曲轴常见缺陷及对策

1曲轴常见锻造缺陷及对策研发部*2本文主要讲述了我公司多年曲轴生产中曾经发生的质量缺陷、缺陷产生部位、产生的原因及解决的措施。 法兰 小头平衡块 连杆颈外侧 平衡块内侧曲柄外侧摘要31.前言发动机曲轴是发动机中最重要的、结构和受力情况最复杂的零件之一。曲轴作为我公司的主要营利产品，生产有二十多年的历史，工艺已趋于成熟稳定，解决现场问题的经验渐丰。但在这几年，人员流动较快，为防止新工艺及生产人员走弯路，预防曾经发生过的质量缺陷再次出现，笔者将从事现场工作中遇到的曲轴各类常见缺陷及解决方法归类如下，作为曲轴设计和生产中处理质量的参考。42.曲轴常见缺陷及对策2.1 充不满2.1.1 平衡块充不满2.1.2 止推环处充不满2.1.3 曲柄臂充不满2.2 折纹2.2.1 端面折纹2.2.2 二五连杆颈曲柄外侧折纹2.2.3 平衡块分模面处折纹2.2.4 连杆颈外侧折纹2.3 变形2.3.1 小头端变形2.3.2 平衡块侧向变形2.3.3 平衡块镦粗变形2.4 凹坑2.4.1 氧化坑2.4.2 异物压入52.1 充不满2.1.1 平衡块充不满充不满处 特征该类缺陷主要产生在平衡块既高又薄且平衡块高点离中心较远的曲轴上。对于 8个平衡块的六缸曲轴，中间的第六、七平衡块容易出现。 62.1.1 平衡块充不满 形成原因平衡块高宽比大，平衡块内金属的温度下降快，塑性下降；其流动距离较长，模具表面阻力大。 8个平衡块的六缸曲轴，中间的四个平衡块处发生 “抢料 ”现象，六七平衡块成形所需的金属无法从二五连杆颈区段得到补给，容易出现充不满缺陷。 塑性下降大，成为死区金属72.1.1 平衡块充不满 对策1、坯料规格的合理选取。此方面要注意三个问题： 一是通常按最密集平衡块部分的材料利用率为 80%来初选坯料直径 ; 二是要考虑平衡块配重部分占整个曲柄总面积的比例 ; 三是要兼顾国内钢厂能够提供的规格，小规格的料比较好选，大规格的料，国内通常是 10mm一个规格，时常会发生选上一个规格的较过大，选下一个规格的料又过小。在有辊锻的情况下，尽量选用大一些的规格的料。配重块坯料面积 /（ 2*配重块面积） 0.682.1.1 平衡块充不满 对策2、选用适当的压挤工艺。对于一些大型曲轴，压挤通常采用平面压挤的方式，此时就要注意不要压的太扁，使压挤后的坯料宽度不要超过预锻型腔边缘，以防止金属势能的流失，从而导致锻件充不满。3、合理分布预锻储料。 预锻设计时，在常规设计的基础上，另外将平衡块与主轴径处设计一个较大的三角锥体形的过渡区，有益于金属从主轴颈到平衡块的纵向流动补给。 在实际生产中，由于种种原因，有时常采用将终锻模整体下落后降封闭高度锻打的方法，即将曲轴预锻打得更薄的方法以解决充不满，以充分利用预锻的大圆角作用。此种方法对于料规格较大但仍充不满的曲轴作用甚微；料规格比较紧张的曲轴，较为有效。三角锥92.1.1 平衡块充不满 对策4、控制加热温度及均匀性。金属的高温塑性变化较大。低温锻打，不仅恶化模具的工作条件，而且塑性低易引起锻件充不满。我厂 120MN锻压机线在引进新加热机床提高坯料温度均匀性后，生产的曲轴锻重已达到 160Kg。102.1.2 轴颈止推环充不满 特征该类缺陷主要产生在第四主轴径两侧的大油封环上，不易察觉 ,但发生几率较高。 产生原因一是氧化皮过厚；二是模具型腔内堆积石墨。尺寸欠缺112.1.2 轴颈止推环充不满 对策 该处一般不进行辊锻，但仍可利用辊锻轻微变形（压下变形宽展）来达到去除氧化皮的目的；而且在锻打过程中利用风管吹除； 由于该处型腔较窄，对此我们不但要严格按工艺要求对石墨进行配比，每件润滑一次，并要定期对模具用尖锐的工具对该处进行清理，每班班前清理型腔一次； 型腔设计时增加补偿量。122.1.3 曲柄臂充不满 特征：该类缺陷主要产生在连杆颈处型腔较深的下模，发生几率不太高，一旦发生锻件就只能报废，无法挽救。 产生原因：机械手送料不到位，或者在生产中有时为了保证平衡块充满，有意将坯料摆偏。但若摆放的过偏，虽然平衡块充满得到保证，但相应的造成曲柄臂处缺料充不满。 对策：解决此类缺陷，主要是要保证将压挤后坯料送到型腔中心位置。 132.2 折（裂）纹2.2.1 端面折 (裂 )纹原因：材料端面开裂A类B类 原因：辊坯凹陷 特征通常有两种情况，一种为上图的 A类折纹，在圆周 360都可能发生；另一种为上图的 B类折纹，发生在小头，位置相对固定，为竖向折纹。142.2.1 端面折 (裂 )纹 产生原因A类主要由于材料端面开裂造成。原材料硬度较高，或存在大的内应力均会造成材料剪切开裂。 B类产生的原因为辊锻过程中坯料表面的金属变形快，心部的金属流动慢，辊锻后端面形成大凹陷。锻打时坯料截面流动速度的差异，加剧了凹陷的负面影响，从而形成折纹。 对策A类折纹，解决措施为适当提高原材料的塑性指标，和控制坯料硬度，并且将坯料加热到蓝脆区进行剪切。 B类折纹，解决措施为将凹陷区近可能摆放在小头型腔外锻打。152.2.2 二、五连杆颈两侧曲柄侧面折纹 特征： 该类折纹通常位于第三四九十曲柄外侧面。 产生原因 ：主要为预锻该处抬高较大，料多，终锻时曲柄镦粗宽度变宽后 ,发生边缘啃料现象产生折纹。 对策 ：通过减小预锻该处曲柄横向宽度 (即减小该处金属量 )。常规设计是预锻比终锻宽度小 1mm左右，对此建议再减小 1-2mm左右，如上图康 C曲轴折纹，我们通过将预锻该处曲柄宽度由 118.8减小到 117(终锻为 119.8mm)，比终锻小 2.8mm，成功消除折纹。折纹 宽度减小162.2.3 平衡块分模面处折纹折纹 特征该类折纹通常位于平衡块内侧分模面附近，其方向与分模面方向一致。172.2.3 平衡块分模面处折纹 产生原因预锻预留连皮中心线与终锻分模导面形状不匹配，相差较多引起。二者相差过大，终锻锻打时上下模不能同时接触预留的连皮，先接触一侧势必会推动金属向另一侧移动，导致圆角锐化，金属汇流形成折纹。 对策控制预、终锻分模落差，控制在 10（约为预锻此处 R角的一半）毫米以内。哪一侧有折纹，修磨预锻模相应一侧。修磨量需大于折纹位置相对高度值 终锻导面182.2.4 连杆颈外侧折纹 特征该类折纹通常位于 1、 3、 4、 6连杆颈外侧的分模面附近，在型腔深的一侧。192.2.4 连杆颈外侧折纹 产生原因：由于连杆颈与主轴颈的分模面不在一个水平方向上，有一定的落差，而连杆颈与主轴颈在宽度方向上也不平齐；而主轴颈的有限长度，在模具相应型腔的桥部处二者之间形成了一个斜面过渡形式的连接面，在锻打的过程中，主轴颈的金属外流极易受到该处斜面的阻挡从而侧向流动，而由于连杆颈型腔边缘距离坯料中心较主轴颈远得多，从而在两处金属充填型腔的时间有差异的情况下，从连接斜面侧向流动的金属向连杆颈型腔流动，形成折纹。导面形状202.2.4 连杆颈外侧折纹 对策 疏导。将三角斜面开通，并将三面汇交处做成 SR25-30的球面，使主轴颈一侧多余的金属作纵向流动，补给金属填充连杆颈。 导面设计不宜太缓。如果导面太缓，主轴颈处金属易发生横向流动。连杆颈外侧折纹出现可能加大。导面不宜缓212.3 变形2.3.1 小头输出端变形 特征： 该类弯曲变形一般从第二主轴颈处开始变化，弯曲几乎都是向上模弯曲。 产生的原因 ：随着曲轴越来越长，曲轴小头部分受校正模装模所限，无法全部包容进行校正，曲轴用 1、 7主轴颈作为定位基准，还可以通过机加工进行弥补。随着加工厂动平衡着想，渐用 2、 6主轴颈为基准，其负面影响随之加大 。222.3.1 小头输出端变形 对策： 解决办法为想办法将校正模加长，如康 C、 D6114曲轴就是将校正模端头悬空加长； 若是实在无法加长，可适当将余量加大进行补偿，并定期对切边模进行检查、及时更换。232.3.2 平衡块侧向变形 特征： 该类变形主要发生在平衡块比较薄的轿车曲轴上，反映的典型特征为平衡块切边后的上下 “八 ”字变形。该类变形不仅对加工定位带来负面影响，而且去重孔易钻豁。 产生原因： 凹模与锻件轮廓间隙太小，存在切肉现象； 凸凹模间隙大宜造成间隙不均匀，从而造成平衡块两侧剪切力不等。 对策： 在切边凹模的设计上，凹模与锻件轮廓之间的间隙，应在 0.3-0.5mm之间，在保证锻件不切肉的条件下，不致使切边力增大，切边变形问题严重。 凸凹模间隙取值在 0.8毫米以内。242.3.3 平衡块镦粗变形 特征 ：平衡块凸模一侧宽度较凹模一侧宽度大，在平衡块比较薄的小曲轴上较为明显。 产生原因 ：凹模刃口老化或者终锻桥部磨损，造成切边力量加大，平衡块发生镦粗变形而展宽，该类缺陷影响到产品最终的动平衡。 对策 ：优化成形工艺，增加精锻工序，减小桥部磨损，减小切边力。252.4 凹坑2.4.1 氧化坑氧化坑 特征： 主要分布在曲轴的型腔较窄、深处，凹凸不平滑。 产生原因： 型腔较窄深，又在下模，极易堆积氧化皮等残渣。 对策： 坚持按工艺要求对模具进行吹风，并及时对该类位置用尖锐的工具进行清理。有条件的话去增加去氧化坑装置。262.4.2 异物压入 特征： 此类缺陷出现在下模，位置不定，深度较深。 产生原因 ：模具顶杆孔内钻有小飞边，飞边脱落后掉入型腔打入下一支锻件上。 对策 ：1、坚持每生产一件就对模具吹风清理一次，保证及时将异物清出型腔。2、保证顶杆和顶杆的配合精度，发现顶杆缺损后及时更换，以防止顶杆孔内钻有小飞边。凹坑27结束语曲轴锻