图1 曲轴锻件三维模型
改进前状态及产生因素
锻件厚度尺寸超差严重
D2876曲轴锻件各轴颈与切边痕垂直方向的尺寸超差严重；锻件要求的主轴颈尺寸为φ114+2.5 -1.8mm，而实际生产出的锻件通过测量统计主轴颈尺寸一般在φ119mm左右，超上差最大为3mm。
通过不断跟踪生产现场，测量切边后的毛边厚度尺寸，确定造成锻件各轴颈与切边痕垂直方向的尺寸超差的主要原因为：⑴模具成形导轨间隙为2mm，间隙过小易导致锻件打不靠（图2）；⑵部分曲柄处的原材料过大；⑶大小头处的毛边过大。以上三点造成锻件无法打靠，从而导致锻件切边痕垂直方向的尺寸超差严重。
图2 成形导轨间隙
曲轴柄块不易充满
如图1所示，该曲轴为六缸八平衡块结构，而平衡块形状如图3所示，平衡块宽度为24mm，总高度已达到164mm。因此，其平衡块在单扇模具的模膛高宽比约为3.5。
模膛高宽比已达到3.5，将很大程度上影响平衡块最后能否充满模膛；而对于六缸八配重块曲轴来说，最中间的6、7平衡块最难充填，在整个曲轴锻打的过程中6、7平衡块最后充满模膛。在实际生产过程中，为使曲轴6、7平衡块能够充满，每件曲轴所锻打的锤数在45锤左右，严重影响模具的使用寿命。
图3 柄块宽度与高度
材料利用率低
该曲轴的工艺路线为下料→锻造→热处理→清理。因年需求量较大，此曲轴采用倍尺定料。其锻件重量为137kg，而下料重量为183kg。据此计算，该曲轴的材料利用率为74.8%。与同结构曲轴锻件相比，材料利用率属于偏低，造成这种结果的主要原因为：⑴客观原因。锻件平衡块半径过大已达到R120mm；⑵主观原因。直棒料加热后直接锻造成形工艺，造成3、4、9、10曲柄处料过多，多余的原材料转化为毛边。
锻件连杆径易出折叠伤
该曲轴的回转半径为R83mm，此前公司开发的所有民品曲轴其回转半径都不超过R70mm，其连杆径也不过为φ102mm，因此原材料的规格大小直接影响1、3、4、6拐连杆径能否充满型腔，同时也影响到在材料运动过程中能否避免出现折叠伤。
图4 产生折叠伤机理
如图4所示，当上模向下移动时，原材料的一部分料充满连杆径型腔。在充满型腔的过程中，材料会先向无阻力的方向上流动（图4中标记位置），而不是沿着模膛形状流动，连杆径内侧产生空腔，当受到外侧模膛阻力后，才开始充满连杆径内侧空腔。故原材料规格过小，连杆径内侧产生的空腔会过大而产生折叠伤。
改进过程及改进后状态
调整模具过桥及仓部结构
根据曲轴锻件在终锻时无法打靠，使得生产的锻件厚度尺寸超上差的实际情况入手，采取以下两点措施：
⑴将各平衡块及曲柄处的成形导轨的间隙2mm调整至4mm（图5）。加大成形导轨间隙的主要作用是锻件在锻打的过程中，金属在充满模膛后，根据最小阻尼定律多余金属易向仓部流动，减少锻件的锻打锤数，有效地解决了锻件无法打靠的问题。
图5 改后成形导轨间隙
⑵将大小头处的仓部深度尺寸加大（图6）。优化前单扇模具的整体仓部高度尺寸为15mm，因大小头原材料过大，在锻件锻打后期，大小头的毛边充满仓部，甚至有的锻件打到分模面上，使得锻件无法打靠；为此特将大小头的仓部高度尺寸更改为22mm，局部加深大小头仓部尺寸。
通过以上两点优化模具，在生产过程中测量各轴颈尺寸，完全符合图纸要求，有效解决了锻件打不靠，轴颈超差影响曲轴动平衡问题。
图6 局部加深仓部
优化模具边缘圆角
在锻件生产过程中，生产班组总是反应锻件6、7平衡块不易充满模膛，造成大量的补焊。通过观察坯料温度、操作方法、模具状态及锻件的充满过程等，排除其他因素后，最终确定是模具局部边缘圆角过小所致，故现场直接打磨模具后继续生产，观察锻打出的曲轴锻件6、7平衡块能够很好的充满模膛。后续对图纸和三维数模进行了固化，改后模具裆部圆角如图7所示。
图7 更改后的裆部冲头
增加滚锻制坯工序
此项曲轴的材料利用率与同结构曲轴锻件相比偏低，故需增加滚锻制坯工序来提高其材料利用率，达到降低原材料成本的目的。
为了保证工人的可操作性、工艺的可行性、生产的安全性、产品的稳定性等要求，由于下料规格较大，人工不易操作，须采用翻料机进行翻料。若采用军品曲轴滚锻及压弯等模膛形式，必须增加剁头工序，不仅增加了原材料的长度、降低了产品的材料利用率，同时，增加了剁头工序，也降低了生产效率。为此，该曲轴的滚锻模不能按传统的滚锻模膛进行设计，必须打破固有的设计思路，一方面保证产品终锻时的要求，另一方面保证产品的材料利用率和生产效率。
针对上述问题最终设计的滚锻具如图8所示，并应用Deform三维数值模拟软件进行验证，为使模拟结果最大可能的体现实际生产的真实性，在模拟时设置和选用的参数为锤上模拟参数，模拟过程如图11所示。
图8 辊锻模
图9 辊锻模拟结果
为验证滚锻模膛设计是否正确，同样需要应用Deform三维数值模拟软件进行验证，为节省模拟时间和计算工步，特选取该曲轴具有代表性的一节进行模拟，模拟时设置和选用的参数也为锤上模拟参数，模拟结果如图10所示。
图10 终锻模拟结果
局部优化连杆径结构
曲轴锻件在充满型腔的过程中，材料根据最小阻尼定律首先会向无阻力的方向上流动，而不是沿着模膛形状流动，连杆径内侧产生空腔，当受到外侧模膛阻力后，才开始充满连杆径内侧空腔。故原材料规格过小，连杆径内侧产生的空腔会过大而产生折叠伤。
为了使金属尽可能的沿模膛形状流动，所采取的措施是在生产D2876曲轴时，将连杆径与裆部冲头连接处的圆角磨大，并跟踪后续生产的曲轴。经磁粉探伤后，个别仍有折叠伤，将裂纹垂直方向打断后，裂纹深度有1.5mm左右。因此，需对此处做进一步调整。
经过几次调整，将连杆径上模的裆部冲头改为图11结构：连杆径与裆部冲头采用大斜面过渡，此结构主要是为了在锻造曲轴过程中，坯料在充满模膛之时，坯料的流动方向尽可能沿着模膛壁方向流动，使上模坯料与模膛之间的空腔最小化，从而减小锻造折叠伤的出现。
图11 连杆径处改后结构
结论
通过一段时间的工艺工装和模具制造等方面的准备，本文所述曲轴采用优化后的锻造工艺进行生产时，对试生产的过程进行全程跟踪，观察到金属完全能够充满预锻模膛。对锻件成品进行全尺寸测量，证实锻件能够满足图纸要求。证明该滚锻模设计合理、可操作性强，能够完全满足生产，有效的解决了连杆径产生锻造折叠伤的顽固性缺陷。
参考文献来自-《锻造与冲压》
