熱→去氧化皮→輥鍛→模鍛(壓彎、預(yù)鍛、終鍛)→切邊→熱校正→調(diào)質(zhì)(控溫冷卻)→初拋丸→探傷→外觀修整→終檢→復(fù)拋丸→防銹→包裝→入庫(kù)→出庫(kù)。

上述工藝過(guò)程需要特別說(shuō)明的是：

⑴輥鍛工序、模鍛壓彎工序和熱校正工序不是必須工序，部分曲軸鍛件鍛造成形不需要，主要是與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、要求相關(guān)；

⑵調(diào)質(zhì)鋼選擇調(diào)質(zhì)工序，非調(diào)質(zhì)鋼適用控溫冷卻工序，要根據(jù)曲軸鍛件的材質(zhì)選擇適合的工藝。

鍛造生產(chǎn)過(guò)程管控

鍛造生產(chǎn)的關(guān)鍵在于過(guò)程管控，過(guò)程不管控，員工操作無(wú)規(guī)定、無(wú)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備參數(shù)無(wú)標(biāo)準(zhǔn)，物料使用混雜，檢測(cè)方法不一致，產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)法保證，也就意味著成本的不可控。

所以要想不斷提升產(chǎn)品的質(zhì)量，就必須從過(guò)程開(kāi)始管控，包括設(shè)計(jì)質(zhì)量、采購(gòu)質(zhì)量、生產(chǎn)質(zhì)量、倉(cāng)儲(chǔ)質(zhì)量、運(yùn)輸質(zhì)量等，設(shè)計(jì)部門(mén)相當(dāng)于立法部門(mén)，采購(gòu)、生產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)輸部門(mén)相當(dāng)于執(zhí)行部門(mén)，質(zhì)量部門(mén)相當(dāng)于執(zhí)法監(jiān)督部門(mén)，產(chǎn)品質(zhì)量取決于過(guò)程的管控而不是等到事后檢驗(yàn)控制，即使事后全檢，也只能是判斷符合與不符合而已，完全提升不了產(chǎn)品的質(zhì)量，對(duì)降低成本也毫無(wú)幫助。

曲軸鍛件的鍛造生產(chǎn)涵蓋很多道工序，從原材料的入庫(kù)檢驗(yàn)直到曲軸鍛件的出庫(kù)，每道工序都關(guān)乎著產(chǎn)品的質(zhì)量，與產(chǎn)品成本直接掛鉤，以下列舉一些鍛造生產(chǎn)過(guò)程需要注意的事項(xiàng)(包括但不僅限于)，供參考探討。

⑴原材料成分偏差不合格直接影響曲軸鍛件的性能，性能不滿足要求可能會(huì)導(dǎo)致斷軸(圖3)，造成嚴(yán)重的質(zhì)量事故，因此不合格的原材料禁止使用。

圖3 曲軸斷軸

⑵使用錯(cuò)誤材質(zhì)的原材料生產(chǎn)輕則造成批量產(chǎn)品報(bào)廢(圖4)，重則產(chǎn)品發(fā)給客戶(hù)加工裝機(jī)，流轉(zhuǎn)至市場(chǎng)，涉及批量召回，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

圖4 曲軸批量報(bào)廢

⑶去氧化皮工序是控制曲軸鍛件表面質(zhì)量的重要工序，去氧化皮工序失控或無(wú)效都會(huì)降低鍛件表面質(zhì)量，而形成各種表面缺陷(如氧化坑，見(jiàn)圖5)，輕微表面缺陷的鍛件需要返工處理合格才能正常流轉(zhuǎn)，表面缺陷嚴(yán)重的鍛件有可能因加工余量不足(圖6)而導(dǎo)致報(bào)廢。為提高產(chǎn)出效率和控制生產(chǎn)成本，鍛造生產(chǎn)過(guò)程必須定期定量檢查工件表面，確認(rèn)去氧化皮工序的有效性。

圖5 曲軸鍛件氧化坑

圖6 加工余量不足

⑷石墨是鍛造生產(chǎn)不可缺少的輔材，在模鍛工序過(guò)程使用。石墨濃度過(guò)小會(huì)影響工件的脫模效果，也不利于金屬流動(dòng)造成鍛件充型不滿(圖7)等缺陷，同時(shí)也會(huì)加快模具磨損(圖8)，降低模具壽命，因此石墨的配比非常重要。

圖7 充型不滿

圖8 模具磨損

⑸拋丸工序也是控制曲軸鍛件表面質(zhì)量的一環(huán)，拋丸質(zhì)量差會(huì)影響曲軸鍛件的防銹效果(鍛件易生銹導(dǎo)致客戶(hù)投訴，見(jiàn)圖9)。拋丸設(shè)備運(yùn)行是否正常、鋼丸大小是否合適、拋丸時(shí)間是否合理，都需要明確的規(guī)范和監(jiān)控。

圖9 曲軸生銹

⑹曲軸鍛件厚度尺寸一致性差，機(jī)加工容易出現(xiàn)黑皮(圖10)導(dǎo)致報(bào)廢；直線度一致性差，機(jī)加工容易出現(xiàn)動(dòng)平衡無(wú)法去重報(bào)廢(圖11)；縱向尺寸一致性差，機(jī)加工容易出現(xiàn)平破(去重孔鉆穿平衡塊)報(bào)廢(圖12)。平穩(wěn)的中頻加熱溫度、適用的工裝夾具、健康的生產(chǎn)設(shè)備都是保證鍛件尺寸一致性的前提。

圖10 曲軸加工黑皮

圖11 曲軸動(dòng)平衡超重

結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于任何企業(yè)來(lái)說(shuō)，滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求是前提，如果產(chǎn)品應(yīng)該保證的質(zhì)量都達(dá)不到，必然會(huì)產(chǎn)生修復(fù)或整改費(fèi)用，低成本就成為了一句空談；反過(guò)來(lái)說(shuō)，過(guò)度、無(wú)休止的追求質(zhì)量會(huì)提高成本，就違背了成本控制的最初目標(biāo)。最優(yōu)解應(yīng)是在追求合格產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，做好成本控制，減少浪費(fèi)，達(dá)到企業(yè)和社會(huì)效益的最佳狀態(tài)。

本文對(duì)熱模鍛壓力機(jī)模鍛成形工藝下曲軸鍛件的質(zhì)量與成本進(jìn)行了探討，希望其中的一些觀點(diǎn)能為該領(lǐng)域的鍛造企業(yè)提供新思路，并以此不斷開(kāi)拓創(chuàng)新，做品質(zhì)卓越的領(lǐng)航者。