曲轴是发动机部件中较为重要的零件之一，在发动机工作过程中承受持续的周期性旋转惯力和扭矩等，并在较高的压力作用下以较大的速度运转工作。因其服役条件恶劣，故要求曲轴需具有较好的韧性、刚性、耐磨性、耐腐蚀性等。
概述FC003曲轴（图1）是富成锻造公司针对我国重卡发动机市场，与某知名发动机厂商联合开发的一款技术领先、质量可靠、环保清洁的新一代产品，该曲轴精度高、公差紧，头部设计有较大法兰盘，对锻造工艺、模具寿命和质量稳定性都提出了较高的要求。
图1FC003曲轴锻件模型
为使FC003曲轴研发成功且实现批量生产，富成锻造公司严格执行ISO/TS16949质量体系标准和公司标准化要求，在产品图纸、工艺设计、工装制造、设备保障、生产过程、量具检测及人员资质、技术水平、检验条件等方面精心控制，为产品质量提供了强有力的支撑。
锻造工艺技术难点及措施图2为FC003曲轴锻件图。
锻造工艺技术难点
⑴该曲轴属于六缸扭拐曲轴，产品回转半径大，易在连杆颈处产生折叠。连杆颈在成形过程中由于缺料会形成回流折叠，主轴颈与连杆颈之间的中心距越大，形成折叠的趋势越大。
⑵该产品属于长轴类锻件，设计热收缩率选取不准确将影响锻件的加工余量，会使锻件余量不均，导致曲轴加工后留有黑皮。16000t生产线是全自动化生产线，每一锻造工步的热收缩率都将不同。
⑶分析该曲轴结构特点，柄块端部圆角因离坯料较远，且柄块宽度较窄，成形过程中很难填充。
⑷该曲轴小头一侧具有较大法兰盘，锻件用料截面变化明显，容易出现端头充不满的现象，还可能导致相邻连杆颈充不满。
图2FC003曲轴锻件图
图3柄块端部圆角位置
⑸该曲轴配重块与其是一体的，在生产中存在曲拐远离连杆颈处毛边比较大，导致材料的利用率降低，模具受力不均，将严重影响模具使用寿命。
解决锻造工艺难点措施
⑴针对该曲轴回转半径大，易在连杆颈产生折叠的问题，项目组通过借鉴公司几十年积累的成熟技术经验和利用Deform数值模拟仿真分析，通过降低连杆颈档内冲头高度和增大档内圆角半径来消除锻造成形折叠缺陷。
⑵通过合理设计校正模与热锻件的间隙来保证锻件余量一致，消除曲轴锻件加工后留有黑皮缺陷。
⑶为使柄块圆角充形饱满，项目组通过降低预锻模柄块冲头使其利于材料流动，设计在预锻工步使柄块充型达到95%状态；同时在该处设计一个定位储料带，使坯料能够准确定位，避免材料放置偏向一侧，为终锻工步成形柄块奠定了基础。图4为柄块工装改进示意图。
⑷针对法兰盘大，锻件用料截面变化明显的问题，项目组根据锻压手册经验公式G=4F（G-锻造设备吨位；F-锻件的水平投影面积）并结合产品斜度、余量等技术要求，合理选择锻压设备，以满足打击载荷及产品质量需要。
图4工装改进示意图
⑸保证模具加工制造精度并提高模具表面强度和耐磨性是提高模具寿命的重要措施。项目组设计了全工序三维整体数控模型，模具采用数控整体加工成形，保证了模具的制造精度；模具加工后，在模膛表面进行激光熔敷强化，进一步提高模具表面抗疲劳性。
锻造工艺设计模锻件的锻造工艺成形主要依靠于锻造工装，因此锻造工艺的设计主要体现在工序工装的设计中，FC003曲轴的主要工装有预锻模、终锻模、切边模、扭拐模、校正模，具体设计如下。
锻造工艺数值仿真分析
为验证选择设备及工装设计的正确性，项目组采用Deform软件对锻造过程进行数值模拟仿真分析。富成锻造公司自2005年开始引进和应用有限元分析软件Deform，结合公司设备、材料状况不断补充完善数据库，目前已达到在模具设计初期仅通过模拟仿真分析就可以对锻造成形问题准确判断的程度。
表1预锻、终模拟参数
经过模拟，预锻70%、终锻45%的能量下，曲轴的成形质量较好。图5和图6分别为预锻和终锻工步充型质量及载荷—行程曲线。
图5预锻工步充型质量及载荷—行程曲线
图6终锻工步充型质量及载荷—行程曲线
锻造工艺优化
FC003曲轴终锻载荷达112000kN，载荷稍偏高，设备损耗大。为降低成形载荷，项目组确定了改进方案：调整飞边桥高度来降低终锻载荷峰值。项目组参照斯太尔曲轴等成熟曲轴锻件的热收缩率，适时设计选取FC003曲轴预、终锻和切边工序的收缩系数，并在易发生加工缺陷的部位特殊考虑。在生产过程中，严格按工艺要求控制终锻温度，若超出温度范围，2号机械手及时甩出。图7为终锻工步载荷—行程曲线。
锻造工装设计
⑴预锻模设计。在预锻模设计时，要充分考虑提高材料利用率，增强模具寿命，与终锻模具的匹配性等因素。提高材料利用率，首先要使毛边均匀，且毛边宽度小。连杆颈远端毛边大，考虑到柄块的充满和防止锻件在连杆颈产生折叠，采取降低预锻连杆颈处冲头和加大冲头圆角半径等措施，使坯料在流动过程中向连杆颈流动容易些。预锻模设计时要考虑柄块的充满性，特别是最难充满的柄块圆角，在预锻时应先尽量充满，这样为以后的终锻成形奠定基础。图8和图9分别为预锻下模和上模。
图7终锻工步载荷—行程曲线
图8预锻下模
图9预锻上模
⑵终锻模设计。终锻模主要是尺寸的设计，锻件的收缩率选取最为关键，参照之前生产的斯太尔曲轴制定长度方向的收缩率，并在柄块容易变形的地方做了补偿，锻件的柄块出模斜度为下模1.5度，上模2度，选取这样小的斜度减小了柄块的占料，有利于锻件的充满，根据以往的经验，锻件的上模在生产过程中容易产生镦粗变形，尺寸变大，所以在终锻模设计时，终锻上模柄块宽度减小。图10和图11分别为终锻下模和上模。
图10终锻下模
图11终锻上模
⑶切边模设计。切边模的结构特点决定了切边阴、阳模的间隙，阴、阳模要设计成能够调整间隙的结构，这种设计可以取消切边阳模顶出毛边结构，节省装卸模具时间，由于切边压力机为液压机，运行速度缓慢，在切边后造成主轴颈、连杆颈模口处尺寸变小，所以在设计时适时加大该处的尺寸，同时消除了扭拐时主轴颈处出现深沟。
⑷扭拐模设计。扭拐模采用分块式设计，块与块之间的间隙调整为3毫米。2、5拐处柄块下模由于要进行定位，所以扭拐模膛与热锻件之间的间隙按1毫米进行设计，其他柄块处间隙按3毫米进行设计。图12和图13分别为扭拐下模和上模。
⑸校正模设计。校正模设计的优劣和模具制造的精度直接影响锻件的直线度和相位角。项目组采用第一连杆颈和第六连杆颈水平放置的方法对锻件进行校正，这种校正方法的好处是能把六个连杆颈和各个柄块都兼顾到位。图14和图15分别为校正下模和上模。
FC003曲轴锻造工艺流程工艺流程
下料（高速带锯）→加热（中频炉）→预、终锻锻造成形（16000t螺旋压力机）→切边（2000t压力机）→扭拐（2000t扭拐机）→精整成形（2000t压力机）→调质处理→技术检验→外观检验→表面清理→探伤→锻件终检。
图12扭拐下模
图13扭拐上模
图14校正下模
图15校正上模
锻造工艺
⑴下料规格。通过FC003实体造形及有限元分析得出下料规格尺寸为φ160mm×(1040±2）mm，为减少料头浪费，与原材料厂家签订技术协议进行倍尺订料。
⑵加热。中频加热为快速加热设备，温度略高于正常加热温度，加热温度定为1180～1200℃，加热节拍80件／小时(双炉膛），自动采用光学高温计进行测温并控制不合格温度的坯料甩出。
⑶锻造。根据模拟分析结果，预、终锻打击次数均为1次，避免多次打击导致锻造缺陷。切边、扭拐、校正等工序均一次性完成。
热处理工艺
曲轴在发动机中承担着最大的负荷和全部的功率，以及不断变化的弯矩和扭矩，同时承受着长时间高速运转带来的磨损，圆角过渡处属于薄弱环节，主轴颈与圆角的过渡处更为严重。曲轴内在质量的好坏主要决定于金相组织及机械性能，热处理是保证曲轴金相组织和机械性能的关键工序。通过确定合理的调质处理工艺参数，使该曲轴的内在质量得到有效的保证，满足了批量生产要求。
结论通过工艺试制及生产验证，FC003曲轴的工艺方案及锻造工艺参数正确、合理，能够切实指导生产。试制所用的生产设备、工艺装备、检测仪器及检测方法能够保证产品的质量要求。生产的FC003曲轴锻件几何尺寸、外观精度、机械性能等指标均满足设计要求。经发动机厂商加工使用，已进行批量生产。
