大型曲軸鍛造成形過程數(shù)值模擬與工藝試驗

文／宋彤，蔣鵬，賀小毛·北京機電研究所

大型曲軸鍛造成形過程數(shù)值模擬與工藝試驗

文／宋彤，蔣鵬，賀小毛·北京機電研究所

曲軸的鍛造工藝過程隨著曲軸材料、形狀和生產(chǎn)條件的不同而不同，利用QForm有限元模擬軟件可以有效地對金屬的流動規(guī)律進行模擬，并且發(fā)現(xiàn)其成形過程中的缺陷，為找到合理的成形工藝以及正確地設(shè)計模具和選擇設(shè)備提供依據(jù)。

曲軸一般以拐數(shù)、平衡塊數(shù)量和分模面走向來區(qū)分其種類，若以材料和毛坯成形方法來分類，則有鋼質(zhì)模鍛曲軸和球墨鑄鐵澆鑄曲軸兩種。鋼質(zhì)模鍛曲軸的最大優(yōu)點是具有較高的彎曲疲勞強度，而且彎曲疲勞強度基本上與抗拉強度成正比；球墨鑄鐵澆鑄曲軸由于存在石墨孔穴、磷化物與合金元素的晶界偏析，因此其彎曲疲勞強度較低，而且不與抗拉強度成正比，雖然球墨鑄鐵也可通過添加合金元素及進行調(diào)質(zhì)處理來提高抗拉強度，但彎曲疲勞強度并不會明顯提高。曲軸大部分是由于彎曲疲勞而損壞的，故近年來汽車曲軸由鑄改鍛的趨勢正越來越明顯，對曲軸的鍛造工藝進行研究具有重要的現(xiàn)實意義。曲軸的鍛造工藝過程一般包括制坯、預(yù)鍛、終鍛、切邊和校正，其隨著曲軸材料、形狀和生產(chǎn)條件的不同而不同，特別是各種輔助工藝，需要根據(jù)不同類型的曲軸、具體的生產(chǎn)條件和經(jīng)驗來制定。QForm是俄羅斯Quantor公司基于有限元計算方法開發(fā)的鍛造模擬分析軟件，利用QForm的有限元模擬分析功能，可以有效地對金屬的流動規(guī)律進行模擬，并且發(fā)現(xiàn)其成形過程中的缺陷，為找到合理的成形工藝以及正確地設(shè)計模具和選擇設(shè)備提供依據(jù)。

零件的工藝分析

圖1 曲軸零件三維造型圖

本文所介紹的一種大型曲軸零件造型如圖1所示，曲軸總長1100mm，有6個拐、12個平衡塊，曲拐之間互成120°，主軸頸φ111mm，連桿頸φ97mm，模鍛斜度3°，材料為42CrMo。根據(jù)零件的扭轉(zhuǎn)方向和鍛件圖，設(shè)計出扭拐前的曲軸終鍛件造型，如圖2所示。

為了提高材料利用率，在預(yù)鍛之前采用輥鍛制坯。經(jīng)過計算，可采用φ160mm×980mm、φ165mm×950mm、φ170mm×900mm三種規(guī)格的棒料進行鍛造。該曲軸的鍛造工藝過程確定如下：下料→加熱→輥鍛→預(yù)鍛→終鍛→切邊→扭拐→熱校正→調(diào)質(zhì)處理。

圖2 扭拐前的曲軸終鍛件

成形過程的模擬分析

模擬方案工作內(nèi)容：⑴使用QForm軟件對輥鍛→預(yù)鍛→終鍛整個鍛造工藝鏈進行模擬，發(fā)現(xiàn)模具設(shè)計中的問題并改進。⑵選擇合適的坯料規(guī)格，得到鍛造過程中的載荷曲線，為校核壓力機噸位提供參考。

將曲軸的鍛造過程分為輥鍛工步1、輥鍛工步2、預(yù)鍛工步和終鍛工步4個工步進行模擬，各個工步的模擬參數(shù)設(shè)置見表1。

輥鍛過程的數(shù)值模擬

以φ160mm的坯料為例，按照表1的參數(shù)進行模擬計算，得到如圖3所示的輥鍛件，可以看出，第2道次輥鍛后工件明顯不符合設(shè)計意圖，第1道次和第2道次輥鍛前后不對應(yīng)。經(jīng)回放模擬過程發(fā)現(xiàn)，在第2道次輥鍛進入第3段輥鍛區(qū)域的時候發(fā)生了打滑，導(dǎo)致輥鍛模的第3段已經(jīng)走過，而模具還未與工件咬合，造成錯位。通過分析可知，這是因為輥鍛模第2道次第2段和第3段的過渡圓角半徑過大，造成坯料進入第3段模具的時候高度差不夠，第3段模具啃在凸圓角處，且因摩擦力過小，模具和坯料之間一直打滑。經(jīng)修改把原來第2道次輥鍛模的凸圓角R60mm改為R15mm，凹圓角R35mm改為R20mm，如圖4所示。然后進行第2次模擬，得到了如圖5所示的優(yōu)化后的第2道次輥鍛件。

圖3 φ160mm坯料的輥鍛件

圖4 第2道次輥鍛模修改示意圖

圖5 優(yōu)化后的φ160mm坯料第2道次輥鍛件

■ 表1 各個工步的模擬參數(shù)設(shè)置

圖6 三種規(guī)格坯料的終鍛充滿情況

模鍛過程的數(shù)值模擬

QFrom軟件可以自動把上一工步的結(jié)果帶入下一工步中形成一個工藝鏈，所以進行模鍛數(shù)值模擬的時候只需要定義模具、工件在空氣中的冷卻時間、工件在模具上的等待時間、潤滑劑等參數(shù)即可。

按照實際情況設(shè)定的模擬參數(shù)如下：工件在空氣中的冷卻時間為3s、在預(yù)鍛模具中的冷卻時間為1s、由預(yù)鍛到終鍛工位的冷卻時間為1s、在終鍛模具中的冷卻時間為2s、潤滑為水基石墨潤滑劑(摩擦因子0.3）。

三種規(guī)格坯料終鍛充填情況的對比如圖6所示，由圖6可以看出，φ160mm坯料在終鍛時充填過差，φ165mm坯料在終鍛時完全充滿，φ170mm坯料在終鍛時也完全充滿。

載荷分析

預(yù)鍛過程的載荷—時間曲線如圖7所示，在第一階段，模具和坯料剛剛接觸，所需成形力較小；隨著上模向下移動進入第二階段，飛邊開始形成，金屬受約束開始向高度方向流動，所需成形力急劇增大；第三階段，型腔開始充滿，成形力穩(wěn)步上升；之后進入第四階段，隨著飛邊減薄，成形力繼續(xù)增大，達到頂點。預(yù)鍛過程中最大成形力為86MN左右。

終鍛過程的載荷—時間曲線如圖8所示，在終鍛剛開始的時候，成形力緩慢上升，金屬鐓粗，處于充填模膛狀態(tài)，后來金屬被擠出模膛，在飛邊橋部金屬的流動阻力很大，成形力急劇上升，直至變形結(jié)束。終鍛過程中最大成形力為110MN左右。

圖7 預(yù)鍛過程的載荷—時間曲線

圖8 終鍛過程的載荷—時間曲線

■ 表2 部分試驗數(shù)據(jù)

試驗驗證

對三種規(guī)格坯料進行工藝試驗，由表2的試驗數(shù)據(jù)可以看出，預(yù)鍛壓力在90MN左右，終鍛壓力在110MN左右，除了個別坯料因鍛造溫度降低導(dǎo)致變形抗力變大外，其他的基本都符合QForm軟件的預(yù)鍛最大壓力在86MN左右、終鍛最大壓力在110MN左右的模擬結(jié)果，這說明使用QForm軟件進行鍛造模擬是準確的。工藝試驗過程中的輥鍛件、預(yù)鍛件、終鍛件及扭拐后的曲軸鍛件如圖9～12所示。

經(jīng)熱處理、拋丸探傷、劃線檢測后發(fā)現(xiàn)，采用φ165mm×950mm、φ170mm×900mm的坯料進行鍛造均能得到符合尺寸要求的鍛件，φ165mm×950mm坯料的材料利用率為79.1%，φ170mm×900mm坯料的材料利用率為78.6%，最終確定使用φ165mm×950mm的坯料進行小批量試產(chǎn)。

圖9 輥鍛件

圖10 預(yù)鍛件

圖11 終鍛件

圖12 扭拐后的曲軸鍛件

結(jié)束語

實踐表明，更改后的輥鍛模能夠生產(chǎn)出合格的鍛件，實際生產(chǎn)中的鍛造力與模擬結(jié)果基本一致，三種規(guī)格坯料的充填模腔情況與模擬結(jié)果也基本一致，這證明數(shù)值模擬技術(shù)對現(xiàn)實生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)作用。

宋彤，助理工程師，主要研究方向為鍛造工藝、模架模具及鍛造過程數(shù)值模擬，擁有2項專利技術(shù)。