本发明属于机械制造塑性加工领域，具体涉及一种适用于非调质钢曲轴坯的铸锻复合工艺方法。
背景技术：
曲轴是发动机的一个重要组成部分，广泛应用于各种内燃机发动机的汽车、轮船等行业中。曲轴在工作中承受着扭转应力、交变弯曲应力、往复惯性力、回转离心力和它们形成的力矩以及高载荷冲击振动，其主要的失效形式是输出端腐蚀和裂纹、轴颈磨损以及曲轴的弯曲和断裂。曲轴的寿命决定了发动机的寿命。目前发动机曲轴主要有锻造成形的锻钢曲轴和铸造成形的球墨铸铁曲轴。锻钢曲轴的纤维流线保存完整，所以具有较高的弯曲疲劳强度，但模锻时材料利用率低，生产耗时长，并且模锻的模具成本较高，设备吨位较大。球墨铸铁曲轴制造成本比锻钢曲轴成本低，但是球墨铸铁曲轴的质量和性能一般，疏松、缩孔、晶粒粗大等铸造缺陷使其抗疲劳性能降低。
近年来，非调质钢的应用发展迅速，已被广泛应用于汽车曲轴、连杆、半轴、转向节、前轴和万向节叉等多种汽车锻件。非调质钢是在低合金钢或中碳素结构钢的基础上中加入钒、钛、铌等微量合金元素，通过控制加热温度、加热速度、冷却速度等方式，使材料在锻后或轧后就获得较好的综合力学性能和均匀的微观组织，不必再进行调质热处理。减少了热处理工序和设备，避免热处理时的热变形和淬火出现的裂纹，改善了零件的切削性能，提高了产品质量，缩短了生产周期，降低了劳动强度，并大大减少了热处理所造成的环境污染，显著地增加了企业的经济效益和社会效益。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的材料利用率低、模具成本高等问题，提供了一种非调质钢曲轴坯的铸锻复合工艺；先铸造非调质曲轴铸坯，然后通过锻造消除铸造缺陷、改善铸态组织，最终获得曲轴坯锻件。应用该工艺成形曲轴坯可以提高材料利用率的同时缩短加工时间，减少模具的成本和设备吨位，提高生产效率，具有十分重要的现实意义。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：
一种非调质钢曲轴坯的铸锻复合工艺方法，包括以下步骤：
步骤一：熔炼非调质钢；
步骤二：将熔炼好的非调质钢注入铸造模具中，浇注成形曲轴铸件坯；
步骤三：冷却后落砂；
步骤四：清理，包括去除浇注冒口和表面清理；
步骤五：曲轴铸件坯加热；
步骤六：曲轴铸件坯闭式热模锻，得到曲轴锻件坯；
步骤七：曲轴锻件坯可控冷却；
步骤八：曲轴锻件坯表面清理和检测。
步骤二中所述曲轴铸件坯的尺寸，是根据已确定的曲轴坯的冷锻件图，由冷锻件图根据热收缩率推出热锻件图，再由热锻件图根据材料的铸造收缩率、起模斜度、工艺补正量和后续锻造工艺因素推出铸件图，从而确定曲轴铸件坯的尺寸。
步骤二中所述的铸造模具，是根据已确定的曲轴坯的热锻件图，由热锻件图再根据材料的铸造收缩率、起模斜度、工艺补正量和后续锻造工艺因素推出铸件图，根据曲轴铸件坯的铸件图，结合曲轴类件的特征，确定铸造工艺，设计铸造模具。
步骤二中所述曲轴铸坯件采用铁型覆砂铸造，转包浇注，可一模浇注多件。
所述曲轴锻件坯采用闭式模锻锻造，将曲轴铸件坯在终锻模膛中一次终锻成形后所得；锻件的分模面应当选择在有最大水平投影尺寸的位置处。
步骤七中所述可控冷却，是指终锻后曲轴锻件坯的冷却速度可调，具体为：将曲轴锻件坯置于辊底式炉内，辊底式炉分为三段，每段的温度可调，将每段设为不同的温度，曲轴锻件坯通过时便能够实现冷却速度调节。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.将铸造制坯和锻造成形结合成形曲轴坯，可在提高材料利用率，降低模具成本，减少锻造设备吨位的同时，有效改善零件的内部组织和性能，提高其使用寿命。
2.大批量生产时可提高生产效率，缩短生产周期。
3.非调质钢不必再进行调质热处理，减少了热处理工序和设备，避免热处理时的热变形和淬火出现的裂纹，改善了零件的切削性能，提高了产品质量，缩短了生产周期，降低了劳动强度，并大大减少了热处理所造成的环境污染，显著地增加了企业的经济效益和社会效益。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1是本发明所述非调质钢曲轴坯的铸锻复合工艺方法的复合工艺成形过程示意图；
图2是汽车发动机曲轴坯的铸件图；
图3是曲轴坯铸造浇注示意图；
图4是曲轴坯的铸件图；
图5是曲轴坯的锻造过程示意图；
图6是曲轴坯的锻件图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
一种非调质钢曲轴坯的铸锻复合工艺，所述复合工艺是指首先通过铸造工艺获得非调质钢曲轴铸件坯，然后通过锻造改变铸件坯内部组织，获得满足形状、尺寸和组织等要求的曲轴锻件坯，包括如下步骤：
1)确定最佳锻造比，并以此确定铸件图：
确定对曲轴铸件坯锻造时能够消除铸件坯中的疏松、缩孔和气孔等缺陷，并将铸态组织转变为锻造组织时所需的最小锻造比，即最佳锻造比；依据最佳锻造比，结合曲轴锻件坯的锻件图，锻造工艺要求和铸造工艺要求，确定曲轴铸件坯的铸件图。
2)确定铸造工艺，设计铸造模具：
根据非调质钢曲轴铸件坯的铸件图，结合曲轴类件的特征，确定铸造工艺，设计铸造模具。
3)确定锻造工艺，设计锻造模具：
根据非调质钢曲轴坯的锻件图，结合铸件图和锻造工艺，取得非调质钢曲轴铸件坯的锻造工艺，设计锻造模具。
4)非调质钢曲轴坯的铸锻复合工艺流程如下：
a.熔炼浇注；
b.冷却落砂；
c.去除浇注冒口、表面清理；
d.曲轴铸件坯加热；
采用电炉加热，曲轴铸件坯开始加热时缓慢升温防止应力裂纹，预热段温度不易太高，加热一段温度可提高加热速度。
e.闭式热模锻：
保温一段时间后缓冷，曲轴铸件坯放到锻造模具中进行闭式热模锻。
f.曲轴锻件坯可控冷却：
g.曲轴锻件坯表面清理和检测。
经过表面清理和检测合格的曲轴锻件坯进行机加工后成为曲轴零件，这种合格的曲轴锻件坯称为曲轴坯。
所述最佳锻造比确定：
根据所选用的非调质钢材料类型，应用实验或有限元分析方法，或根据已有的实际经验，确定应用锻造过程中能够有效消除该类非调质钢曲轴铸件坯中的疏松、缩孔和气孔等缺陷，并将铸态组织转变为锻造组织时所需的最小锻造比，即为最佳锻造比。
所述铸件图确定：
根据热锻件图和最佳锻造比，确定曲轴铸件坯上前端轴、后端轴、连杆轴颈、主轴颈、曲柄等各处的尺寸，各处横截面尺寸＝锻件图横截面尺寸*最佳锻造比，轴向长度尺寸＝锻件图轴向长度尺寸/最佳锻造比，以此可绘制铸件图。
确定铸造工艺，设计铸造模具：
曲轴铸件坯采用铁型覆砂铸造，转包浇注；根据曲轴坯铸件图，确定一个模具要铸造的铸件个数，以及分型面、分模面、起模斜度、收缩比、铸造圆、补缩系统、浇注系统等；据此设计铸造模具。
确定锻造工艺，设计锻造模具：
锻造方式采用闭式模锻，可直接由终锻模膛一次成形；根据曲轴所用的材料和锻件图，确定始锻温度、终锻温度、分模面、拔模斜度等工艺参数；根据冷锻件图。考虑金属的冷缩现象，选取合理的收缩率，确定热锻件图，以此确定终锻模膛尺寸，设计锻模；热锻件图尺寸按下式计算：
l＝l(1+δ％)(1)
式中：l为热锻件尺寸，l为冷锻件尺寸，δ为终锻温度下金属的收缩率。
所述非调质钢曲轴锻件坯可控冷却是指终锻后曲轴锻件坯的冷却速度可调，具体为：将曲轴锻件坯置于辊底式炉内，辊底式炉分为三段，每段的温度可调，将每段设为不同的温度，曲轴锻件坯通过时便可实现冷却速度调节。
附图2为某锻件厂生产的发动机曲轴锻件坯图，材料选用非调质钢49mnvs3，应用本发明成形工艺流程如下：
1.熔炼浇注；
2.冷却落砂；
3.去除浇注冒口和表面清理：待铸坯冷到室温后，去除浇注冒口，抛丸机表面处理，清理铸件表面残留的模具上覆砂层上的砂等表面杂质。
4.曲轴铸件坯加热：待曲轴铸件坯清理干净后采用电炉加热，曲轴铸件坯开始加热时缓慢升温防止应力裂纹，预热段温度不易太高，加热一段温度可提高加热速度，加热二段及均热段温度控制在1200℃以上。钢在该温度保温足够长的时间,以保证析出硬化元素的完全溶解,更重要的是使钢坯的中心达到完全固溶。
5.闭式热模锻：曲轴铸件坯保温一段时间后缓冷，温度控制在950℃以下。曲轴铸件坯放到锻造模具中进行闭式热模锻。
可控冷却：锻后将曲轴锻件坯置于三段式辊底式炉内，根据非调质钢49mnvs3锻件的冷却工艺要求，调节冷却速度。
6.表面处理：冷却后的曲轴锻件坯采用喷丸去除氧化皮。
7.检测：检测曲轴锻件坯的尺寸和内部组织是否达到要求。
