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曲轴锻件锻造工艺优化

        在现实生产中曾出现过曲轴锻件质量不稳定 、材料利用率不高等问题 ,为此上海重型机器厂与高校合作研究,对曲轴锻件在生产过程中现的问题建立数学模型 ,模拟分析曲臂件的生产过程 ,并针对问题进行分析 ,改变现有的工艺技术 ,消除产生缺陷的不稳定因素 ,形成适合我厂的工艺技术 ,为下阶段曲轴的大批量生产提供了保障通过对曲轴数值模拟得到了弯锻过程的应力应变场,将曲拐的变形分为3个区域 ,并研究了曲轴的塑性流动机理 ,分析了曲轴“细腰形”缺陷的形成过程和原陶,以及各工步的曲轴锻造过程变形情况与裂纹倾向。 同时基于数值模拟技术,对曲轴结构形状和新工艺模具进行了优化设计。 

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  曲轴锻造工艺模拟分析与优化

曲轴锻件作为传递动力的传动件,是驱动大型船体的重要核心部分。大型船用曲轴采用半组合式的方法制造,其中曲拐是曲轴生产的关键。随着柴油发动机率的增大 ,船用曲轴的规格也发生着变化 ,其特点是曲臂长度增加 、厚度减薄 、曲柄销部位变小。采用闭式模锻很难生产这种大型号的船用曲轴 ,因此曲轴均采用自由弯曲锻造的方法制造。

 

由于曲拐尺寸大 ,变形工序较为复杂 ,因此有必要采用数值模拟对其成形过程进行仿真计算 ,以预测曲轴的最终形状和尺寸 ,进而优化工艺 。对于厚板弯曲成形问题 ,国内外存金属变形机制 、起皱 ,以及坯料 、模具形状对变形过程的影响等方面已有较多研究 ,但曲轴变形较为复杂 ,不能简化为平面或轴对称等简单问题来近似处理 。曲轴成形过中 ,既存在材料非线性 ,又存在几何非线性 ,同时还存在边界条件非线性 ,变形机制十分复杂 ,且接触边界和摩擦边界较难描述

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曲拐弯曲部位的金属流动曲轴弯曲结束后的应力应变的分布情况。在弯曲过程中,曲轴锻件的塑性流动大致分为3个区域 ,即曲臂末端、曲臂与曲柄销的连接处、曲柄销曲臂末端随着上模的下移而自由旋转,变形量很小;曲柄销受到上模的压紧作用 ,随上模向下运动 ,除与上模接触的一小部分外 ,其余基本为无变形的刚体运动 ;曲臂与曲柄销的连接处则是上述两刚性区的过渡 ,它产生侧向弯曲和横向镦粗的复合变形。 该区域中间位置的弯曲程度最大,内表面和外表面分别受压应力和拉应力作用 ;两侧受临近材质的挤压 ,此应变量最大:金属流动较剧烈的区域集中在内表面弯曲部位 ,以及外表面发生拉伸的部位 。曲臂外侧贴模部位温度下降较大 ,造成材质塑性下降 ,产生应力集中。

“细腰形 ”缺陷的产生给曲轴外表而沿曲臂方向的应力分情况 、由此可见,弯曲过程中,由于曲臂与下模之间存在较大的摩擦力,使得外表面沿曲臂方向伸长 ,其形过程类似单向拉伸试验. 塑性变形较大时 ,在中间部位发生颈缩 ,曲臂外表面受两向或三向拉力作用,这佯就形成了“细腰形 ”缺陷,“细腰”部位是曲轴塑性变形最大的位置。这种缺陷存外表面表现最为严重 ,向内逐渐减轻 。

各工步变形及裂纹倾向分析是曲拐弯锻第一工步变形过程应变的变化情况随着下量的增大 ,变形增大且主要集中在根部

通过与高校合作 ,我们掌握了热塑性加丁金属变形特征,利用材料本构模型和微观组织演化模型 ,掌握了大锻件加工过程中的流变和晶粒尺寸的演变行为 ,为曲轴大锻件锻造热力参数的合理制定与挎制提供了依据


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