船用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸單拐的塑性成形仿真分析

劉培培, 何朝聰, 張春麗

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234)

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船用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸單拐的塑性成形仿真分析

劉培培, 何朝聰, 張春麗

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234)

以船用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸單拐為研究對(duì)象,通過(guò)SolidWorks軟件建立曲軸單拐鍛造過(guò)程中毛坯、模具的三維模型,在金屬塑性成形CAE軟件DEFROM-3D平臺(tái)上進(jìn)行模擬仿真,以探究不同應(yīng)變速率、溫度下金屬塑性變形過(guò)程中的金屬內(nèi)部流變應(yīng)力與外部變形條件之間的關(guān)系,并對(duì)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了科學(xué)分析.分析結(jié)果表明:當(dāng)應(yīng)變速率為定值時(shí),預(yù)設(shè)溫度越高,應(yīng)力-應(yīng)變曲線則相對(duì)降低;當(dāng)毛坯溫度一定時(shí),應(yīng)變速率越高則試樣內(nèi)部流變應(yīng)力越大,抗疲勞強(qiáng)度越差.該結(jié)果也為下一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

曲軸單拐; 塑性成形; 應(yīng)力; 應(yīng)變

0　引　言

圖1　曲軸實(shí)體圖

大型曲軸是船用發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件,起著傳遞與輸出動(dòng)力的作用.圖1所示為大型四拐船用曲軸,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,重量較大,加工精度、韌度和強(qiáng)度要求較高,工作環(huán)境又比較惡劣,制造比較困難,加工工序又比較繁瑣,長(zhǎng)期制約著我國(guó)船舶工業(yè)的發(fā)展,長(zhǎng)期依賴進(jìn)口,由此船用曲軸的加工制造一直以來(lái)被作為我國(guó)重點(diǎn)研究、發(fā)展對(duì)象.

船舶壽命一般為15～30年,使用壽命期內(nèi)又不能更換發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸.由于船用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸在周期性變化的氣體壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起的慣性力以及它們的彎矩和扭矩共同作用下工作,呈現(xiàn)出既彎曲又扭轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)狀態(tài),故而曲軸由于抗疲勞強(qiáng)度引起的疲勞失效是其常見(jiàn)的破壞方式.曲軸加工過(guò)程中工件極易產(chǎn)生塑性變形,金屬內(nèi)部產(chǎn)生流變應(yīng)力并隨著預(yù)設(shè)溫度、應(yīng)變速率的不同而對(duì)工件疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生不同的影響.故而曲軸加工過(guò)程中需對(duì)溫度、應(yīng)變速率進(jìn)行分析研究,找出其中最優(yōu)條件,對(duì)流變應(yīng)力進(jìn)行有效控制,從而達(dá)到提高疲勞強(qiáng)度的目的.傳統(tǒng)的加工工序往往是在加工完成幾個(gè)試驗(yàn)品后再進(jìn)行各項(xiàng)綜合性能的檢驗(yàn),在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行工藝的修改和完善,這不僅效率低下,也造成了大量的浪費(fèi),早已被淘汰.而本文作者采用的金屬塑性成形CAE應(yīng)用軟件DEFORM-3D則在最大化還原金屬塑性成形加工工藝各項(xiàng)環(huán)境的情況下,為設(shè)計(jì)者提供了很好的仿真平臺(tái),該平臺(tái)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),生產(chǎn)的是虛擬產(chǎn)品,但可以實(shí)際生產(chǎn)提供有力依據(jù).

1　曲軸單拐的彎曲鐓鍛成形

大型船用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的加工多采用整體式全纖維鍛造方法,即彎曲鐓鍛.曲軸彎曲鐓鍛工藝是一種彎曲變形與鐓粗變形同時(shí)進(jìn)行的復(fù)合成形工藝,其主要工作原理是先把曲軸鍛件毛坯加工出水平鐓粗用的定位槽.其中,曲軸毛坯直徑大的部分形成曲軸的曲柄臂,直徑小的部分形成曲軸的主軸頸.大型船用曲軸由于為多拐曲軸,且加工過(guò)程中是單拐依次成形,鍛造加工過(guò)程中需要進(jìn)行加熱,加熱采用專用的加熱爐進(jìn)行局部加熱.每當(dāng)加熱好一個(gè)曲拐并進(jìn)行鐓鍛好后,該曲拐則會(huì)被放入事先設(shè)定好的定位模中,并成為下一曲拐鐓鍛過(guò)程中的定位導(dǎo)向,以此類推,直至鍛造出整個(gè)全纖維曲軸,故工藝設(shè)計(jì)部分只研究單曲拐的加工工藝即可.

圖2所示為Solidworks平臺(tái)下生成的曲軸單拐三維實(shí)體圖,曲軸單拐的鍛造多采用彎曲鐓鍛法中的NTR法,簡(jiǎn)易裝置由上、下彎曲模具和水平鐓粗模具組成,且毛坯被固定在水平鐓粗模中.其主要工作原理是,毛坯同時(shí)收到垂直與水平兩個(gè)方向的作用力,并同時(shí)發(fā)生彎曲與鐓粗兩個(gè)變形,其中,水平鐓粗力作用是使毛坯坯料變形成為曲軸曲柄臂,垂直彎曲變形則鐓出錯(cuò)拐,在兩個(gè)力的作用下,曲拐初步成形.圖3所示即為彎鍛過(guò)程中單拐模具圖.單拐的彎鍛成形過(guò)程可以在有限元分析軟件DEFORM-3D中得到很好的塑性成形仿真并進(jìn)行加工過(guò)程中各項(xiàng)因素的分析,為實(shí)際生產(chǎn)作鋪墊.

圖2　曲軸單拐實(shí)體

圖3　單拐模具

總體來(lái)說(shuō),船用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸單拐的塑性成形仿真可以分為3個(gè)過(guò)程:一是建立合理的有限元模型;二是設(shè)置合理的模擬參數(shù)及環(huán)境;三是鐓鍛成型及后處理.

1.1曲軸有限元模型的建立

在DEFORM-3D中,不能直接建立三維的幾何模型,必須通過(guò)其他CAD/CAE軟件建模后導(dǎo)入到系統(tǒng)中.該過(guò)程是在SolidWorks開(kāi)發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的,建好曲軸的毛坯及模具后以STL格式導(dǎo)入到DEFORM-3D中.如圖4、5所示分別為Solidworks平臺(tái)開(kāi)發(fā)出的船用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸單拐彎鍛成形過(guò)程中的模具及毛坯三維實(shí)體圖及導(dǎo)入DEFORM-3D軟件后單拐塑性成形仿真的毛坯、模具相對(duì)位置的有限元模型.

圖4　單拐毛坯、模具實(shí)體圖

圖5　單拐塑性成形仿真有限元模型

1.2曲軸單拐塑性成形仿真的參數(shù)及環(huán)境的設(shè)置

該階段是在DEFORM-3D環(huán)境下進(jìn)行的,主要發(fā)生在預(yù)處理階段,設(shè)置好毛坯與模具的基本參數(shù)后,主要分3個(gè)工序進(jìn)行分析.

(1) 模擬10 s內(nèi)毛坯從爐子到模具的熱傳遞.這是從爐子里拿出來(lái)進(jìn)行鍛造之前,工件與空氣之間進(jìn)行的熱交換.

(2) 對(duì)毛坯停留于下模的2 s時(shí)間進(jìn)行模擬.

(3) 進(jìn)行熱傳遞和鍛造工藝共同進(jìn)行的耦合分析過(guò)程,即熱鍛成型.

1.2.1毛坯及模具的基本參數(shù)的設(shè)置

毛坯材料選擇材料庫(kù)中牌號(hào)為AISI-1045,設(shè)置為塑性體,網(wǎng)格采用四面體單元,初始網(wǎng)格數(shù)量數(shù)為3.0×105,最小單元尺寸為0.04;模具都選擇牌號(hào)為AISI-L6,初始網(wǎng)格數(shù)毛坯為3.0×105,水平鐓粗模為3.2×105,上、下彎曲模具為分別為1.2×105、1.0×105.

1.2.2毛坯與空氣的熱傳遞

圖6　毛坯與空氣熱交換前后溫度變化范圍

該階段模擬控制中模擬步數(shù)設(shè)置為50步,分析用時(shí)間控制,每一步的時(shí)間為0.2 s.其中工件溫度分別設(shè)置為:1 050、1 100、1 150、1 200 ℃(圖6為1 200 ℃時(shí)毛坯與空氣進(jìn)行熱交換前后的溫度變化范圍對(duì)比).

1.2.3毛坯與下彎曲模具的熱傳遞

由于毛坯與下彎曲模具的熱傳遞是在室溫下進(jìn)行的,故該階段下彎曲模具的溫度設(shè)置為300 ℃,環(huán)境溫度設(shè)置為20 ℃.

1.2.4熱鍛成型工序

本過(guò)程不僅進(jìn)行熱傳遞,同時(shí)也進(jìn)行鍛壓成型,模擬控制步數(shù)設(shè)置為40步,每步長(zhǎng)為1 m.該過(guò)程要進(jìn)行鍛壓成型,所以要設(shè)置模具速度,根據(jù)NTR法工作原理采取水平鐓粗模具水平運(yùn)動(dòng),上、下模具以相同速度和運(yùn)動(dòng)方式夾住毛坯右端向下運(yùn)動(dòng)的形式.且水平鐓粗模速度為250 mm/s,定位方向?yàn)?Y,彎曲模具速度為180 mm/s,定位方向?yàn)?z,干涉方法都為自動(dòng)干涉,干涉值為0.0001;摩擦采取剪切摩擦,摩擦系數(shù)為0.3.應(yīng)變速率ε分別取0.05,0.1,0.5,1.

1.3曲軸的彎鍛成型及后處理

預(yù)處理階段設(shè)置好曲軸單拐鍛造成型的各項(xiàng)參數(shù)后進(jìn)行模擬,模擬完成即進(jìn)入到后處理階段.DEFORM-3D軟件具有FLOWNET和點(diǎn)跡示蹤、變形、云圖、矢量圖、力行程曲線等后處理功能.在后處理該階段可以很形象地看到曲軸單拐彎曲鐓鍛過(guò)程中的每一步毛坯和模具的位置和狀態(tài)以及各項(xiàng)參數(shù)的變化,如溫度、損壞、應(yīng)力、應(yīng)變等.如圖7～9分別為后處理模塊觀測(cè)到的塑性成形仿真結(jié)束后,毛坯與模具當(dāng)前狀態(tài)的相對(duì)位置和整個(gè)單拐的等效應(yīng)力、應(yīng)變值的分布圖,以及在不同的溫度及應(yīng)變速率條件下反映出來(lái)的單拐塑性成形過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

2　結(jié)　論

為提高船用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的抗疲勞強(qiáng)度,通過(guò)使用有限元分析軟件DEFORM-3D對(duì)船用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸單拐進(jìn)行的塑性成形仿真,并對(duì)影響曲軸抗疲勞強(qiáng)度的不同溫度及應(yīng)變速率下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線進(jìn)行分析得出可以得出以下結(jié)論:

圖7　單拐鐓鍛結(jié)束狀態(tài)

圖8　仿真結(jié)束后單拐等效應(yīng)力、應(yīng)變值分布

曲線從上至下代表溫度依次為:1 050、1 100、1 150、1 200 ℃

(1) 當(dāng)應(yīng)變速率為定值時(shí),預(yù)設(shè)溫度越高,應(yīng)力—應(yīng)變曲線則相對(duì)降低(金屬內(nèi)部此時(shí)有著較低的流變應(yīng)力),這是因?yàn)榻饘俚淖冃慰沽﹄S著變形溫度的增加而有所降低,致使金屬試樣內(nèi)部出現(xiàn)了較低的流變應(yīng)力值,抗疲勞強(qiáng)度則越好.此外,從圖9中還可以看出,當(dāng)應(yīng)變速率越低時(shí),上述變化趨勢(shì)越明顯,說(shuō)明應(yīng)變速率越低,該金屬材料對(duì)溫度的敏感度越高,抗疲勞強(qiáng)度越差.

(2) 當(dāng)毛坯溫度一定時(shí),應(yīng)變速率越高則試樣內(nèi)部流變應(yīng)力越大,抗疲勞強(qiáng)度越差,這主要是因?yàn)閼?yīng)變速率越高時(shí),金屬已經(jīng)發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的程度就越小,沒(méi)有足夠的軟化作用抵消加工硬化造成的金屬?gòu)?qiáng)度、硬度的增加.因此,實(shí)際制造中多采用毛坯溫度為1 200 ℃,應(yīng)變速率ε為0.5,此時(shí)為最佳,鍛件的抗疲勞強(qiáng)度能力最好.

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(責(zé)任編輯：包震宇)

Plastic forming simulation analysis of marine engine crankshaftsingle-throw

LIU Peipei, HE Chaocong, ZHANG Chunli

(College of Information,Mechanical and Electrical Engineering,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China)

The research object is for marine engine crankshaft single-throw.A 3D model of the crankshaft single-throw blank and die in forging process is established by SolidWorks software,then the 3D model is imported into metal plastic forming CAE software DEFROM-3D to carry on the plastic forming simulation,to verify the relationship between the internal flow stress and the external deformation conditions in the process of metal plastic deformation under different strain rate and temperature,and to carry on the scientific analysis based on the obtained data.The result shows that the preset temperature is higher,the stress-strain curve is relatively lower when the strain rate is constant.Sample internal flow stress will be greater and the resistance to fatigue strength will be poorer at a higher strain rate when the temperature of the blank is constant.The result also provides a theoretical basis for further optimization design.

crankshaft single-throw; plastic forming; stress; strain

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2016.04.005

2015-03-03

張春麗,中國(guó)上海市徐匯區(qū)桂林路100號(hào),上海師范大學(xué)信息與機(jī)電工程學(xué)院,郵編:200234,E-mail:chunli5268@163.com

TH 162

A

1000-5137(2016)04-0417-05