提升制造业的生产力！如何通过锻造和模具设计优化曲轴性能？
提升制造业的生产力！如何通过锻造和模具设计优化曲轴性能？
曲轴作为发动机的关键部件，其性能和质量直接影响着发动机的可靠性和寿命。随着汽车工业、船舶工业以及航空航天业的高速发展，对曲轴的需求也日益增加。曲轴锻造工艺和模具设计的不断创新与优化，成为提高曲轴质量和生产效率的关键。本文将深入探讨曲轴锻造工艺和模具设计的技术要点与应用实践。
曲轴锻造工艺分析
- 工艺难度与挑战
曲轴锻件是较为复杂的锻件类型之一，锻造工艺难度较高。其工作情况极其复杂，性能优劣直接影响发动机的可靠性和寿命。由于曲轴的结构特点，需要通过多种工序才能完成锻造成形。目前国内主要采用热模锻压力机，并结合辊锻机或其他辅助设备进行制坯。然而，这种工艺路线存在一定的局限性，如设备成本高、工艺流程复杂等。
- 高能螺旋压力机的应用优势
高能螺旋压力机是定能设备，没有固定的下死点，锻件尺寸精度靠模具打靠和设备、模座和模具的导向装置来保证。其优势在于设备滑块在任意位置都能充分发挥出规定的能量输出值和最大锻打力以保证模具打靠，可以在设备上完成制坯、预锻和终锻等工步，经济上较为可行。本文以四缸发动机曲轴为例，在高能螺旋压力机上进行锻造成形工艺分析和模具设计。
- 锻造工艺路线
采用 49MnVS3 非调钢作为曲轴材料，锻造过程中主要控制锻件的加热温度、始锻温度、终锻温度和锻后控冷速度，以有效保证曲轴锻件的综合力学性能及加工性能。锻造工艺路线为：下料—加热—压扁、预锻、终锻—切边（带热校正）—控冷。
终锻工艺设计
- 模锻力计算
根据计算公式，模锻力 P = k1·k2·F，其中 k1 为钢种系数，低碳合金钢为 1，高合金钢为 1.11.25；k2 为金属变形抗力系数，即锻件形状复杂系数，开式模锻为 4673kN/cm²，闭式模锻为 60~80kN/cm²；F 为锻件分模面上投影面积（含飞边桥部宽度）。经计算，选择设备吨位为 40MN（4000t 高能螺旋压力机）。
- 分模面位置选择
分模面位置的选取直接关系到锻件的成形、锻件出模和材料利用率等问题。曲轴锻件分模面应选择在具有最大水平投影尺寸的位置。由于其连杆颈呈 180°分布，故采用水平分模。
- 加工余量确定
曲轴主轴颈、连杆颈、大小头台阶轴和平衡块单面需加工外，其他位置均为非加工面。上述部分增加所需的加工余量，依据经验和锻件冷却过程中收缩情况，轴向、主轴颈和连杆颈单边余量设计为 2.5mm，平衡块单面加工位置单边余量设计为 2mm，其他位置单边余量设计为 1.52mm。同时，由于设备属性导致，锻件的脱模斜度设计为 1.52°，锻件错移≤0.5mm，设计 1.5%的收缩率。
预锻工艺和制坯设计
- 预锻件设计
相对终热锻件，预热锻件的尺寸在轴向适当缩小，径向做适当增厚的设计。为保证平衡块部位能够有足够金属存储，在预热锻型腔金属流动较大的位置应设置阻料槽。圆角和拔模斜度尽量有利于出模和成形原则，同时应考虑足够的料能够在终锻时得以填充型腔。
- 制坯设计
受高能螺旋压力机打击属性和行程时间限制，曲轴需要设计制坯工步。若坯料不经过制坯处理，直接放置在预锻模膛上锻造，预锻的充满性很不理想，同时终锻打击力过大而造成模具和设备损伤。根据预锻型腔的形状结构，在设计制坯型腔时应做相应的变化，达到分料和满足预锻型腔的成形。经过制坯的曲轴的晶粒度和机械性能都较优，同时可以提高材料利用率。
模具设计
- 模块尺寸设计
曲轴型腔深度较深，最深处为 65.5mm。采用矩形模块，根据设备的工作台、滑块参数设计出模架。上下模块的闭合高度选 300mm，根据模壁厚度计算公式和实际经验，确定终锻和预锻下模尺寸为 910mm×358mm×160mm，终锻和预锻上模尺寸为 910mm×358mm×140mm。并进行锻模承压力计算及校核，满足条件。
- 飞边槽设计
对形状比较复杂的锻件，为较好地充满型腔必须增大金属外流的阻力，飞边桥部的宽度适当增大，或者厚度适当减小。预锻可采用终锻飞边槽形式和尺寸，或把桥部厚度减小或宽度加宽，使金属更好充满型腔。
- 顶杆和排气孔设计
由于曲轴锻件型腔较为复杂，需要锻件顶出装置以防止锻件粘模。只需要在预锻和终锻下模设计顶出，顶杆位置应设在飞边槽上，以避免锻件有顶出痕迹。顶杆孔位置布置应离最近的型腔侧壁距离 12mm~15mm 处，顶杆与顶杆孔间隙选用 0.3mm，顶杆直径应选择覬12mm 以上。为便于终锻时锻件能够被充满，需要在曲轴型腔最深处进行排气孔设计。
尾声
综上所述，曲轴锻造工艺和模具设计是一个复杂而关键的技术领域。通过对锻造工艺的优化和模具设计的创新，可以提高曲轴的质量和生产效率，满足现代工业对高性能曲轴的需求。在未来的发展中，随着技术的不断进步，曲轴锻造工艺和模具设计将不断创新和完善，为推动工业发展做出更大的贡献。