單拐曲軸TR法鐓鍛成形過程分析

萇曉兵

(常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州 213164)

曲軸類鍛件TR法單拐鐓鍛技術(shù)由1963年波蘭波茲南金屬壓力加工研究所鍛工部T.Rut博士發(fā)明，并按發(fā)明人姓名的第一個(gè)字母命名。其工作原理為:先將棒料車削加工成多個(gè)凸臺狀的坯料，或?qū)⑴髁戏謩e鍛出不同直徑的中間坯，然后在專用的鐓彎模內(nèi)將曲臂部分鐓出，并將曲柄銷錯移，彎曲成拐柄［1］。通過肘桿機(jī)構(gòu)，把壓力機(jī)的壓力分解成垂直彎曲分力和水平鐓粗分力，力的分配比較合理，能夠獲得比RR法更大的水平鐓粗力。TR鐓粗隨著肘桿傾角的逐漸減小，水平方向鐓粗力逐漸增大，到達(dá)鐓粗終點(diǎn)時(shí)，水平分力最大，其值可達(dá)壓力機(jī)公稱壓力的1.2倍。水平分力這種變化趨勢和曲臂成形阻力的變化規(guī)律相吻合。

TR法鐓粗曲軸在南車資陽內(nèi)燃機(jī)車廠和武漢重工鍛鑄有限責(zé)任公司得到了應(yīng)用，并取得了明顯的社會經(jīng)濟(jì)效益。本文利用ANSYS二次開發(fā)的大變形彈塑性有限元分析軟件對其變形規(guī)律進(jìn)行研究，分析了水平方向鐓粗力和垂直方向錯移力的變化規(guī)律，并探索了二個(gè)載荷同時(shí)加載的變形規(guī)律。

1 TR法鐓鍛過程有限元模型的構(gòu)造

由于曲軸鐓鍛變形較復(fù)雜，為降低鐓鍛成形過程分析的難度，將其簡化成平面變形來分析。采用ANSYS分析大變形問題的方法構(gòu)造有限元模型，即把模型劃分為模具單元、工件單元和接觸單元，對工件和模具同時(shí)進(jìn)行分析。工件采用了彈塑性單元，進(jìn)行了彈塑性分析，模具采用了彈性單元，只進(jìn)行彈性分析，模擬計(jì)算所用有限元模型如圖1所示。

2 TR法鐓鍛成形過程的模擬

［2］中的ND5曲軸TR鐓鍛工藝參數(shù)，材料選取35CrMoA，坯料尺寸見圖2所示。坯料加熱溫度為1 100℃，模具溫度為200℃，在4 500 t水壓機(jī)上鐓鍛成形，水壓機(jī)速度為0.01 m/s，水平鐓粗位移60 mm(單邊)，錯移量133.5 mm。模擬過程中考慮了溫度的變化，共進(jìn)行了3次網(wǎng)格重新劃分。

曲軸單拐鐓鍛成形過程如圖3所示。先用模具夾緊主軸頸和曲柄銷，使它們不因曲臂鐓粗而變粗，模擬中通過施加位移約束實(shí)現(xiàn)，然后水平移動夾持主軸頸的模具，鐓粗曲臂，同時(shí)，夾持曲柄銷的模具在垂直方向錯移半個(gè)曲軸沖程的距離。由于曲臂變形劇烈，而主軸頸和曲柄銷基本上沒有什么變形，所以在模擬過程中，要對曲臂部分劇烈變形的網(wǎng)格進(jìn)行重劃，保證模擬的精度。曲軸單拐鐓鍛成形過程的速度場如圖4所示，由圖4可知主軸頸和曲柄銷部分的速度場非常均勻，說明它們只做剛性平移，而曲臂部分的速度場則不均勻，說明曲臂部分變形很不均勻。工件等效應(yīng)變分布見圖5，由圖可知變形主要在曲臂部分，曲臂部分變形很不均勻，應(yīng)變值相差很大，變形集中在施加錯移力與對側(cè)被夾緊的主軸頸的連線上，同時(shí)向兩側(cè)擴(kuò)展。

變形結(jié)束時(shí)工件與模具的溫度場分布如圖6所示。工件在變形過程中，一方面要與空氣進(jìn)行對流換熱和輻射換熱，另一方面與模具接觸產(chǎn)生傳導(dǎo)換熱，這兩方面導(dǎo)致工件表面溫度低、內(nèi)部溫度高，同時(shí)工件在變形過程中的塑性功要轉(zhuǎn)化成熱能，使得工件的溫度又略微上升，變形越大的地方，塑性功轉(zhuǎn)化的熱就越多。溫度場的變化，直接影響到金屬的變形抗力和流動特性，在模擬分析中一定要考慮溫度場。由于模具與工件接觸產(chǎn)生傳導(dǎo)換熱，其溫度也上升很多。

水平方向鐓粗的載荷與行程之間的關(guān)系如圖7所示。水平鐓粗位移為0～2 mm時(shí)，載荷上升很快，達(dá)到1 000 t;水平鐓粗位移為2～60 mm時(shí)，載荷上升比較緩慢，最后達(dá)到3 700 t。垂直方向錯移的載荷與行程之間的關(guān)系如圖8所示。錯移量為0～2 mm時(shí)，載荷上升很快，達(dá)到750 t;錯移量為2～75 mm時(shí)，載荷上升比較緩慢，達(dá)到2 050 t;錯移量為75～133.5 mm時(shí)，載荷變化不大，最后達(dá)到2 150 t。在行程載荷曲線上出現(xiàn)了3處小的振蕩，是由于模擬過程中網(wǎng)格重劃及決定迭代求解收斂性的失衡力殘差引起的［3］。

水平方向鐓粗力及垂直方向錯移力與時(shí)間之間的關(guān)系如圖9所示，水平方向鐓粗力總是比垂直方向錯移力大。0～0.1 s時(shí)，兩條載荷曲線基本重合;0.1～3.5 s時(shí)，兩條載荷曲線上升比較均勻;3.5～6 s時(shí)，垂直錯移力變化不大，而水平方向鐓鍛力仍保持0.1～3.5 s時(shí)的變化趨勢。由圖9中的曲線可以看出，在此期間內(nèi)，水平方向鐓粗力與垂直方向錯移力的差值逐漸增大，最后差值達(dá)1 400 t。

3 結(jié)語

通過對曲軸類鍛件TR法單拐鐓鍛成形過程的模擬分析，可以得到如下結(jié)論:(1)模擬分析可以獲得常規(guī)試驗(yàn)方法難以獲得的水平方向鐓粗力和垂直方向錯移力行程載荷曲線、應(yīng)變場、溫度場、金屬流動速度場等信息，揭示了TR法單拐鐓鍛的變化規(guī)律，為選取設(shè)備，制訂工藝提供了理論依據(jù)。(2)金屬的變形主要在曲臂上，而且集中在施加錯移力與對側(cè)被夾緊的主軸頸的連線上，同時(shí)向兩側(cè)擴(kuò)展。(3)水平方向鐓粗力比垂直方向錯移力大得多，選取設(shè)備時(shí)應(yīng)考慮水平方向鐓粗力，同時(shí)兼顧垂直方向錯移力。

參考文獻(xiàn)

［1］張志文.鍛造工藝學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

［2］夏寅蓀.ND5型內(nèi)燃機(jī)車(上)［M］.北京:中國鐵道出版社，1988.

［3］陳欣如，胡忠民.塑性有限元法及其在金屬成形中的應(yīng)用［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，1989.