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大型曲臂锻件模锻成形工艺模拟研究

张彦明1,2，刘嘉辰2，李　瑾3，韩灵全2，刘　岩2

(1.山西大运汽车制造有限公司，山西　运城　044000；2.太原科技大学 材料科学与工程学院，山西　太原　030024；3.吕梁学院，山西　吕梁　033000)

摘要：针对大型曲臂锻件的结构特点和性能要求，提出采用了预锻-终锻两步成形方法模锻成形大型曲臂锻件。采用DEFORM-3D有限元软件对此工艺方法的成形过程进行模拟，并对应力、应变、温度场的分布特点和时间-载荷曲线进行分析。结果表明，采用此方法能够在8万吨水压机上饱满成形大型曲臂锻件，得到金属流动合理、锻造流线完整的锻件。

关键词：大型曲臂锻件；模锻；有限元模拟

0　引言

近年来，随着世界造船业的快速发展，对大型柴油机曲轴的质量要求越来越高，而且需求量也越来越大。对于特大型船舶用柴油机，无法通过一次成形得到整根曲轴，其生产方法采用半组合法，即先成形出各个曲臂锻件，经机加工后组合成整根曲轴，因此，本文采用DEFORM-3D软件，以某大型柴油机曲轴曲臂锻件成形为例对此工艺方法成形过程进行模拟研究。

1　锻造工艺的制定

图1为某大型柴油机曲轴曲臂锻件尺寸简图。该曲轴属于特大型曲轴，采用半组合式生产方法制造。本文采用全纤维锻造RR法(大型曲轴弯曲镦锻法)对大型曲臂锻件的锻造过程进行模拟分析。RR法应用一种特殊的曲轴镦锻装置，其工作原理为：冲头垂直下压，使坯料发生弯曲，左右模具相互靠近对坯料进行镦粗，模锻得到一个曲拐，如图2所示。由于RR镦锻法所要求的水平镦粗力太大，本模拟采用两套模具，为预锻和终锻的两步模锻成形方法。预锻成形锻件主体尺寸，终锻采用局部镦粗成形。

2　有限元模型的建立

2.1　预锻及终锻建模

各模具经UG软件造型，导入到DEFORM-3D软件中。图3、图4分别为预锻和终锻模具装配图。在预锻工序中，凹模内部的凹孔用于容纳及定位坯料，凹模两端均开设毛边槽。终锻时，坯料与模具平放，在凹模内插入垫板，将预锻件凹槽填实，模具其余尺寸与预锻凹模一致。

2.2　模拟工艺参数设定

预锻阶段，定义环境温度为20 ℃，坯料温度为1 150 ℃，模具温度为300 ℃；左右模速度为10 mm/s，行程均为1 250 mm，水平相向运动；上、下冲头速度为9.6 mm/s，行程为1 200 mm，垂直下压；坯料材料为S34MnV，直径为Φ755 mm，长度为3 500 mm；模具和坯料间的摩擦因数取0.7，传热系数为10 J/(mm2·s·℃)。坯料单元网格数为80 000。

图1　大型曲臂锻件尺寸简图

图2　RR镦锻法示意图

终锻阶段，坯料温度为1 000 ℃，环境和模具温度为300 ℃；上、下模速度为5 mm/s，行程均为200 mm，垂直相向运动，垫板静止不动；模具和坯料间的摩擦因数和传热系数都与预锻相同。坯料单元网格数为80 000。

图3　预锻模具示意图

图4　终锻模具示意图

3　大型曲臂锻件模锻成形模拟结果分析

对大型曲臂锻件模型进行模拟计算后，对其成形效果图、应力场、应变场、材料流动趋势及时间-载荷曲线等数据进行了分析。

3.1　大型曲臂锻件成形模拟效果图

图5为大型曲臂锻件的成形模拟效果图。曲臂锻件已饱满成形，成形过程未出现折叠。

图5　大型曲臂锻件成形模拟效果

3.2　大型曲臂锻件的成形过程

图6为预锻成形过程。首先将加热的坯料放入模具中，在冲头和凹模共同作用下坯料中部因冲头作用向下流动，两端坯料在左、右模作用下向中间流动；随着成形过程的进行，材料与模具接触面积逐渐增大，中部的坯料继续在冲头的作用下向下运动，两侧的坯料在冲头和凹模作用下产生镦粗效果，逐步成形出曲臂；预锻最后阶段，曲臂预锻件下部充满模具型腔，达到预锻尺寸要求，上部型腔未充满，留待终锻成形时由预锻件凸台部分的材料继续填充。

图7为终锻局部镦粗成形过程。成形开始阶段模具仅与预锻件凸台部分接触；随着成形过程的进行，凸台被逐渐压缩，逐渐接近曲臂尺寸；模具与锻件接触面积逐渐增大，金属材料向左流动，充填型腔并开始出现毛边；终锻末期，锻件饱满成形并挤出毛边。

图6　预锻成形过程

图7　终锻成形过程

3.3　场量分析

图8为预锻等效应力、等效应变和温度分布云图。由图8(a)可知，锻件内部应力总体分布均匀，最大应力出现在凸台与模具接触部位及锻件尖角处，其最大值为114 MPa，该值处在模具能承受的范围内，不会损伤模具，锻件需设计较大的圆角，使材料流动顺畅，避免折叠缺陷。由图8(b)可知，锻件曲臂部位应变较大，为主要变形区，原因是此部位材料受到冲头和左、右模双重作用，材料大变形流动，则应变较大。由图8(c)可知，锻件内部高温区约为1 000 ℃，低温区约为700 ℃，总体平均温度约为850 ℃，此温度在S34MnV的终锻温度以上，能保证大型曲臂锻件获得良好的内部组织和较小的变形抗力；锻件外表面与模具接触部位温度较低，是因为这些接触部位发生热传导，降温幅度较大，但是这些低温部分不会对锻件成形造成影响。

图9为终锻锻件内部应力场和温度场分布图(由于终锻为局部镦粗变形，形变较小，因此不分析应变场)。由图9(a)可知，锻件内部应力分布较为均匀，最大应力出现在凸台与模具接触部位及锻件尖角处，为92.6 MPa，该值在模具能承受的范围内。由图9(b)可知，锻件内部高温区约为980 ℃，低温区约为760 ℃，平均温度约为870 ℃，此温度在S34MnV的终锻温度以上，能保证大型曲臂锻件获得良好的内部组织和较小的变形抗力，终锻件表面的低温层不会对成形过程造成影响。

3.4　模具时间-载荷分析

在锻件成形过程中，成形载荷是选择设备吨位的主要依据，也是确定模具结构、校核模具强度和刚度的重要参考依据。

图10为模具时间-载荷曲线。由图10(a)和图10(b)可知，锻造的初始阶段模具和冲头载荷均呈现较缓慢的线性增长趋势，原因是该阶段坯料产生较小的变形，且与冲头和模具接触面积较小，正压力与摩擦力均较小，坯料的温度未出现明显降低，变形抗力较小；随着冲头、模具与坯料之间的接触面积逐渐增加，正压力与摩擦力逐渐增大，变形抗力增大，冲头和模具的载荷增大速度较快；最后阶段，模具和冲头载荷增大较为剧烈，此时模具下部已充满型腔，只有模具上部曲臂处仍未充满，由于模具接近闭合，接触面积大，此时需要很大的载荷才能完成曲臂上部的充填，冲头最大载荷为1.62×108 N，模具载荷最大为5.33×108 N，处于较合理的范围。

图8　预锻等效应力、等效应变和温度的分布云图

图9　终锻应力场和温度场分布云图

由图10(c)可知，终锻开始阶段模具载荷上升较缓慢，因为此阶段模具只和预锻件凸台部位接触，为局部镦粗成形阶段，载荷较小；在成形后期，模具与锻件接触面积增大较快，载荷以较大的速度增长，模具最大载荷为6.86×108 N。

综合分析预锻与终锻的载荷曲线，应用预锻和终锻的两步成形方法，能够在8万吨水压机上模锻成形该大型曲臂锻件。

图10　模具时间-载荷曲线

4　结论

通过对大型曲臂锻件的预锻-终锻两步成形方法进行有限元模拟，得到以下结论：①采用预锻-终锻两步成形方法模锻成形大型曲臂锻件，模拟成形饱满，金属流动合理，锻造流线完整，生成毛边量较少；②采用该方法生产特大型曲轴，经模拟计算，其曲臂部分在预锻过程中，冲头垂直载荷为1.62万吨，凹模水平合模力为5.33万吨，终锻最大合模力为6.86万吨，因此，能够在8万吨水压机上采用模锻方法对单拐曲臂整体成形；③采用预锻-终锻的模锻方法生产大型曲臂锻件，属全纤维锻造，可大幅提高锻件质量和精度，节约材料和机加工工时，缩短生产周期，降低生产成本。此研究为大型曲臂锻件模锻成形工艺的制定提供理论依据。

参考文献：

[1]万煦义.大中型曲轴全纤维锻造方法的探讨.大型铸锻件,2006(3):45-52.

[2]冯丽魁,左阳春,赵恒义,等.全纤维锻造曲轴中的RR与TR装置特点及比较.热加工工艺,2007,36(13):71-73.

[3]Araki S Ochi, T Fujita, H Hirano, et al.Process for CGF-Crankshafts in upsetting and off-setting operation.11th International Forgemasters Meeting, Terni/Spoleto.1991.

(英文摘要

文章编号：1672-6413(2016)04-0130-03

收稿日期：2015-11-30；

修订日期：2016-05-29

作者简介：张彦明(1986-)，男，浙江衢州人，助理工程师，硕士，研究方向：锻压工艺及模具设计。

中图分类号：TG316

文献标识码：A

Simulation Study on Die Forging Technology of Large Crank Arm

ZHANG Yan-ming1,2, LIU Jia-chen2, LI Jin3, HAN Ling-quan2, LIU Yan2

(1.Dayun Truck Manufacturing Limited Company, Yuncheng 044000, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China; 3. Lvliang University, Lvliang 033000, China)

Abstract： In order to improve product quality and reduce deformation load, a forging technology containing pre-forging and finish-forging was developed to produce large crank arm forging according to its structure features and performance requirements. The forging process was simulated by DEFORM-3D finite element software. The distribution of stress, strain, temperature field and time-load curve were obtained. The results indicate that the large crank arm can be produced on 80,000-ton hydraulic press by this forging technology. The reasonable metal flow and complete forging streamline are obtained in the forging. It provides a theoretical basis to the development of large crank arm die forging technology.

Key words： large crank arm forging; die forging; finite element simulation