基于有限元的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿鍛坯塑性成形新工藝研究

王克武

(連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，連云港 222006)

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)連桿一般采用鋼錠通過模具反復(fù)鍛造成形，但由于鋼錠內(nèi)存在大量鑄造缺陷，如偏析、疏松、夾雜等[1]，因此，研究開發(fā)鋼坯成形新工藝，在兼顧生產(chǎn)效率的同時(shí)，保證連桿鍛造質(zhì)量和提高產(chǎn)品性能具有非常重要的意義。利用鍛坯代替鋼坯進(jìn)行連桿鍛造，可以破碎鋼錠的鑄態(tài)組織，焊合鋼錠內(nèi)部的疏松、裂紋、氣孔等缺陷，改善第二相化合物及非金屬夾在物在鋼中的分布，在以提高初始狀態(tài)力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，獲得組織細(xì)化、性能優(yōu)越的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿。

因此，利用擠壓工藝具有提高金屬變形能力、消除金屬鑄態(tài)疏松、焊合孔洞，且結(jié)合合理溫度和變形改善金屬組織等優(yōu)點(diǎn)[2,3]，提出了發(fā)動(dòng)機(jī)連桿鍛坯塑性成形新工藝—鍛坯擠壓工藝，將原有的（下料一加熱一輥鍛制坯）工藝優(yōu)化為（鑄坯—加熱—擠壓—鋸切）制坯，并利用擠壓工藝成形精度高的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步提高后續(xù)鍛造精確化。并基于DEFORM-3D有限元軟件，采用數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的研究方法，研究揭示了某規(guī)格發(fā)動(dòng)機(jī)連桿鍛坯擠壓過程中擠壓力隨行程的變化規(guī)律、應(yīng)變場(chǎng)和坯料晶粒尺寸的分布規(guī)律，該結(jié)果將為連桿塑性成形自動(dòng)化、工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)與精細(xì)化控制提供重要的指導(dǎo)依據(jù)。發(fā)動(dòng)機(jī)連桿及鍛坯形狀尺寸如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)連桿及其鍛坯尺寸規(guī)格 (mm)

1 有限元模型

發(fā)動(dòng)機(jī)連桿鍛坯擠壓工模具主要包括擠壓墊、擠壓筒和模具，且由于工件和模具均具有對(duì)成形，所以構(gòu)建幾何體為實(shí)體的1/2。根據(jù)鍛坯尺寸所設(shè)計(jì)幾何模型裝配圖如2所示。坯料直徑D= 500mm，長(zhǎng)度L=600mm，工作帶寬為30mm。本次模擬選用相對(duì)網(wǎng)格劃分方法，坯料金屬共劃分網(wǎng)格約30000。設(shè)凹模位置固定不變，擠壓墊運(yùn)動(dòng)速度設(shè)為80mm/s，采用 New-Raphson迭代算法，剪切摩擦模型[5]，摩擦因子f=0.3。設(shè)定金屬坯料與環(huán)境的對(duì)流系數(shù)、與模具接觸面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分別為0.02 N/(s·mm·℃)和11N/(s·mm·℃)。

坯料材料牌號(hào)為40Cr，采用剛（粘）塑性流動(dòng)應(yīng)力模型[6,7]，且采用該模型對(duì)上述文獻(xiàn)的工藝條件進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果對(duì)比表明: 該模型可以較好地預(yù)測(cè)40Cr 鋼在不同應(yīng)變率和溫度條件下的塑性流動(dòng)應(yīng)力。

動(dòng)態(tài)再結(jié)晶演變模型表達(dá)式采用文獻(xiàn)[8]：

式中：峰值應(yīng)變?chǔ)舙=5.162×103Z0.128，Z=εexp（Q/RT），Q=370KJ/m ol為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶激活能，R為氣體常數(shù)，初始晶粒設(shè)定為210μm。

圖2 鍛壓工藝的幾何裝配模型

2 結(jié)果與討論

2.1 擠壓力-時(shí)間曲線

圖3給出了擠壓過程中坯料幾何構(gòu)型模擬結(jié)果，可以清楚地看到，坯料在擠壓變形過程中模腔填充良好、無折疊、無毛刺。

根據(jù)擠壓力-位移曲線可以為擠壓機(jī)噸位的選取提供重要依據(jù)。圖4給出了擠壓力隨行程的變化規(guī)律曲線?？梢钥闯?，擠壓墊下行，坯料金屬在擠壓墊的壓力作用下，與擠壓筒和模具工作面接觸并發(fā)生塑性變形，擠壓力有所上升，隨后變形持續(xù)進(jìn)行，擠壓力保持穩(wěn)定直至金屬填滿擠壓筒和模具型腔；坯料金屬填滿型腔后，不斷向模具出口處積聚，此時(shí)變形最為困難，擠壓力迅速上升達(dá)到峰值；金屬突破工作帶后，管材穩(wěn)定擠出工作帶，此時(shí)擠壓力曲線也趨于平穩(wěn)。擠壓力在6400~8000噸之間波動(dòng)，處于穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。因此，數(shù)值模擬顯示該規(guī)格連桿毛坯擠壓工藝可選用1萬噸擠壓機(jī)上進(jìn)行。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)連桿擠壓網(wǎng)格變化情況

圖4 擠壓力隨行程變化規(guī)律曲線

2.2 等效應(yīng)變

等效應(yīng)變表征著材料局部的塑性變形程度的大小，對(duì)成形工件的組織和力學(xué)性能有著重要影響。坯料等效應(yīng)變分布如圖5所示，可以看出，等效應(yīng)變可以分為低等效應(yīng)變區(qū)和高等效應(yīng)變區(qū)兩部分：1) 低等效應(yīng)變區(qū)：未進(jìn)入模具型腔的坯料金屬塑像變形程度小，應(yīng)變值低于1；2) 高等效應(yīng)變區(qū)：由于模具出口處最為狹窄，坯料金屬在擠壓墊的壓力作用下不斷向?？诜e聚，塑性變形最為嚴(yán)重，等效應(yīng)變大于1.5，尤其連桿坯料外側(cè)等效應(yīng)變大于2.5。表明坯料外側(cè)等效應(yīng)變大于內(nèi)側(cè)，更有利于破碎晶粒和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制的發(fā)生，獲得細(xì)化的組織和高的力學(xué)性能。

圖5 等效應(yīng)變場(chǎng)分布

2.3 金屬損傷

圖4給出了連桿坯料擠壓過程中平均晶粒尺寸的分布情況，可以看出，隨著鍛壓過程的不斷進(jìn)行，通過?？椎呐髁辖饘倨骄Я３叽绮粩嗟玫郊?xì)化，而變形程度大的部位晶粒尺寸小，變形程度小的部位晶粒尺寸大。這是因?yàn)榇笞冃螀^(qū)的位錯(cuò)產(chǎn)生率、位錯(cuò)密度和儲(chǔ)存能在變形體中均較高，有利于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核，從而導(dǎo)致單位體積晶界增大，晶粒細(xì)化。而該連桿坯料晶粒尺寸較大部位為連桿粗軸孔部位，由于該部位需要進(jìn)行的下一步變形量較大且為機(jī)械加工部位，對(duì)于整體力學(xué)性能影響較小，說明該晶粒尺寸分布是合理的，有利用連桿質(zhì)量的控制。擠壓所得連桿坯料最小晶粒尺寸約為25~30μm。

圖6 擠壓成形過程中平均晶粒尺寸分布圖

3 結(jié)論

基于數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的研究方法，研究揭示了某規(guī)格發(fā)動(dòng)機(jī)連桿鍛坯擠壓過程中擠壓力隨行程的變化規(guī)律、應(yīng)變場(chǎng)和坯料平均晶粒尺寸的分布規(guī)律：

1) 穩(wěn)定擠壓力曲線在6400~8000噸之間波動(dòng)，處于穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，為擠壓機(jī)噸位的選取提供了參考依據(jù)。

2) 模具出口處最為狹窄，坯料金屬在擠壓墊的壓力作用下不斷向模口積聚，塑性變形最為嚴(yán)重，等效應(yīng)變大于1.5，尤其連桿坯料外側(cè)等效應(yīng)變大于2.5。表明坯料外側(cè)等效應(yīng)變大于內(nèi)側(cè)，更有利于破碎晶粒和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制的發(fā)生，獲得細(xì)化組織和高的力學(xué)性能。

3) 通過?？椎呐髁辖饘倨骄Я３叽绮粩嗟玫郊?xì)化，坯料晶粒尺寸較大部位為連桿粗軸孔部位，由于該部位需要進(jìn)行的下一步變形量較大且為機(jī)械加工部位，對(duì)于整體力學(xué)性能影響較小，說明該晶粒尺寸分布是合理的，有利用連桿質(zhì)量的控制。擠壓所得連桿坯料最小晶粒尺寸約為25~30μm。

[1] 黃經(jīng)元,王淑芳,賈穎蓮,等.基于 Pro/E 的發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2010(006):163-165.

[2] 王晉鵬,趙嚴(yán),寧永權(quán).GH690 合金大型管材擠壓成形參數(shù)優(yōu)化[J].熱加工工藝,2012,41(021):144-146.

[3] 盧日楊,王雷剛,黃瑤.奧氏體不銹鋼管坯鐓擠法蘭工藝[J].鍛壓技術(shù),2008,33(3):5-7.

[4] 魏燕明,趙嚴(yán),寧永權(quán).304 不銹鋼管材擠壓金屬損傷規(guī)律仿真研究[J].熱加工工藝,2013,42(001):85-86.

[5] 俞漢清,陳金德.金屬塑性成形原理[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

[6] 權(quán)國(guó)政,朱若嶺,周杰.金屬體積成形復(fù)雜多因素動(dòng)態(tài)耦合仿真模型的建立及應(yīng)用[J].熱加工工藝,2008,37(7):1-5.

[7] 權(quán)國(guó)政,張艷偉,周杰,等.基于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶仿真的40Cr 軸鍛件鍛透性研究[J].熱加工工藝,2010 (003):23-25.

[8] 伍來智,陳軍,張鴻冰.40Cr奧氏體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及晶粒細(xì)化[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008,42(5):786-790.