检测曲轴缺陷时通常采用磁粉探伤的方法，由缺陷和其他因素造成的漏磁场积聚磁粉所形成的图像即为磁痕，磁痕是反应曲轴缺陷的一个重要指标，磁痕是曲轴上的重要损伤之一，目前曲轴的生产方法主要有锻造和铸造两类，而锻造曲轴的强度、抗疲劳性能、塑韧性等都比铸造曲轴强，因此现在大多数企业选择锻造方法生产曲轴，由于曲轴磁痕问题而造成锻造曲轴报废的情况严重，使得企业经济损失惨重。影响磁痕的因素有很多，例如工人操作不当、原材料性能、热处理方式、曲轴加工工艺等，应结合磁粉探伤结果分析磁痕形成的机理。本文采用三维模拟软件Transvalor Forge -3D 对曲轴的热锻过程进行数值模拟，分析各热锻工序中金属的流动情况。根据企业提供的相关资料，分析实际锻造实验的中心材料锻后的金属流向，对比实验与数值模拟结果，进一步分析磁痕的形成机理，为研究曲轴的形成机理和采取预防措施提供参考价值。

      本文研究的曲轴所用材料为42CrMo 合金钢，中心疏松等级为1. 5 级，且原材料为热轧钢，材料中心含有非金属夹杂物和疏松等，材料心部组织要差于表面。该六拐曲轴的加工工艺为辊锻、卡压、预锻、终锻。图1 为曲轴探伤后磁痕分布图，即为曲轴零件上的一个轴颈处沿分模面切取的试样，经过磁粉探伤后的磁痕显示情况。从图1 中可观察到明显的3 处磁痕，磁粉在缺陷处积聚良好，磁痕呈长条状，长度约为5～7 mm，且沿着分模面方向磁粉积聚。表1 为企业针对42CrMo 合金钢不同曲轴型号所做的显微观察结果。

      根据探伤后磁痕的表面形貌和企业探伤标准Q/XC4209-2013，初步判断此类磁痕主要由带状组织和非金属夹杂物引起，而这些材料心部的缺陷在锻造过程中的流向是磁痕出现的关键因素，因此本文针对曲轴锻造工艺进行金属流动情况的研究。

      曲轴热锻过程的数值模拟使用热-粘塑性定律，忽略弹性变形。为使模拟结果与实际生产相仿，模拟条件与实际基本相同。厂家采用模锻的方式来生产此曲轴，选用125MN 的热模锻压力机来进行模拟，毛坯材料为42CrMo 合金钢，毛坯尺寸为Φ150 mm × 960 mm， 坯料成形温度为1150 ℃，上下模具的预热温度为250℃，模具与坯料之间的润滑方式采用水基石墨润滑，曲轴零件如图2所示。

2. 1 曲轴工艺模拟参数设定

     由于辊锻变形使坯料部分截面变小而长度增加，即产生坯料的轧制延伸，对于辊锻工序而言，中心缺陷金属的流动并不剧烈，对磁痕的影响几乎可以忽略。在研究金属流动时直接用辊锻后的工件，以及卡压上下模具来模拟卡压过程中的金属流动情况及损伤的分布。网格划分为40 万个网格，卡压上下模具均设置为刚性体，即在热锻过程中不发生变形，参与工件与模具之间的热传导过程，热交换条件为热中交换，由此建立的卡压模型如图3所示。

2. 2 卡压工艺金属流动分析

       图4a 为卡压工艺前建立的中心金属网格分布图，中心金属设置为Ф30 mm × 960 mm，这个尺寸与企业锻打实验吻合。图4b 为卡压工艺后得到的金属流动分布图。可以看出，中心金属经过模具的摩擦与锻打后，在连杆轴颈处出现与工件整体相对应的流动情况，在卡压工艺中，中心金属的流动较小，没有出现流至工件表面的现象，所以不会由于中心缺陷金属外露造成曲轴缺陷，卡压工艺合理。

       预锻工艺建立在卡压工艺上，预锻工件选为卡压后变形的工件，上下预锻模具依然设为刚性体，在热锻过程中只参与热交换，热交换条件为热中交换，模具预加热至250 ℃，工件温度设为1150 ℃，预锻件的拔模斜度和终锻件一致，为了防止产生折叠，减小金属流动阻力，预锻件圆角要比终锻件的大，据此建立的预锻模型如图5 所示。

2. 3 预锻工艺金属流动分析

     图6 为预锻工艺完成后中心金属的流向情况。从图6a 中可以看出，中心金属流至第1 拐和第3 拐的内侧圆角处，使得中心金属在经过后续的机加工等工序后易暴露在工件表面，中心材料的外露易诱发裂纹、磁痕等的发生，这是磁痕形成的主要原因之一。图6b、图6c 为第1、6 拐和第2、5 拐处中心截面图，可以清晰地看到中心金属的流动情况，第3、4 拐与第1、6 拐是对称的，所以认为金属流动情况一致，第1、6 拐连杆颈内侧分模面正好对应于中心材料位置处，而中心金属在第2、5 拐横截面上的分布为材料中心轴位置偏上10 mm 左右。

2. 4 建立终锻工艺有限元模型

     热锻件尺寸是在冷锻件的基础上加热膨胀率，取曲轴42CrMo 合金钢的热膨胀系数为1.015%，终锻过程中的工件为预锻后的工件，曲轴平衡块的位置无相对角度，所以选取曲轴中部对称平面为分模面，据此建立的终锻模型如图7 所示。

2. 5 终锻工艺金属流动分析

     图8 为终锻工艺完成后中心金属的流向情况，终锻过程中中心金属的流动与预锻过程相似，中心金属流至第1、第6、第3、第4 拐的连杆颈曲柄内侧位置，第1 和第6 拐连杆颈内侧分模面处正好是材料毛坯的中心部位，磁粉探伤出来的磁痕也多在分模面处，而在第2 和第5 拐处，中心金属的位置也偏高10 mm 左右，所以要严格控制中心金属不流至工件表面及分模面处，才能解决缺陷的产生，而终锻模具型腔与热锻件的形状相匹配无法进行修改，所以需要在预锻工艺中实施优化改进措施，且钢材的质量也需要严格把关，采购高纯净钢或要求钢厂在冶炼轧制过程中，采取措施将中心缺陷材料控制在一定范围内。

(1) 实验1。实验采用圆形棒料，在相当于曲轴连杆颈的位置，即第1、第3、第4、第6 拐连杆颈处插入钢片，如图9 所示，钢片的厚度为30 mm，放置在1 /4D 处。棒料经过热锻过程后，将第1、第4 拐剖开后观察截面处钢片的分布，如图10 所示。

      由于曲轴零件的对称性，第1 拐连杆颈和第6 拐连杆颈的成形是相同的，第4 拐连杆颈和第3 拐连杆颈的成形是相同的，而夹钢片的方法不适于第2、第5 拐连杆颈，所以未做实验，从图10 中可以看出，连杆颈内侧部位正好处于原材料的中心部位，材料外径的1 /4 处正好在锻件的第1、第6、第3、第4 拐连杆颈的中心部位。

( 2) 实验2。实验采用圆棒料，如图11 所示，在圆棒料的两端中心钻深孔，用低碳钢棒填入这两个深孔，采用低碳钢棒是为了在热锻后容易辨别，来观察心部材料在热锻中的金属流向。在经过热锻工艺后将第1、第6 拐连杆颈和第2、第5 拐连杆颈剖开，观察低碳钢棒的金属流向，剖开后的截面图如图12 所示，中心金属流至第1、第6 拐连杆颈和连杆颈的内侧分模面处，中心金属在第2、第5 拐连杆颈处的位置是中心偏上10 mm 左右，由此可以看出数值模拟的结果和实验的结果吻合良好。

      数值模拟和实际实验结果分析表明，中心金属的流向是导致磁痕的重要因素之一。因此，解决磁痕的问题主要有两个改进措施: (1) 调整预锻模具的相关尺寸，避免材料心部组织外露; (2)严格控制原材料的质量，保证心部缺陷材料在一定范围内。

到同类的锻件生产的检测中，从而提高曲轴锻件质量和降低生产成本。