1 前言

      曲軸是汽車發動（dòng）機上（shàng）的關鍵零件（jiàn）之一, 其性能的好壞直接影響汽車質量和壽命。曲軸在（zài）發動機中承擔最大負荷和全部功率（lǜ）, 承受著強大的方向不斷變化的彎矩及扭矩, 也承受著高速旋轉中長時間的磨損。因此, 不但要求（qiú）曲軸材質具有較好的剛性、疲勞強度和良好的耐磨性（xìng）能（néng）, 而且要求曲軸加工後其表麵不允許有任何鑄造缺陷。

      我廠從2006 年開始為一汽一大眾公司E A113發動機獨家供應曲軸毛坯, 完全實（shí）現曲（qǔ）軸（zhóu）國產化（huà）, 其曲軸毛（máo）坯質量和性能要求（qiú）非（fēi）常高, 抗拉強度7 00 MPa, 伸長率3%, 硬度HB250 以上。淬火硬度（dù）HRC為55 以上（shàng）, 曲軸表麵粗糙度為Ra6.3 一R a3.2, 曲軸尺寸（cùn）精度為CT5一CT6 級。另外（wài）, 曲（qǔ）軸加工後其表麵質量要求很高, 不允（yǔn）許有任何（hé）用肉眼能（néng）看見（jiàn）的缺（quē）陷。在供貨的初期, 曲軸的（de）內外廢品率都非常（cháng）高, 特別是曲軸在（zài）一汽一大眾公司加工時（shí）連（lián）續（xù）出（chū）現淬火裂紋、內（nèi）部縮孔縮鬆（sōng）、一連（lián）杆石墨析（xī）出和軸頸表麵渣氣孔等質量問題。幾年來, 我們針對曲軸的（de）加工（gōng）質（zhì）量問題進行了研究和攻關, 並取得（dé）較好的效果, 到2010年, 曲軸的內（nèi）廢率控製在（zài）1.0% 左右, 外廢率控（kòng）製在.0 3% 左右, 曲軸的綜合廢（fèi）品率控製在1.50% 以下。

2 曲軸（zhóu）加工質量問題的研究攻關

2.1 曲軸淬火裂紋問題

      曲軸材質因是球墨鑄鐵、組織不（bú）均、導電性（xìng）差, 因此, 曲軸軸徑淬火時易出現裂紋。曲軸在汽（qì）車行駛過程中主要承受（shòu）複雜的彎曲扭轉載荷和一（yī）定的衝擊載荷, 那麽曲軸軸徑（jìng）淬（cuì）火裂紋易擴展, 最後（hòu）可能會導致斷裂（liè）。EA113 發動機的R06A 曲（qǔ）軸在供貨初期, 曲軸淬火時連（lián）杆軸徑油道孔邊緣產生裂紋, 嚴重時裂紋廢品率在40 % 以上（shàng）, 一汽一大眾公司對曲軸的淬火裂紋的檢查要求是, 隻要有一件裂紋, 整批（pī）曲軸全部報廢。 

2.1.1 曲軸淬（cuì）火裂紋成因分析

      (1)淬火裂紋缺陷特（tè）征

      在連杆軸徑的（de）油道孔邊緣處, 經熒光磁粉探傷後才能發現, 裂紋長（zhǎng）度大（dà）約在1 一5mm, 深度為0.5 一3mm, 對淬火裂紋缺陷進行SEM 電子掃（sǎo）描( 能譜分析), 如圖2 所示。對裂紋件進（jìn）行球化率、珠光體、球徑、滲碳（tàn）體及硬度分析, 結果（guǒ）見表1。從表1 看出, 球化率、珠光（guāng）體量偏低, 硬度偏低, 球（qiú）徑偏大。 

      圖3 為曲軸裂紋區（qū）域金相組織情況: 從金相照片中看出, 該處球徑不規整、石墨球數少（shǎo）、球徑大、球（qiú）化不良。對裂紋件進行化學成分分析, 見表2。對（duì）進口的德國( HBH ) 曲（qǔ）軸進行分析, 結果（guǒ）見表3。

      德國曲軸的球化率、珠（zhū）光體、球（qiú）徑、滲碳體及硬度都比較好。

2.1.2 曲（qǔ）軸淬火裂紋的原（yuán）因及機（jī）理分析（xī）

      (1)球化不良、球化等（děng）級低、球徑（jìng）大（dà）、球數少。由（yóu）於球化不良, 導致曲（qǔ）軸在淬火（huǒ）時淬火組（zǔ）織相變的應力大於組織強度, 使裂紋產生。 

      (2) P、S 元素的影響, 當鐵水中S 元（yuán）素的含量較高時（shí）, 一（yī）般在.0 02 % 以上對球化就有影響, 主要是S與球化劑中的Mg 起（qǐ）化學反應, 生成MgS 夾渣物, 破（pò）壞（huài）和幹擾石墨球的生成等。

      根據有關資料介（jiè）紹, 磷在鑄鐵中主要以磷共晶的形態出現, 一般磷量接近0.1% , 就會出現2% 左右的磷共晶, 鑄鐵熱節部位, 最容易產生磷共晶, 磷共晶的（de）數量高達（dá）5% 以上。含磷量越高, 出現的磷共晶也越多。對鑄態球墨鑄鐵來說, 含磷量偏高, 其塑性和韌性急劇（jù）下降。 

      (3) 珠光體含（hán）量低（dī）、硬度低。由於鐵素體在奧氏體轉變時沒有珠光體快, 在淬到馬氏體時, 組織中還（hái）有殘留部分（fèn）鐵素體, 這種奧氏體與鐵素體（tǐ）的混合組織強度不夠, 易被拉裂。另外, 奧氏體不完全,使淬火後的馬氏（shì）體硬度不夠, 必須調高電壓、電流和延長（zhǎng）加熱時（shí）間及（jí）冷卻時間, 使淬火裂紋傾向（xiàng）加大。 

2.1.3 解決（jué）技術措施

(1) 球化處理

      ①用低鎂球（qiú）化劑( 5% 一6% M g )和中鎂球（qiú）化劑( 6% 一7% M g ) 代替高鎂球化（huà）劑( 8% 一9% M g ), 保證球化反應穩定（dìng）, 鐵水一次出完, 球化劑的加人量由高鎂時的1.2% 一（yī）1.4 % 提高到1.5 %一1.65 %。

      ②球化時鐵水量要準確, 使用電子稱定量鐵（tiě）水。

      ③用石灰脫硫（liú）劑（jì）和鐵削代替（tì）珍珠岩覆蓋球化（huà）劑, 保（bǎo）證球化反應穩定（dìng）。

      ④采用三次孕育處理工藝, 球化處理（lǐ）一次孕育, 倒包（bāo）加二次（cì）孕育, 澆注時隨流（liú）瞬時孕育。 

(2) 調整合金（jīn）成分

      合理調整（zhěng）曲軸合金成分(見表4 ), 提高C u 、M n 、C r 、Ni 含量, 取消（xiāo）Sn。 

(3) 合（hé）理調整爐料

      在生產初期, 爐料主要以生鐵為（wéi）主（zhǔ）, 配料（liào）見表5。 

(4) 增加爐前爐後化（huà）學成分的檢測及控製

      現規定, 爐前化學成分不符（fú）合工（gōng）藝（yì）規定, 必（bì）須調整成分, 進行複檢, 複檢合格後才（cái）能出爐澆注。爐後化學成分的檢測由原來的每爐檢一（yī）塊光譜樣改為每球化包檢一（yī）塊光譜樣。 

(5) 加強曲軸爐後金相（xiàng）、硬度的（de）檢驗

      每個球化包要做金（jīn）相和硬度的檢測外, 清理（lǐ）時每爐曲軸還要做一個本體的金相和硬度檢測, 加強（qiáng）金相和硬度（dù）的控製（zhì）。

(6) 製定曲軸（zhóu）化學成分（fèn）及金相、硬度內控標（biāo）準

      表7 為內（nèi）控標準與曲（qǔ）軸技術標（biāo）準金相及硬度對比, 表8 為內控標準與曲軸化學成分技術標準對比。

2.2 曲軸內部縮孔縮鬆

      曲軸在大眾（zhòng）公司加工時, 其軸頸內部有縮孔或縮鬆( 見圖4、圖5 ), 嚴重時縮孔縮（suō）鬆廢品率達到20%, 按德國曲軸技術標準, 內部不允許有縮孔和縮鬆。 

2 2.1 曲軸內部縮孔縮鬆的成因分析

      由於球墨鑄鐵形成縮孔（kǒng）和縮鬆的傾向都很大, 原因是和凝固時鑄件外（wài）形擴大有關, 球墨鑄鐵糊狀凝（níng）固特性比灰鑄（zhù）鐵強烈, 在澆注後較長時間內, 球墨鑄鐵是在（zài）一（yī）個強度低的塑性（xìng）薄殼內進行凝（níng）固的。凝固時, 共（gòng）晶的石墨化膨脹（zhàng）很大, 伴隨產生的（de）共晶膨脹力也很大, 再加上鐵水靜壓力的作用, 很容（róng）易使鑄件（jiàn）壁的表殼向外推移（yí）, 使鑄件外形擴大（dà）, 產生縮孔縮鬆。產生主要原因是: ① 曲軸補縮冒口起不到補縮作用; ②鐵水澆注溫度過低（dī）( 低於1350℃ ), 有時也過高( 高（gāo）於1450 ℃以上) ; ③ 殼型粘（zhān）結不好, 殼（ké）型強度不夠, 澆注時產生漲箱（xiāng）; ④個別時（shí）候曲軸碳矽含量偏低（dī）; ⑤有時砂箱鐵丸緊實（shí）度不夠。 

2.2.2 解決曲軸內（nèi）部縮孔縮鬆的技術措施

      (1) 自行研製生產發熱保溫冒口和發熱塊, 在補縮冒口內放置一個（gè）發熱冒口襯（chèn）或發熱塊, 發熱保溫冒口的主（zhǔ）要材料組成: 鋁粉、氧（yǎng）化鐵粉、木粉、電（diàn）廠灰、樹脂, 冒口如圖6~圖8。 

      (2) 控製好澆注溫度, 鐵水溫度控（kòng）製在（zài）1380 一1440 ℃ 。

      (3) 自行研製生產熱粘結性能（néng）好的熱溶（róng）膠（jiāo）, 保證殼型粘結牢固, 在鐵水的衝擊下不漲箱。

      (4) 將C 含量控製3.5% 一3.75 % ,Si 含量控製2.0% 一2.4 %, 減少鐵水凝固時的收縮性。

      (5) 砂箱充填鐵丸時要添滿, 震（zhèn）實20s以（yǐ）上, 確保鐵丸緊實（shí）度。 

2.3 曲軸一連杆軸徑石（shí）墨(析出)漂浮（fú）

      曲軸一連杆軸徑精車後, 其表麵出現成片黑點, 嚴重時黑（hēi）點廢品率達到15%左右。對連杆小黑點進行SEM 電子掃描（miáo）( 能譜分（fèn）析), 如圖（tú）9~圖10 所示。

      S E M 電子掃描( 能（néng）譜分析)確認連杆小黑點為石墨。

2.3.1 產生原因

      曲軸是立(澆底注的澆注工藝（yì）係統, 曲軸一連杆軸徑（jìng）在最下麵（miàn）, 處於過（guò）熱狀態。也就是說曲軸一連杆軸徑（jìng）是最大的熱節, 易出現石墨(析出) 漂（piāo）浮。

      (2) C 含量有時過高,C: 3.75%~3.9 % ,Si 含量有時過高,Si: .2 3%~2 6%。

      (3) 殼型（xíng）溫度高於80 ℃ 以上( 因鐵丸溫度（dù）高100 一130 ℃ , 加熱了殼型溫度)。

      (4) 鑄件稀土含量過（guò）高,RE0.04 %~0 07 %。

2 3.2 解決措施

      (1)嚴格控製C、S i含量,C : 3.50%~3.75% ,S i: 2.0%~2.4%

      (2)加強鐵丸冷卻（què）速度, 減緩生（shēng）產節拍, 讓（ràng）鐵（tiě）丸充填殼型砂箱時溫度低於80 ℃ , 使（shǐ）殼型溫度低於50 ℃.

      (3)在曲軸一連杆軸徑易出現石墨漂浮的位置放置冷鐵塊 加速鐵水凝固速度

      (4)使用低稀土的球（qiú）化（huà）劑,RE小於1.5 %。 

2.4 曲軸軸頸（jǐng）加工（gōng）表麵渣氣孔

      德國標（biāo）準規定曲軸軸頸加工後不允許（xǔ）有任何（hé）缺陷, 但我廠國產曲軸加工後（hòu）其表（biǎo）麵有渣氣孔缺陷存（cún）在(見圖11), 嚴重時廢品（pǐn）廢品率高達8 % 左右。 

2 4.1 產生原因

      (1) 鐵（tiě）水出爐溫度偏（piān）低1470~1500 ℃ 。導致球化處理後鐵水澆注溫度偏低1330 一（yī）1370 ℃ 。鐵水中的一次細渣及二次反應渣來不及上浮到（dào）表麵, 鐵水就凝固, 使其微小渣孔殘留在鑄件加工深度2~4 m m 的範圍內, 加工便暴露出來（lái）。

      (2) 鐵水（shuǐ）過濾效果差（chà）, 鐵水造渣打渣效果不好。

      (3) 一噸球化包過大, 四個澆（jiāo）包澆注, 使鐵水降溫過多。

      (4) 平咀澆包澆注時沒有擋（dǎng）渣效果。

      (5) 爐料鏽蝕及表麵不幹淨。 

2.4.2 解決措施

      (1) 提高鐵水出爐溫度1510 一（yī）1550℃，提高澆注溫度1380 一1450℃ 。

      (2) 采用先進的有語（yǔ）音提示、數字顯示並與微機聯網的鐵水測溫儀, 嚴格控製鐵（tiě）水溫度。

      (3) 進行過濾網試（shì）驗（yàn）優化。對泡沫過濾網、直孔陶瓷過濾網等不（bú）同規格的過濾網生產試驗。通過對比試驗結果, 最後選擇直孔陶瓷過濾網。

      (4) 在球化處理時（shí）, 在球化（huà）劑上覆蓋脫硫劑, 這樣起到造（zào）渣脫硫效果。特別可使鐵水的硫含量由0.025% 降到0.008%。

      (5) 球化（huà）處理後及時采（cǎi）用高效聚渣劑造渣打渣。

      (6) 采用（yòng）50Okg 球化包, 澆包采用茶壺咀（jǔ）, 嚴格控製爐料質（zhì）量。 

2.5 曲軸加工表層脫離

      曲（qǔ）軸在加工時, 曲軸的大頭( 有發蘭盤一端) 表層約（yuē）1~2mm 厚度脫落下來, 如（rú）圖12。脫落下來的圓圈破壞性很大, 將自動刀具打壞, 如果加工時沒有掉下來, 在發動機運轉中掉下來, 將把整發動機破壞, 該缺陷出現的幾率約為0.02%。雖然（rán）缺陷幾率很小, 但是破壞性非常大。

2 .5.1 產生原因

      澆注時出現二次澆注( 補澆), 澆注溫度（dù）過低, 過濾網孔眼（yǎn）過細, 第一澆注包烘烤（kǎo）溫度不夠。

2 .5 2 解決措施

      提高澆注溫度, 避免二次澆注, 采用較大孔眼（yǎn）的過濾網, 澆注包烘烤（kǎo）溫度大於70 ℃ 。

2.6 曲軸動平衡不合格

      在發動機中曲軸是高速回轉零件, 曲軸由於不平衡產生的振動與其轉速的平方成正比。振動對導致軸承承受的（de）負荷增加、消耗的功率增加並降低軸承的壽命（mìng）; 振動增加工作時的噪音, 使零件從總成上鬆動, 易產生疲勞失（shī）效等。對高速轉動的零件進行動平衡的目的就是消除和減小振動。因此, 曲軸平衡精（jīng）度的高低對發動機的振動、運行（háng）平穩性及壽命都有很大的影響。動平衡是曲（qǔ）軸加工的最後一道工序, 如果（guǒ）曲軸因動平衡不合格而報廢（fèi）將會導致機加廠很大的浪費（fèi）。圖13 為動平衡（héng）不（bú）合格曲軸, 國內大部分曲軸加工廠家都采（cǎi）用SCHENCK公司（sī）的自動平衡機, 但是每種曲軸不平（píng）衡量（liàng）( 最小為10gcm、最大30gcm )要求不一樣, 所以各（gè）家的平衡能力有所差異, 而且有的廠家配備手（shǒu）動平衡機, 有的沒有, 進一步加劇了平衡能力的（de）差異。因此我（wǒ）廠必須保證曲軸毛坯的（de）質量。 

2.6.1 曲軸動平衡不合（hé）格成因分析

      (1) 曲軸在製造過程中產生較大（dà）的變形量, 導致曲軸不平衡量過大。

      (2) 曲軸（zhóu）產生較大的錯型, 如圖14。

      (3) 曲軸由於漲（zhǎng）殼造成（chéng）連杆頸及主軸頸粗細不一, 影響加（jiā）工定位。

      (4) 曲軸清理不到位, 定位（wèi）點和夾緊點有凸起物引起定位偏差。

      (5) 加工廠設備平衡能力不足及（jí）缺乏動平衡經驗。

2.6.2 解決曲（qǔ）軸動平衡不合格措（cuò）施

      (1) 防止曲軸變（biàn）形

      防止曲（qǔ）軸變形首先要防止型殼發生變形, 由於製殼時（shí）型殼溫度（dù）較高, 沒有形成一定強度, 易產生（shēng）變形。我廠在製殼時采用了專用粘（zhān）接（jiē）板, 根據曲軸的型殼（ké）輪廓做（zuò）仿形設計, 下粘接（jiē）板布置高度一致的頂杆, 上粘接板布（bù）置彈簧頂杆, 保證（zhèng）型殼在粘接時處在一個平麵（miàn）, 不（bú）發生彎曲變形。另外, 在（zài）不影響生產節拍的前提下, 延長了型（xíng）殼（ké）粘（zhān）接時的保壓時間, 進一（yī）步保證了粘接效（xiào）果。在（zài）型殼的存放環節上, 我們設計了專用存殼（ké）車（chē）, 型殼直立放置而且（qiě）型殼互不擠壓。確保每個環節都有效地防止了型殼變形。 

      (2) 保證曲軸（zhóu）軸頸一致性

      為了防止曲軸漲殼, 對型殼塗膠槽進行了改（gǎi）進, 采用了凸凹配合式塗膠（jiāo）槽取代了以前的點狀塗膠圈, 加大了型（xíng）殼間的粘接麵積和粘接（jiē）力。通過工藝試驗發現采用該塗膠槽後曲軸漲殼量不超過0.5mm , 既保證了曲軸軸頸尺寸的一致性, 又降低了清理（lǐ）曲軸飛邊的難度。在型殼裝箱環節我們增加了鐵丸的填充量和緊實度要求, 通過加強型殼剛度防止曲軸漲殼。 

      (3) 加工定位點位置

      曲軸加工（gōng）廠家的定位方式都基本一樣, 曲軸一五主軸頸為夾緊點, 二三平衡塊為定位點。為了不影響廠家（jiā）定位, 我們對曲軸所有（yǒu）定位位（wèi）置進行嚴格把關, 不允許有任何凸起物和其它影響定位的缺陷, 發現問題全部（bù）進行返修（xiū）。

      (4) 加工方麵

      目前各加（jiā）工廠加工曲軸都采用幾何定心工藝, 定心（xīn）工序是後（hòu）序加工的基（jī）礎。幾（jǐ）何定心較（jiào）質量定心的缺點就（jiù）是幾何中心和（hé）質量中（zhōng）心肯（kěn）定不能重合, 而且往往（wǎng）偏差較大（dà）, 曲軸在動平衡處理時由於其不平（píng）衡量過（guò）大而無法平衡。型（xíng）殼工（gōng）藝生產的曲軸一致性（xìng）較砂型較差, 這方麵的問題更為明顯。鑒於幾何定心（xīn）的特點, 在加工曲軸中心孔時, 會（huì）采取（qǔ）一些預檢和預（yù）調措施。通常的做（zuò）法是連續抽取10根（gēn）完成粗加工的曲軸（zhóu）, 進行動平衡測試, 當不平衡量超過100gcm 時, 對定心機床的打中心孔刀頭進行微（wēi）調。通過以上（shàng）以上（shàng）補償措施可（kě）以有效的提高曲軸動平衡的一次合格率, 當然實施這項操（cāo）作的前提是該批曲軸狀態一致, 如（rú）同一模具號、同一批（pī）次號等。另外手動平衡機也是曲軸加工廠不可缺少的重要設備, 它是自動平衡機的一個補充, 在手動平衡機操作者可以根據經驗對去重孔的數量、位置進行適（shì）當調整, 平衡率可達到98 %左右。有的廠家不僅不根（gēn）據曲軸批次特點進行中心孔位置（zhì）微（wēi）調, 也不配備手動平衡機, 因此動平衡合（hé）格率較低, 對毛坯廠和加工廠都造（zào）成很大的損失（shī）。 

3 結束語

      大眾公司轎車（chē）發動機曲軸質量要求非常高。幾年來, 在曲軸國產（chǎn）化（huà）過（guò）程中, 我（wǒ）們在解決（jué）曲（qǔ）軸質量方麵（miàn）做了（le）很多（duō）的工作, 一邊研究和完（wán）善殼（ké）型鑄造工藝方法, 一邊探討和解決曲軸質量問題, 通過不懈的努力, 使得我廠曲軸殼型鑄造工藝方法更加成（chéng）熟穩定, 曲（qǔ）軸質量不斷改善（shàn）提高,2010 年EA113 發動機R06A曲軸在一汽一大眾公司加工外廢率和內廢（fèi）率如下圖15。