RR法全纖維曲軸彎曲鐓鍛成形的數(shù)值模擬

江 躍

(雙鴨山廣播電視大學，黑龍江雙鴨山155100)

大型曲軸全纖維彎曲鐓鍛成形按其裝置原理和結(jié)構(gòu)的不同，主要有RR法和TR法兩種［1］.目前在我國大型曲軸的生產(chǎn)中使用較多的是RR法［2］.

彎曲鐓鍛工藝自20世紀30年代提出以來，經(jīng)過了近一個世紀的發(fā)展，但在工藝實踐中仍存在一些技術(shù)問題尚未較好解決，如曲柄臂角部塌角缺陷等［3］，缺陷產(chǎn)生的原因主要是工藝參數(shù)和模具不合理.

近年來有限元數(shù)值模擬技術(shù)的進步為合理工藝的制定和模具設(shè)計提供了先進手段，通過對曲軸彎曲鐓鍛過程數(shù)值模擬并結(jié)合試驗研究，得出曲軸彎曲鐓鍛的成形規(guī)律，考察工藝方案的可行性并可進行成形中模具參數(shù)的優(yōu)化，對于提高全纖維曲軸的質(zhì)量具有十分重要的意義.

本文針對天津天重曲軸廠目前實際生產(chǎn)中所加工的12V280曲軸，對RR法加工全纖維曲軸的過程進行了數(shù)值模擬.數(shù)值模擬在大型非線性有限元軟件MARC平臺上進行.

1 有限元計算模型

12V280曲軸的毛坯尺寸如圖1所示，鍛件尺寸如圖2所示.考慮到結(jié)構(gòu)的對稱性，取原結(jié)構(gòu)的1/2作為分析模型，如圖3所示.模具視為不可變形的剛體.

有限元計算模型采用8節(jié)點六面體單元，單元數(shù)為4064，節(jié)點數(shù)為4805;曲軸材料為42CrMoA，曲軸變形時溫度約為1100℃，成形時間約為5s，不考慮材料硬化的影響，采用等溫理想彈塑性模型，在1100℃時的屈服應(yīng)力σs約為95MPa［4］;實際生產(chǎn)中采用機油潤滑劑，接觸體之間的摩擦因子依據(jù)經(jīng)驗取為 μ =0.4.

由12V280曲軸的鍛件圖2可知，彎曲沖頭的行程為160mm，對于RR法鐓鍛，下模座斜塊的夾角為40°，因此模具垂直位移與水平位移之比是一固定值1:0.8391.經(jīng)實地考察，曲軸鐓鍛過程時間約為5s，因此彎曲沖頭的速度即彎曲速度是160mm/5=32mm/s;水平鐓粗模具的運動速度即鐓粗速度是32×tg40°=26.85mm/s.

計算總步長為160步，平均增量位移為1mm(＜160 mm*1/100).

2 12V280曲軸有限元模擬結(jié)果與分析

12V280曲軸成形后的有限元模型如圖4所示.由圖中可以看出，曲軸的內(nèi)部纖維是連續(xù)的，并且金屬纖維的形狀與曲軸結(jié)構(gòu)外形相吻合，同時可以看出在后序的機械加工時金屬流線可以保證不被切斷，而且毛坯中心區(qū)域的偏析、夾渣等缺陷在加工后不會暴露在曲軸表面.所有這些都將使得曲軸的機械加工性能、疲勞壽命及安全系數(shù)都大大提高.這正是采用彎曲鐓鍛法加工的曲軸顯著優(yōu)于自由鍛曲軸的地方.

曲軸在成形過程中，主軸徑和曲拐徑由于受到模具的約束作用，基本上是作無變形的剛體運動;其中主軸徑是由水平鐓粗模具帶動作水平運動;曲拐徑則是由彎曲沖頭帶動作垂直的向下運動，即彎曲運動;兩者的復(fù)合運動就形成了曲柄臂處的彎曲鐓鍛變形.因此從RR法的曲軸成形方式來考慮，曲柄臂處的變形應(yīng)該是最大的.從終鍛時的等效應(yīng)變圖及等值線圖中可以看出，等效應(yīng)變主要是分布在曲柄臂上，在曲柄臂的兩側(cè)軸徑對側(cè)為最大塑性應(yīng)變區(qū).

曲軸終鍛時的等效應(yīng)力應(yīng)變的分布云圖及等值線圖見圖5～6所示.

水平鐓粗力和垂直彎曲力隨時間的變化曲線如圖7所示.

由圖7的可以看出水平鐓粗力和垂直彎曲力隨時間的增長而增大，并在終鍛時達到最大值，最大水平鐓粗力為1.6059e+007 N，最大垂直彎曲力為1.35633e+007N.該值是選取鐓鍛設(shè)備水壓機的一個重要依據(jù).實際生產(chǎn)中所選用的設(shè)備是6000噸的水壓機，顯然是完全可以滿足曲軸鐓鍛成形的需要的.另一方面，從圖7模具的載荷——時間曲線中還可以發(fā)現(xiàn)，在曲軸的整個成形過程中，水平鐓粗力都要遠遠地大于垂直彎曲力，因此設(shè)備如果能夠提供持續(xù)增加的水平鐓粗的加載力，這顯然有利于曲軸的成形.從這一角度考慮，TR法從加載方式等綜合考慮是要優(yōu)于RR法的.

3 鐓鍛中摩擦力的影響

在金屬的塑性成形過程中，模具接觸面上與變形毛坯之間的摩擦狀況對其成形結(jié)果有很大的影響，為了分析摩擦力對曲軸RR法彎曲鐓鍛成形的影響，分別采用0.4和0.1兩種摩擦因子對12V280曲軸的彎曲鐓鍛進行了數(shù)值模擬.

取70計算步時的有限元模擬結(jié)果進行對比.如圖8所示.可以看出，摩擦因子為0.1時曲軸的曲柄臂處的“塌角”狀況較摩擦因子為0.4時小許多.因此，在鐓鍛過程中盡量改善曲軸毛坯與模具接觸面的潤滑條件，對曲軸的成形質(zhì)量是十分有利的.

4 結(jié)論

以大型非線性有限元軟件MARC作為分析工具，針對12V280曲軸，對RR法彎曲鐓鍛的過程進行了數(shù)值模擬，獲得了曲柄臂部分的應(yīng)力、應(yīng)變分布和成形載荷－行程(時間)曲線，以及摩擦系數(shù)對曲軸彎曲鐓鍛的影響規(guī)律，這些結(jié)果可以為RR法彎曲鐓鍛合理工藝的制定提供參考.

［1］馬金忠、何養(yǎng)民，唐宇，發(fā)展全纖維大型曲軸鐓鍛專用液壓機的探討，重型機械 ，1998.No.1:1～3

［2］趙建仁，王桂森，劉小凡，論船機鍛壓技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展，熱加工工藝，1997，No3:3～5

［3］劉建生，王仲仁，盧志永，曲軸RR法鐓鍛成形的數(shù)值模擬與缺陷預(yù)測，中國機械工程，2001，12(4):429～432

［4］太原重型機械學院，天津重型機器廠，35CrMo鋼中溫拉伸試驗實驗報告(內(nèi)部資料)，1997:1～10