1 前（qián）言

      曲軸是汽車（chē）發動機上的關鍵零（líng）件之一, 其性能的好壞直接影響汽車質量和壽命。曲軸（zhóu）在發動機中承擔最大負荷和全部功率, 承受著（zhe）強大的方向（xiàng）不斷變化的彎矩及扭矩, 也承受著高速旋轉（zhuǎn）中長時間的磨損。因此, 不但要求曲軸材質具有較好的剛性、疲勞強度和良好的耐（nài）磨性能, 而且要求曲軸加工後（hòu）其表麵不（bú）允許有任何鑄造缺陷（xiàn）。

      我廠從2006 年（nián）開始為一汽一大眾公司E A113發動機獨家供（gòng）應曲軸毛坯, 完全實現曲軸國產化, 其曲軸毛坯質量和性能要求非常高, 抗拉強（qiáng）度7 00 MPa, 伸長率3%, 硬（yìng）度HB250 以上。淬火硬度HRC為55 以上, 曲軸表麵（miàn）粗糙（cāo）度為Ra6.3 一R a3.2, 曲（qǔ）軸尺寸精度為CT5一CT6 級。另（lìng）外, 曲軸加工後其表麵（miàn）質量要求很高, 不（bú）允（yǔn）許有任何用肉眼能看見的缺陷。在（zài）供貨的初期, 曲軸的內外廢品率都非常高, 特（tè）別是曲軸在（zài）一汽一大眾公司加（jiā）工時連續出（chū）現淬火裂紋、內部縮孔縮鬆（sōng）、一連杆石墨析出和軸頸表麵（miàn）渣氣孔等質量（liàng）問題。幾年來, 我們針對曲軸的加工質量（liàng）問（wèn）題進行了研究（jiū）和攻關, 並取（qǔ）得較好的效果, 到2010年, 曲軸的（de）內（nèi）廢率控（kòng）製（zhì）在1.0% 左右, 外廢率控製在.0 3% 左右, 曲（qǔ）軸的綜合廢品率控製在1.50% 以下。

2 曲軸（zhóu）加工質（zhì）量問題的（de）研究攻關

2.1 曲軸淬火裂紋（wén）問題

      曲軸（zhóu）材質因是球墨鑄鐵、組織不均、導電性差, 因此, 曲軸軸徑淬火（huǒ）時易出現裂紋。曲軸在汽車行駛（shǐ）過（guò）程中（zhōng）主要承受複雜的彎（wān）曲扭轉載荷和一定（dìng）的衝擊載荷, 那麽曲軸軸徑淬火裂紋易擴展, 最後可能會導致斷裂。EA113 發動機的R06A 曲軸在供貨初期, 曲軸淬火時連杆軸徑油道孔邊緣產生裂紋（wén）, 嚴重時裂紋廢品率在40 % 以上, 一汽一大眾公司對（duì）曲軸的淬（cuì）火裂紋的檢查要求是, 隻要有一件（jiàn）裂紋, 整批曲軸全部報廢。 

2.1.1 曲軸淬火裂紋成因分析

      (1)淬火裂紋缺陷特征

      在連杆軸徑的油道孔邊緣處, 經熒光磁粉探傷後才能發現, 裂紋長度大約在1 一5mm, 深（shēn）度為0.5 一3mm, 對淬火裂紋缺陷進行SEM 電子掃描( 能譜分析), 如圖2 所示。對裂紋（wén）件進行球（qiú）化率、珠光體、球徑、滲碳（tàn）體及（jí）硬度分析, 結果見表1。從表1 看出, 球化（huà）率、珠光體量（liàng）偏低, 硬（yìng）度偏低, 球徑偏（piān）大。 

      圖3 為曲軸裂紋區域金相組織情況: 從金相照（zhào）片中看出, 該處球徑（jìng）不規整、石墨球數少、球徑大、球化不良。對裂紋件進行化學成（chéng）分分析, 見表2。對進口的德國( HBH ) 曲軸進行分析, 結果見表3。

      德國曲軸的球化率、珠光體、球徑、滲（shèn）碳體及硬度都比較好。

2.1.2 曲軸淬火裂紋的原因及機理分析

      (1)球化不良、球化（huà）等級（jí）低、球徑大、球數（shù）少。由於球化不良, 導致曲軸在淬火時淬火（huǒ）組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（xiǎng）, 當鐵水中S 元素（sù）的含量較高時（shí）, 一般在.0 02 % 以上對球化就有影響, 主要是S與球化劑中的（de）Mg 起（qǐ）化學反應, 生成MgS 夾渣物, 破壞和幹擾石墨球的生成等。

      根據有關資料介紹, 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（jīng）, 鑄鐵（tiě）熱節部位, 最容易產生磷共晶, 磷共晶的數量高達5% 以上。含磷（lín）量越高, 出現的磷共晶也越多。對（duì）鑄態球墨鑄鐵來說, 含磷量偏高, 其塑性和（hé）韌性急劇下（xià）降。 

      (3) 珠光體含量低、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（sù）體（tǐ）, 這種（zhǒng）奧氏（shì）體與鐵素體的混合組織強度不夠, 易被拉裂。另外, 奧氏體不完全,使淬火後的馬氏體硬度不夠, 必須（xū）調高電壓、電流和延長加熱時間（jiān）及（jí）冷卻時間, 使淬火裂紋傾向加大。 

2.1.3 解（jiě）決技術措施

(1) 球化處理

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

      ②球化時鐵水量要準確, 使用電子稱定量鐵水。

      ③用石灰脫硫劑和鐵（tiě）削代替珍珠岩覆蓋球化劑, 保證球化反應穩定。

      ④采用三次孕育處理工藝, 球（qiú）化處理一次孕育, 倒包加二次孕（yùn）育, 澆注時隨流瞬時（shí）孕育。 

(2) 調整合金成分

      合理調整曲軸合金成（chéng）分(見（jiàn）表4 ), 提高C u 、M n 、C r 、Ni 含量, 取消Sn。 

(3) 合理（lǐ）調整爐料

      在生產初期, 爐料主要以生鐵為主, 配料見表5。 

(4) 增（zēng）加爐前爐後化學成分的檢測及控（kòng）製

      現規（guī）定, 爐前（qián）化學成分不符合工藝規定, 必須（xū）調（diào）整成分, 進行複檢, 複檢合格後才能出爐澆注（zhù）。爐（lú）後化學成分的檢測由原（yuán）來的每爐檢一塊光譜（pǔ）樣改為（wéi）每（měi）球化包檢一塊光譜樣。 

(5) 加強曲軸爐後金（jīn）相、硬度（dù）的（de）檢驗

      每個球化包要做金相和硬度的檢測外, 清理時每爐曲軸還要做一個本體的金相和（hé）硬度檢測, 加強金相和（hé）硬度的（de）控製。

(6) 製定曲軸化學成分及金相（xiàng）、硬度內控標準

      表7 為內控標（biāo）準與曲（qǔ）軸技術標準（zhǔn）金相（xiàng）及硬度對比（bǐ）, 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

      曲軸在大眾公司加工時, 其軸頸內部有縮孔或縮鬆( 見圖4、圖（tú）5 ), 嚴重時縮孔縮（suō）鬆廢品（pǐn）率達（dá）到（dào）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（de）成因（yīn）分析

      由於球墨鑄鐵形成縮孔和縮鬆的傾向都很大, 原因是和凝固時鑄件外形擴大有關, 球墨鑄鐵糊狀凝固特性比灰鑄鐵強烈, 在（zài）澆注後較長時（shí）間內, 球墨鑄鐵是在一個強度低（dī）的塑性薄殼內進行凝固的。凝固時, 共晶的石墨（mò）化膨脹很大, 伴隨產生的共晶膨脹力（lì）也很大（dà）, 再加上鐵水靜壓力的（de）作用, 很容易使鑄件壁的表殼向外推移, 使鑄（zhù）件外形擴大, 產生縮孔縮鬆。產（chǎn）生主要原因是: ① 曲軸（zhóu）補縮冒口起不到補縮作用; ②鐵水澆注溫度過低( 低（dī）於（yú）1350℃ ), 有時（shí）也過高( 高於1450 ℃以上) ; ③ 殼（ké）型粘結不（bú）好, 殼型強度不夠, 澆注時產生漲箱; ④個別時候曲軸碳矽含量偏低; ⑤有時砂箱鐵丸緊實度不夠。 

2.2.2 解決曲軸內部縮（suō）孔縮鬆（sōng）的技術措施

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

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

      (3) 自行研製生（shēng）產熱粘結性能好的熱溶膠, 保證殼型粘結牢固, 在鐵水的衝（chōng）擊下不漲箱。

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

      (5) 砂箱充填鐵丸時（shí）要添滿, 震實20s以上（shàng）, 確保鐵丸緊實度。 

2.3 曲軸一連杆軸徑石墨(析出)漂浮

      曲軸一連杆（gǎn）軸徑（jìng）精車後, 其表麵出現成片黑點, 嚴重時黑點廢品率達到15%左右。對連杆（gǎn）小黑點進（jìn）行SEM 電子掃描( 能譜分析), 如圖9~圖10 所示。

      S E M 電子掃描( 能譜分析)確認連杆小黑點為石墨。

2.3.1 產（chǎn）生原因

      曲軸是立(澆底注的澆注工藝係統, 曲軸一連杆軸徑在最下麵, 處於過熱狀態。也就是說曲軸一連杆軸（zhóu）徑是最大的熱（rè）節, 易出現石墨(析出) 漂浮。

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

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

      (4) 鑄件稀土含量過高,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)加強鐵丸冷卻速度, 減緩生產節拍, 讓鐵丸充填殼型砂箱時溫度低於80 ℃ , 使殼（ké）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（níng）固速度

      (4)使用低（dī）稀土的球化劑,RE小於1.5 %。 

2.4 曲軸軸頸加工表麵渣氣（qì）孔

      德國標準規（guī）定（dìng）曲軸（zhóu）軸頸加工後不允許有任何缺陷, 但我廠國（guó）產曲軸加工後其表麵有渣氣（qì）孔缺陷存在(見圖11), 嚴重時廢品廢品率高達8 % 左右。 

2 4.1 產生原因

      (1) 鐵水出爐溫度偏低1470~1500 ℃ 。導致球（qiú）化處理後鐵水澆注溫（wēn）度偏低1330 一1370 ℃ 。鐵（tiě）水中（zhōng）的一次細渣及二次反應渣（zhā）來不及上浮到表麵, 鐵水就凝固, 使其微小渣孔殘（cán）留在鑄件加工深（shēn）度2~4 m m 的範（fàn）圍內, 加（jiā）工（gōng）便暴露出來。

      (2) 鐵水過濾效果差, 鐵水造渣打渣效果不（bú）好。

      (3) 一噸球化包過大（dà）, 四個（gè）澆（jiāo）包澆注（zhù）, 使（shǐ）鐵水降溫過多。

      (4) 平咀澆包澆注時沒有擋渣效（xiào）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（lú）溫度1510 一1550℃，提高澆注溫度（dù）1380 一1450℃ 。

      (2) 采用先（xiān）進的有語音提示（shì）、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（dù）。

      (3) 進行過（guò）濾網試驗優化。對泡沫（mò）過濾網、直孔陶（táo）瓷過濾網等不同（tóng）規格的（de）過濾網（wǎng）生產試驗。通過對比試驗結果, 最後選（xuǎn）擇直孔（kǒng）陶瓷過濾網。

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

      (5) 球化處理後及時采用高效聚渣劑造渣打渣。

      (6) 采用50Okg 球化包, 澆包采用茶壺咀（jǔ）, 嚴格控製爐料（liào）質量。 

2.5 曲軸加工表層脫離

      曲軸（zhóu）在加工時, 曲軸（zhóu）的大頭( 有發蘭盤一端) 表層約1~2mm 厚（hòu）度（dù）脫落下來, 如圖12。脫落下來的圓圈破壞性很大, 將（jiāng）自動（dòng）刀具打壞, 如果加工時沒有掉下來, 在發動（dòng）機運（yùn）轉中掉下來, 將把整發動（dòng）機破壞, 該缺陷出現的幾率約（yuē）為0.02%。雖然缺（quē）陷幾率很小（xiǎo）, 但是破壞性非常大。

2 .5.1 產生原（yuán）因

      澆注時出（chū）現二次澆（jiāo）注( 補澆), 澆注溫度過（guò）低, 過濾網孔眼過細, 第（dì）一澆注包烘烤溫度不夠。

2 .5 2 解決措施

      提高（gāo）澆注（zhù）溫度, 避免（miǎn）二次澆注, 采（cǎi）用較大孔眼的過濾網, 澆注包（bāo）烘烤溫度大於70 ℃ 。

2.6 曲（qǔ）軸動平衡不合格

      在發（fā）動機中曲軸是高速（sù）回轉零件, 曲軸由於不（bú）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（jiàng）低軸承的壽命; 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, 曲軸平衡精度的高低對發動機的（de）振動、運行平穩性及壽命都有（yǒu）很（hěn）大的影響（xiǎng）。動平衡是曲軸加工的最（zuì）後一道工序, 如（rú）果曲軸因動平衡不合格而報廢將會導致機加廠（chǎng）很大的浪費。圖13 為動平衡不合格曲軸, 國內（nèi）大部分曲軸加工廠家（jiā）都采用SCHENCK公司的自動平衡機, 但是每種曲軸不平衡量( 最小為10gcm、最大30gcm )要求不（bú）一樣, 所以各家的平衡能力有所差異, 而且有的廠家配備手動平衡機, 有的沒有, 進（jìn）一步加劇了平衡能力的差異。因此我廠必須保證曲軸毛坯的質量。 

2.6.1 曲軸動平衡不合格成因分析

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

      (2) 曲軸產生較（jiào）大的錯型, 如圖（tú）14。

      (3) 曲軸由於漲殼造成連杆（gǎn）頸及主軸頸粗細不一, 影響加工（gōng）定位。

      (4) 曲軸清理不到位, 定位點和夾緊點有凸起物引起定位偏差。

      (5) 加工廠（chǎng）設備平衡能（néng）力不足及缺乏動平衡經（jīng）驗。

2.6.2 解（jiě）決曲軸動平（píng）衡不（bú）合格措施

      (1) 防止曲軸變（biàn）形

      防止曲軸變形首先要防（fáng）止（zhǐ）型殼發生變（biàn）形, 由於製殼（ké）時（shí）型殼溫度較高, 沒有形成一定強度, 易產生變形。我廠在製殼時采（cǎi）用（yòng）了（le）專用粘接板, 根據曲軸的型殼（ké）輪廓做仿形設計（jì）, 下粘接板布置高度一（yī）致（zhì）的頂杆, 上粘接板布置彈簧頂杆, 保證型殼在粘接時處在一個平麵, 不發生彎曲變形。另外, 在不（bú）影響生（shēng）產節拍的前（qián）提（tí）下, 延長了型殼粘接時的保壓時間, 進一步保證了粘接效果。在型殼的存放環節上, 我們設計了專用存殼車, 型殼直立放（fàng）置而且型殼互不擠壓。確保每個環節都有效（xiào）地防止了型殼變形（xíng）。 

      (2) 保證曲軸軸頸一致性

      為了防止曲軸漲殼, 對型殼塗膠槽（cáo）進（jìn）行了改進（jìn）, 采用了凸（tū）凹配合式塗膠槽取代了（le）以前（qián）的（de）點狀（zhuàng）塗膠圈, 加大了（le）型（xíng）殼間的粘接麵積和粘接力。通過（guò）工藝（yì）試驗發現采用該（gāi）塗膠槽後曲軸漲殼（ké）量不超過0.5mm , 既保（bǎo）證了曲軸軸頸尺寸的一致性, 又降低了清（qīng）理曲軸飛邊的（de）難度。在型殼裝箱環節我們（men）增加了鐵丸的填充量和緊實度要求, 通過（guò）加強型殼剛度防止曲軸漲殼。 

      (3) 加工定位點位（wèi）置

      曲軸加工廠家的定位方（fāng）式都基本一樣, 曲軸一五主軸頸（jǐng）為夾（jiá）緊點, 二三平衡塊為定位點。為了（le）不影響廠家定位, 我們對曲軸所有定位位置進行嚴格把關, 不允許有任何凸起物和其（qí）它（tā）影響（xiǎng）定位的缺陷, 發現問題全部（bù）進行返（fǎn）修。

      (4) 加（jiā）工方麵

      目前各加工廠加（jiā）工曲軸都（dōu）采（cǎi）用幾何定心工藝, 定心工序是後序加工的基礎。幾何定心較質量定心（xīn）的缺點就是幾何（hé）中心和質量中心肯定不能重合, 而且往往偏差較（jiào）大, 曲軸在（zài）動平衡（héng）處（chù）理時（shí）由於其不平衡量過（guò）大而（ér）無法平衡。型殼工藝生產的曲軸一致性較砂型較差, 這方麵的（de）問題更為（wéi）明顯。鑒於幾何定（dìng）心的特點（diǎn）, 在加工曲軸中心孔時, 會（huì）采取一（yī）些預（yù）檢（jiǎn）和預調措施。通常的做法是連續抽（chōu）取10根完成粗（cū）加工的曲軸, 進行動平衡測試, 當不平衡量超過100gcm 時, 對（duì）定心機床的打中心孔刀頭進行微調。通過以上（shàng）以（yǐ）上（shàng）補償措施可以有效的（de）提（tí）高曲軸（zhóu）動平衡的一次合（hé）格（gé）率, 當然實施這項操作的前提（tí）是該批曲軸狀態一致, 如同一模具號、同一批次號等。另外手動平衡機也（yě）是曲軸加工（gōng）廠不（bú）可缺少的重（chóng）要設備, 它是自動平衡（héng）機的一個補充（chōng）, 在手動平衡機操作者可以根據經（jīng）驗對去重（chóng）孔的數量、位置進行適當調整, 平衡率可（kě）達到98 %左右。有的廠家不僅不根據曲軸批次特點進行中心孔位置微（wēi）調, 也不配備手動平衡機, 因此動平衡合格（gé）率較低, 對毛坯廠和加工廠都造成很大（dà）的損（sǔn）失。 

3 結束語

      大眾公司轎車發動機曲軸質量要求非常（cháng）高。幾年來, 在（zài）曲軸國產化過程中, 我們在解決曲軸質量方麵做（zuò）了很多的工作, 一邊研究和完善殼型鑄造工藝方法, 一邊（biān）探討和解決曲（qǔ）軸質量問題, 通（tōng）過不（bú）懈的努力, 使得我廠曲軸殼型鑄造（zào）工藝方法更加成（chéng）熟穩定, 曲軸質量不斷改善提高,2010 年（nián）EA113 發（fā）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。