江 躍

(雙鴨山廣播電視大學(xué)，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(guó)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(jì)30年代提出以來(lái)，經(jīng)過(guò)了近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，但在工藝實(shí)踐中仍存在一些技術(shù)問(wèn)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(lái)有限元數(shù)值模擬技術(shù)的進(jìn)步為合理工藝的制定和模具設(shè)計(jì)提供了先進(jìn)手段，通過(guò)對(duì)曲軸彎曲鐓鍛過(guò)程數(shù)值模擬并結(jié)合試驗(yàn)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(jìn)行成形中模具參數(shù)的優(yōu)化，對(duì)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(duì)天津天重曲軸廠目前實(shí)際生產(chǎn)中所加工的12V280曲軸，對(duì)RR法加工全纖維曲軸的過(guò)程進(jìn)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(tái)上進(jìn)行.

1 有限元計(jì)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(duì)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(jì)算模型采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元，單元數(shù)為4064，節(jié)點(diǎn)數(shù)為4805;曲軸材料為42CrMoA，曲軸變形時(shí)溫度約為1100℃，成形時(shí)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(shí)的屈服應(yīng)力σs約為95MPa［4］;實(shí)際生產(chǎn)中采用機(jī)油潤(rùn)滑劑，接觸體之間的摩擦因子依據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(duì)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(shí)地考察，曲軸鐓鍛過(guò)程時(shí)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(yùn)動(dòng)速度即鐓粗速度是32×tg40°=26.85mm/s.

計(jì)算總步長(zhǎng)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(shí)可以看出在后序的機(jī)械加工時(shí)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(huì)暴露在曲軸表面.所有這些都將使得曲軸的機(jī)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(guò)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(wú)變形的剛體運(yùn)動(dòng);其中主軸徑是由水平鐓粗模具帶動(dòng)作水平運(yùn)動(dòng);曲拐徑則是由彎曲沖頭帶動(dòng)作垂直的向下運(yùn)動(dòng)，即彎曲運(yùn)動(dòng);兩者的復(fù)合運(yùn)動(dòng)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(lái)考慮，曲柄臂處的變形應(yīng)該是最大的.從終鍛時(shí)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(duì)側(cè)為最大塑性應(yīng)變區(qū).

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

水平鐓粗力和垂直彎曲力隨時(shí)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(shí)間的增長(zhǎng)而增大，并在終鍛時(shí)達(dá)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(jī)的一個(gè)重要依據(jù).實(shí)際生產(chǎn)中所選用的設(shè)備是6000噸的水壓機(jī)，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(shí)間曲線中還可以發(fā)現(xiàn)，在曲軸的整個(gè)成形過(guò)程中，水平鐓粗力都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(guò)程中，模具接觸面上與變形毛坯之間的摩擦狀況對(duì)其成形結(jié)果有很大的影響，為了分析摩擦力對(duì)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(duì)12V280曲軸的彎曲鐓鍛進(jìn)行了數(shù)值模擬.

取70計(jì)算步時(shí)的有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.如圖8所示.可以看出，摩擦因子為0.1時(shí)曲軸的曲柄臂處的“塌角”狀況較摩擦因子為0.4時(shí)小許多.因此，在鐓鍛過(guò)程中盡量改善曲軸毛坯與模具接觸面的潤(rùn)滑條件，對(duì)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(duì)12V280曲軸，對(duì)RR法彎曲鐓鍛的過(guò)程進(jìn)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(shí)間)曲線，以及摩擦系數(shù)對(duì)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(jī)的探討，重型機(jī)械 ，1998.No.1:1～3

［2］趙建仁，王桂森，劉小凡，論船機(jī)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(cè)，中國(guó)機(jī)械工程，2001，12(4):429～432

［4］太原重型機(jī)械學(xué)院，天津重型機(jī)器廠，35CrMo鋼中溫拉伸試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告(內(nèi)部資料)，1997:1～10