曲柄是主軸頸和連桿軸頸的連接部分，斷面為橢圓形，為了平衡慣性力，曲柄處有平衡重塊。平衡重塊用來平衡發動機不平衡的離心力矩，有時還用來平衡一部分往復慣性力，從而使曲軸旋轉平穩。曲軸加工時對動平衡的要求非常高，對生產過程要進行嚴格的批次管理，對同批次鍛造件的一致性和尺寸穩定性提出了極高的要求。曲軸工藝設計和鍛造模具制造要求高，鍛造過程中控制也是需要精準的把控。

2019 年全國汽車產量達2580 萬輛，其中乘用車為2130 萬輛，乘用車曲軸年需求2300 萬件。轎車曲軸因其形狀復雜，安全性要求高，加工余量少，鍛造加工中曲軸難度最大，目前具備大批量生產能力的廠家很少。隨著產品的更新換代，各大主機廠紛紛投產節能環保型發動機，對曲軸追求高強度和輕量化，特別是乘用車曲軸大批量自動化生產線開始普及，對鍛件的要求也不斷提高；必須選用節能和高效的鍛造工藝才能跟上主機廠的發展。

我們在多年制造過程中對乘用車4 缸曲軸鍛造工藝摸索中積累了一些寶貴經驗，以下重點對某型轎車的1.5 升4 缸曲軸的鍛造工藝特點及實際生產過程中的一些經驗進行分析和總結。

典型乘用車曲軸鍛造工藝設計要點

典型轎車的4 缸曲軸（圖1）的鍛造，采用水平分模鍛造的工藝方式，一般工藝流程為：中頻加熱→除鱗→制坯（輥鍛或壓擠）→預鍛→終鍛→切邊、整形→控溫冷卻線冷卻（或調質熱處理）→噴丸→探傷→清洗→包裝。

根據曲軸的功能和工藝特點，曲軸為典型的長軸類鍛件，平衡塊部分窄且深，拔模斜度小(一般1°～1.5°)，因而平衡塊部位難以成形，按照鍛造工藝手冊上正常工藝進行拍扁、預鍛和終鍛設計模具并進行模擬，選取合適的圓棒料，平衡塊部位未能充滿，如圖2(a)所示。需要對預鍛和終鍛模具進行優化，經過一系列的優化后模擬結果可以充滿如圖2(b)所示。

常規設計準則這里不贅述，重點歸納一下幾點優化改善：

⑴為了改善平衡塊充滿問題，預鍛模平衡塊中間舌頭部分(劈料臺)降低10 ～15 mm，邊緣模具凸圓角加大到R8 ～R10mm。

圖1 乘用車1.5 升四缸曲軸

圖2 曲軸鍛造成形模擬

⑵預鍛模和終鍛模平衡塊周圍飛邊優化，增設阻力墻，形狀和位置依據鍛件形狀設置，凸起高度為10 ～15mm(圖3)，根據具體情況進行調整。

⑶終鍛模平衡塊外圍模具飛邊橋部高度比其他位置抬高1mm 左右。

圖3 曲軸預鍛和終鍛模具

經過以上改進，在4000 噸熱模鍛壓力機實際生產中平衡塊充滿良好，合格率大于99%，模具壽命6000 ～7000 件。

⑷由于曲軸為長軸類鍛件，且平衡塊型腔深且薄，拔模斜度小，為了可靠、穩定地頂出，減少頂出變形，需要設計6 至8 個頂桿(原來為4 個頂桿)，這點在自動化線尤為重要，模具結構如圖4 所示。

圖4 乘用車某型曲軸壓力機鍛造模具結構

通過模擬軟件的應用，結合實際工作經驗，對鍛造過程進行模擬可以優化模具結構設計，大大縮短模具開發周期，提高開發一次成功率。

高端乘用車曲軸鍛造工藝重要改進方向和管控點

高端乘用車曲軸鍛件形狀復雜，加工余量少，平衡塊等處基本不加工，安全性要求高，要滿足在全自動機加生產線上加工，對鍛件的要求和質量控制難度大大提高。毛坯尺寸超差、動平衡超差，上全自動機加工線第一道工序就會報警而甩料，嚴重的甚至引起停機停線。針對這種要求的鍛件除了有優良的工藝設計外，還需要鍛造的熟練操作技能以及過程的高水平管控保證才行，以下就實際生產過程的一些改進經驗和過程管控要點作一下歸納：

以圖5 某款轎車曲軸為例，鍛件形狀復雜，標注“1”處4 個平衡塊側面加工余量只有1.5mm,標注“2”處4 個平衡塊為非加工。而且標注“2”平衡塊厚度只有8mm，鍛造過程極易發生變形，錯模量最大允許0.5mm。鍛造過程模具稍有松動，或者鍛件卡模、磕碰、夾持力過大致鍛件變形就會引起不合格。

圖5 某轎車曲軸鍛件

這是到目前為止我們碰到的鍛造難度最大的鍛件，經過了近一年的摸索和改善，達成了穩定批產狀態，鍛件質量尤其是動平衡性能和外觀質量達到甚至超過了歐洲原廠的水平。主要有以下幾方面經驗：

⑴在成功解決平衡塊充滿問題的基礎上，為了解決平衡塊切邊變形問題，對平衡塊周邊局部飛邊減薄，該處飛邊厚度為2.5mm，其余地方為4.5mm。

⑵鍛件錯模量0.5mm 很難控制，造成生產過程中頻繁調整模具，每班要調整4 次以上，為了解決鍛件錯移超差問題，將預鍛、終鍛分體模改為整體模，并增加四角鎖扣，成功控制住了錯模產生，每班實現穩定生產，當班基本不需要調整。

⑶為了徹底清除氧化皮，提高鍛件表面質量，對坯料進行2 次去氧化皮，分別進行感應加熱后高壓水除鱗和預鍛前高壓空氣清除氧化皮。

⑷為了控制模具變形和切邊時產生變形，對鍛模以及切邊凹模材料和加工精度進行攻關，通過對切邊凹模間隙進行優化，以及材料改良，切邊凹模刃口壽命可到2 萬件依然保持鋒利。并且對鍛模和切邊模的壽命進行分別管控，根據壽命確定更換時間，避免模具超壽命服役。

⑸曲軸鍛造過程實現全自動化，對鍛造過程中每個工步進行溫度管控，從中頻加熱→制坯(輥鍛或壓擠)→鍛造→上控冷線→下控冷線進行溫度監控并進入MEMS 系統。異常件自動放入異常品筐中并統計數量，在現場可視化看板上對以上重要參數進行同步監控，生產線運行狀態一目了然。

⑹除了鍛造首件用三坐標檢驗外，設計制作直線度和錯差專用檢具，對鍛造過程的鍛件100%快速檢驗。

曲軸鍛造工藝設計中的其他關注點

⑴曲軸鍛造工藝過程中曲軸鍛模飛邊形式以及阻流溝的設計，模具的加工精度以及鍛造的操作熟練和潤滑方式都很重要，缺一不可。

⑵鍛造錯移的控制。曲軸鍛件對錯差要求高，鍛造過程容易產生波動，可以設計整體鍛模和增加鍛模鎖扣，并采取自動檢測加強過程管控。

⑶預鍛形狀設計優化可以改善鍛件的很多缺陷，是鍛造工藝設計成功的關鍵，應引起重視。為使預鍛時材料流動順利，預鍛設計時平衡塊中間連接處盡量做成直線和大圓弧過渡，增加該部分的體積，利于金屬材料的流動和終鍛該部位的充滿。預鍛小頭型腔的處理也是值得注意的，小頭長度加長10mm 左右，并將小頭端部拔模角作出45°左右斜角。這樣可以避免終鍛時小頭端產生折疊，同時小頭端部作出斜角利于吹掉下模該處的氧化皮，避免該處氧化皮堆積而造成鍛件小頭缺料。

⑷鍛造溫度的把握。鍛造溫度范圍必須注意，一般情況盡量在上限溫度進行鍛造，最低鍛造溫度不低于1100℃。鍛造溫度對成形影響極大，特別是開發試制初期，操作不熟練和噴涂脫模劑等動作銜接不到位，造成鍛造工步間隔時間長而產生溫降，而使實際終鍛溫度不足，影響成形。但對于非調質鋼鍛造溫度不可太高，要以材料性能保證滿足晶粒度要求為前提，這點需要在實際工藝過程中跟蹤監測來確定理想的鍛造溫度范圍。

⑸計算機成形過程模擬。要成功開發曲軸鍛造工藝應配備必要分析手段，盡量使用DEFORM、QFORM等鍛造成形模擬軟件進行模擬，結合鍛造過程的實踐經驗及時優化設計，計算機應用為工藝設計提供了強有力的分析手段，企業需要配備專門人員進行模擬分析。無條件的企業可以采取企業和高校或研究所聯合的方式進行

——來源：《鍛造與沖壓》2020年第17期