轴类锻件（如发动机曲轴、汽轮机转子、传动轴等）的锻造工艺需要兼顾材料利用率、组织均匀性和力学性能。以下是轴类锻件锻造的核心工艺要点及关键技术控制：

一、材料与坯料准备

材料选择

中碳钢/合金钢（如42CrMo、34CrNiMo6）用于高载荷轴件，不锈钢（如17-4PH）用于耐蚀环境。

坯料需经超声波探伤（UT）检测，确保无内部缺陷（按ASTM A388标准）。

坯料计算

体积公式：V=∑πdi2Li/4V=∑πdi2Li/4（分段计算各轴段体积，考虑5~8%火耗）。

下料精度：重量公差±1%，端面平整度≤1mm/m。

二、加热工艺控制

分段加热

预热段：600~800℃×（1~2h），消除残余应力（高合金钢需阶梯升温）。

高温段：

低合金钢：1150~1200℃（如42CrMo取1180℃）；

高合金钢：1200~1250℃（如Inconel 718需1220℃）。

控温要点

炉温均匀性≤±10℃，热电偶间距≤0.5m（航空件按AMS2750E标准）。

加热时间：1.2~1.8 min/mm（直径），避免过热或未透热。

三、锻造工艺设计

1. 基本成形方法

拔长：

使用型砧（V型或弧形砧），送进量 L=(0.75∼1.0)BL=(0.75∼1.0)B（B为砧宽）；

锻造比≥4（关键件需≥6），单道次变形量20~30%。

镦粗：

高径比≤2.5，避免纵向弯曲；

采用叠镦工艺（如曲轴坯料的局部镦粗）。

2. 特种工艺

径向锻造（精锻机）：

适用于阶梯轴，变形精度±0.5mm，表面粗糙度Ra≤6.3μm。

工艺参数：锤击频率200~400次/min，进给速度2~5mm/s。

楔横轧：

用于预制坯，材料利用率提高15~20%，适合大批量生产。

3. 曲轴专用工艺

全纤维锻造：

采用弯曲、镦挤联合工艺，使流线沿曲柄轮廓分布（疲劳寿命提升30%）。

平衡块成形：

多向模锻或分步镦粗，避免折叠缺陷。

四、冷却与热处理

控冷工艺

风冷：低合金钢（如40Cr）锻后堆冷，防止白点；

水雾冷却：大截面轴锻件（直径＞300mm）控制冷却速率50~80℃/min。

热处理

预备热处理：

正火+高温回火（如34CrNiMo6：860℃空冷+650℃回火）；

***终热处理：

调质处理（淬火+高温回火），硬度控制HRC 28~35（如42CrMo）。

五、变形与缺陷控制

缺陷类型成因分析解决措施

弯曲变形 拔长送料不均或温度梯度大 采用自动送料机+红外温度监控 

表面折叠 砧角过锐或送进量过大 优化砧角R≥15mm，控制送进量 

晶粒粗大 终锻温度过高 降低终锻温度至Ac3以下50℃ 

六、典型工艺参数（以42CrMo发动机曲轴为例）

坯料：Φ200mm×1200mm，重量295kg。

锻造：

镦粗至Φ300mm×530mm；

模锻成形（压力16MN），终锻温度≥850℃。

热处理：

调质：850℃油淬+580℃回火；

表面淬火：轴颈高频淬火（硬度HRC 52~58）。

精度：

直线度≤0.3mm/m，UT检测Φ2mm当量缺陷。

七、关键控制技术

数值模拟

DEFORM模拟金属流动，预测折叠风险（如图示曲轴拐角充型情况）。

https://example.com/crankshaft_simulation.png

在线检测

激光测径仪：实时监控轴径变化（精度±0.1mm）；

热成像仪：检测温度均匀性（温差报警阈值±15℃）。

残余应力控制

振动时效处理（频率50~200Hz），降低应力30~50%。

八、高端应用案例（航空发动机转子轴）

材料：Inconel 718，Φ350mm×2500mm。

锻造：

径向锻造至Φ180mm，锻造比≥8；

终锻温度≥950℃，变形速率0.1~1s⁻¹。

热处理：

固溶：980℃×1h空冷；

时效：720℃×8h → 620℃×8h，空冷。

检测：

荧光渗透（PT）+超声波相控阵（PAUT），零缺陷验收。

工艺设计原则

流线优化：使纤维方向与主应力方向一致（按ASTM E807标准评级）；

组织细化：通过动态再结晶控制晶粒度≥6级（ASTM E112）；

节能降耗：采用近净成形技术，材料利用率≥80%。

通过上述工艺控制，轴锻件可满足：

疲劳性能：曲轴疲劳极限≥450MPa（按ISO 1143测试）；

尺寸精度：直径公差±0.5mm，直线度≤0.2mm/m。