曲轴锻造设计说明书

曲轴锻造设计说明书

一、曲轴零件图

二、曲轴零件分析

曲轴是汽车发动机中的重要零件，它与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转的动力，传给底盘的传动机构，同时，驱动配气机构和其它辅助装置。

曲轴在工作时，受气体压力，惯性力及惯性力矩的作用，受力大而且受力复杂，同时，曲轴又是高速旋转件，因此，要求曲轴具有足够的刚度和强度，具有良好的承受冲击载荷的能力，耐磨损且润滑良好。

曲轴在使用过程中的主要损坏形式有如下两种：一是疲劳断裂．先在轴颈和圆角处产生疲劳裂纹．然后向曲柄深处发展，造成曲轴断裂．也有少数曲轴先在轴颈中部的油道壁产生裂纹．发展为曲轴断裂；二是轴颈表面的严重磨损(尤以连杆轴颈为甚)。所以，曲轴主要应有较高的疲劳强度和良好的耐磨性。

三、曲轴的毛坯材料及下料方法

1、曲轴的毛坯材料的选取

曲轴的材料从大的方面分，主要分为钢质和球铁两大类。

钢质曲轴材料又主要分为调质钢和非调质钢。钢质曲轴的主要特点是有着较高的抗拉强度、高疲劳强度、高硬度、高耐磨性以及好的心部韧性，但是它们对

缺口的敏感性很高，要求的加工质量较高。钢质曲轴能够适应日益增高的强化发动机，现在高性能柴油机高压缩比下以很大的相对速度与轴承发生滑动摩擦，产生较高的温度与磨损，在交变的冲击载荷作用下服役条件十分恶劣。

调制钢也主要有两大类，一类是价格相对低廉的碳素钢，它们有着和合金钢一样的弹性模量，也有着较高的抗拉强度，主要应用于中等负荷的发动机。另一类是合金钢，相对于碳素钢，加入了各种贵重金属合金，提高了抗拉强的和疲劳强度，主要应用于中、高负荷的发动机。

近些年，随着世界能源与环保的要求进一步提高，曲轴的制造技术也获得了提高，非调质钢曲轴的发展和应用也越来越多，有着取代调制钢的趋势。非调质钢是利用锻造终了余温，在空气中进行冷却热处理，相对于调质钢曲轴污染小、成本低，生产能耗低、性能优良，尤其在日本、欧洲已经广泛采用。国正处于起步阶段，生产工艺还不稳定，还有待于成熟。

随着市场对发动机质量要求的不断提高，一些中、轻型汽车的发动机曲轴毛坯由以往的铸造成形逐渐改为锻造成形。这类曲轴锻件的加工余量、拔模斜度和错模量一般都要求较小，且精度要求较高。这就对锻造设备的导向精度，以及锻件的脱模手段提出了更高的要求，而这些要求在一般的模锻锤上生产是很难达到的。由于热模锻压机具有很高的导向精度和顶出机构，成为锻造企业用于生产高精度曲轴的首选设备。

模锻法是将金属棒料或钢锭通过一系列锻模成形为曲轴毛坯。这种方法生产率和材料利用率高，金属锻造流线好，曲轴形状和尺寸较精确，与自由锻相比，可大大减少机械加工的工时。

经过综合分析，本例发动机曲轴材质采用45号钢，模锻方式制造，锻后正火处理，这样使得它具有较高的刚度、强度和良好的耐磨性。其主要机械性能要求见表1，具体探伤要求见表2。

2、下料方法的选择

常用的下料方法有：剪切法、冷折法、锯切法、砂轮片切割法、气割法和车削法等。本例的下料方法采用锯切法。

四、曲轴锻造设备选取

热模锻机械压力机是通过曲轴或偏心轴连杆－滑块机构将旋转运动转变为往返直线运动，并通过摩擦离合器将飞轮储存的能量即固定扭矩转变成为滑块的载荷。

生产的发展要求模锻件具有较高的精度和较复杂的形状，机械工业中发展少无切削加工的趋势已非常明显。因此在模锻设备中，带有顶料机构，行程固定的并有可调节封闭高度的热模锻机械压力机，由于具备这些特点，国外正在日益发展，逐步取代模锻锤而被广泛采用。国也正在发展。

热模锻压力机与锻锤相比主要工作特性和优点有：

(1)电动机通过飞轮释放能量，滑块的压力基本上属于静压，工作时无震动和噪音。由于具有静压力的特性，金属在模膛流动缓慢，这对变形速度敏感的低塑性合金的成形十分有利，故某些不适宜在锤上模锻的耐热合金、镁合金等金属可在热模锻压力机上进行锻造；

(2)机架和曲柄连杆机构的刚性大，工作时弹性变形小，保证锻件高度方向尺寸精度；滑块具有附加导向的象鼻形结构，提高了导向精度和承受偏载能力，保证锻件水平方向精度；

(3)滑块行程一定，每一模锻工步只需一次行程完成。金属变形在滑块一次

行程中完成，坯料外层几乎同时发生变形，因此变形深透而均匀，锻件各处的力学性能基本一致，流线分布也较均匀，有利于提高锻件的部质量。同时也由于行程固定，因此不适合拔长和滚压等制坯工步，而只能完成断面变化不大的制坯操作；

(4)具有上、下顶杆装置，便于锻后工件脱模。故锻件的模锻斜度较小，甚至可以锻出不带模锻斜度的锻件。

此外，热模锻压力机可进行多模膛模锻，自动化生产，锻件精度高，是工艺性最好的模锻设备。

在热模锻压力机上模锻曲轴与锤上模锻比较，前者可降低金属损耗5%~10%，由于自动化程度高，适合大批量生产。现代轻型汽车曲轴的轴颈余量不超过 3mm，直径公差为、长度公差为，这只有在压力机上锻造，才能满足这些公差要求。

鉴于热模锻压力机的上述优点，国外先进的模锻厂普遍采用热模锻压力机代替模锻锤生产。

经过综合分析，本例发动机曲轴为了提高自身竞争力也采用热模锻压力机进行锻造。

五、曲轴锻造工艺设计

1、工艺路线的选取

典型的工艺路线为：

下料—剥皮—加热－辊锻制坯—压扁－预锻－终锻－切边－扭拧—热精整－悬挂控温冷却—正火＋调质—校直－去应力－喷丸—探伤—防锈—检验入库。

○1下料工序

选用精炼45号钢,化学成份和机械性能符合GB699和GB3077的规定,并要求Mo<0.1%和经热顶锻试验。

○2剥皮工序

因为国产原材料的脱碳层较深,直接影响曲轴锻件的表面质量,故下料后的材料要进行剥皮。

○3加热工序

采用步进式煤气加热炉加热,始锻温度为1180℃。

○4锻造工序

锻造工序又分预锻、终锻两道工步。采用预锻主要有两个目的，其一是保证制坯后的金属能均匀地分布，有利于终锻的充满；其二是可以显著地减轻终锻型槽的负荷，从而提高锻模的使用寿命。

预锻工步和终锻工步都是水平分模的，均安排在 40MN 热模锻压力机上。精炼45钢的曲轴终锻温度控制在1050℃以上。

○5切边工序

终锻成形后的锻件在曲柄压力机上切边。

○6扭拐工序

曲轴切边后是在扭拐机上进行扭拐。曲轴扭拐的温度为950℃一1050℃。曲轴扭拐时,几乎在全塑性变形状态下进行,根据曲轴扭拐扭矩计算公式,可以计算出扭矩。

○7校正工序

扭拐后的曲轴要进行两次校正,校正设备液压校正机。校正的主要目的是校正主轴径的直线度和连杆径之间的夹角。第一次校正后,旋转90°进行第二次校正,校正的温度应高于800℃，一般在850℃左右。

○8热处理工序

校正后的曲轴要进行热处理。精炼45钢的曲轴要求正火处理,热处理后的硬度HB180一228，晶粒度为5一8级。

○9清理及后续工序

热处理后的曲轴首先要进行检查。主轴径摆差、连杆径夹角和热处理硬度要进行百分之百检查,其余尺寸抽查。摆差不合格的曲轴要进行冷校直和去应力退火;硬度不合格的曲轴要重新进行热处理;连杆径夹角不合格者单独放置,待一定批量后,重新进行校正工序。以上检查都合格的曲轴要进行抛丸处理,清除锻件表面的氧化皮。抛丸后的曲轴要进行表面磁力探伤,进一步检查

裂纹,如发现有裂纹要用砂轮磨掉,不能凿掉。磨削的深度在磨口处要小于加工余量的一半。在非加工面处要求磨平,不要形成明显的凸起或凹坑,深度不超过尺寸偏差围,磨削宽度为深度的6倍。在磨裂纹的同时还要修磨残余毛边。合格的曲轴要浸油处理,以防库存生锈。浸完油的曲轴人库,按计划发交发动机厂。

2、分模面的选取

锻件分模位置合适与否，关系到锻件成形、锻件出模、材料利用率等一系列问题。确定分模面的基本原则是保证锻件形状尽可能与零件形状相同，以及锻件容易从锻模型槽中取出，此外，应争取获得镦粗充填成形的良好效果。为此，锻件分模面应选择在具有最大的水平投影尺寸的位置上。由于此曲轴为平面曲轴，在曲轴锻造过程中，常用棒材作为坯料，故分模面的选取也较为容易，选择锻件侧面的中部对称平面作为分模面即可，CAD简图如下：

3、确定机械加工余量及锻件公差

普通锻件均要经机械加工成为零件。考虑到在模锻过程中，由于毛坯在高温条件下产生表皮氧化、脱碳、以及合金元素蒸发或其它污染现象，导致锻件表面光洁度不足，甚至产生表面层机械性能不合格或其它缺陷；由于毛坯体积变化及终锻温度波动，使得锻件尺寸控制不定；由于锻件出模的需要，型槽壁带有斜度，使得锻件侧壁添加敷料；由于型槽磨损和上下模难免的错移现象，导致锻件尺寸出现偏差；由于形状复杂，难以锻造成形，所有这些原因使锻件不仅应加上机械加工余量，而且还得规定适当的锻件尺寸公差。热模锻压力机上模锻件的余量和公差比锤上的小，但至今无统一标准，表 3-1 数据可供参