曲拐模鍛成形過程數(shù)值模擬

胡 杰 劉凱泉(天津重型裝備工程研究有限公司，天津 300457)

通過Deform-3D數(shù)值模擬分析1∶20曲拐模鍛成形工藝，模鍛成形后的曲拐與曲拐零件進(jìn)行對比，看成形結(jié)果是否滿足要求。

1 曲拐鍛造工藝

曲拐鍛造工藝為：鋼錠切錠底、冒口壓鉗把→鐓粗、拔長→壓平→氣割鉗把→模鍛成形。

模鍛法是日本制鋼所的專利。通過倒棱、鐓粗，把鋼錠壓成塊狀毛坯，然后將它放進(jìn)模腔內(nèi)，蓋上壓緊模。用壓實(shí)錘頭和底部壓塊壓實(shí)，進(jìn)一步壓實(shí)鋼錠內(nèi)部疏松等缺陷，最后壓入沖頭劈開，使成形為曲拐。通過強(qiáng)壓成形，使得曲拐銷頸處得到類似擠壓的鍛造效果?？梢允骨招纬闪己玫慕饘倮w維[2]。

模鍛法的主要優(yōu)點(diǎn)是合格率高和成形效率非常高，一般熟練工人即可操作，機(jī)加工費(fèi)用低，材料利用率高。其主要缺點(diǎn)是不同的曲拐需要不同的模具，工裝費(fèi)用高，生產(chǎn)小型曲拐的沖頭容易發(fā)生彎曲。模鍛方法很有發(fā)展前途，它是可以把曲拐全面黑皮鍛造、像鑄鋼曲拐那樣精密的鍛造方法。日本制鋼所正在著手研究把曲拐全面黑皮鍛造的計劃，把模鍛法發(fā)展成為精密的定型鍛造法[3]。

2 Deform模型建立

2.1 實(shí)體建模

三維實(shí)體模型利用三維建模軟件UG建立成形模、導(dǎo)向模、壓實(shí)錘頭、板沖頭和底部壓塊的三維實(shí)體模型。其中坯料也用UG建立實(shí)體模型。

壓實(shí)過程中，活動橫梁直接壓在壓實(shí)錘頭上，其中板沖頭通過連接板與活動橫梁連接。其中成形模為模具型腔，壓實(shí)錘頭和底部壓塊分別從頂部和底部壓實(shí)坯料。板沖頭在坯料壓實(shí)后，從中間劈開坯料成形鍛件毛坯。

2.2 材料模型

選用Defrom材料庫中的AISI-1055。曲拐鍛件材料為S34MnV，此種材料是鎢錳合金鋼，在Deform材料庫中沒有這種材料數(shù)據(jù)，選取材料庫中與此種材料應(yīng)力應(yīng)變相近的55#鋼代替。材料應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。

對于大部分金屬成形工藝來說，工件內(nèi)部等效應(yīng)變的分布是不均勻的，且高應(yīng)變多集中于某些與模具接觸的區(qū)域，這就使得在網(wǎng)格中只有一小部分單元發(fā)生嚴(yán)重畸變，而大部分尤其是內(nèi)部單元的質(zhì)量依然較好[4]。因此，當(dāng)檢測到網(wǎng)格中發(fā)生畸變或干涉后，可以先只對少量畸變或干涉單元進(jìn)行局部調(diào)整，調(diào)整無效或畸變單元過多時，再進(jìn)行網(wǎng)格重劃分。

圖1 AISI-1055應(yīng)力應(yīng)變曲線Figure 1 AISI-1055 stress and strain curve

圖2 壓實(shí)坯料等效應(yīng)力Figure 2 The equivalent stress of compaction billets

圖3 壓實(shí)坯料等效應(yīng)變Figure 3 The equivalent strain of compaction billets

2.3 邊界條件

該成形問題為體積成形，鍛造毛坯在成形過程中定義為變形體，因?yàn)樵谂髁蠅簩?shí)過程和板沖頭插入過程中毛坯都發(fā)生了塑性變形，其它模具都定義為剛體。

2.4 摩擦類型及摩擦系數(shù)

摩擦是一種非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象，與接觸表面的各種因素有關(guān)，如接觸表面間的相對硬度、表面粗糙度、溫度、法向應(yīng)力及相對滑動速度等，有時在變形過程中還產(chǎn)生變化[5]。

在Deform中有剪切摩擦和庫侖摩擦兩種類型，本文選擇剪切摩擦類型。把變形體與成形模具直接的摩擦系數(shù)定義為μ=0.3，把變形體與其它模具之間的摩擦系數(shù)定義為μ=0.12。

3 Deform數(shù)值模擬分析

圖2是壓實(shí)錘頭壓實(shí)后坯料的等效應(yīng)力分布圖，可以看出內(nèi)坯料在中部應(yīng)力較小。因?yàn)閴簩?shí)過程與鐓粗過程相似，上部和底部的應(yīng)力較大，而中部因?yàn)榕c成形模具之間有間隙，所以等效應(yīng)力較小，等效應(yīng)變?yōu)?0.8～2.08) mm/mm。圖3是坯料在壓實(shí)錘頭壓實(shí)之后的等效應(yīng)變分布圖，可以看出應(yīng)變集中于成形模具接觸區(qū)域，因?yàn)橄露嗽絹碓叫?，造成了?yīng)變的集中，應(yīng)力最大值為61.3 MPa。

圖4是坯料在壓實(shí)完成之后的等效應(yīng)力分布圖。從圖4可知，壓實(shí)結(jié)束時曲拐在下端區(qū)域?yàn)?8.6 MPa～69.3 MPa。在下端需要加工圓孔，插入軸銷，可以看出插入軸銷部位的壓實(shí)效果較好。

圖5 壓實(shí)后等效應(yīng)變Figure 5 The equivalent strain after compaction

圖6 壓實(shí)后沿X軸剖開Figure 6 Dividing along the X axis after compaction

圖7 壓實(shí)后沿Y軸剖開Figure 7 Dividing along the Y axis after compaction

圖5是壓實(shí)結(jié)束時曲拐等效應(yīng)變分布圖。從圖5可知，曲拐下端的等效應(yīng)變?yōu)?0.45～1.77) mm/mm。圖6表示在等效應(yīng)力狀態(tài)下，壓實(shí)結(jié)束時從X軸剖開的情況。圖7表示在等效應(yīng)力狀態(tài)下，壓實(shí)結(jié)束時從Y軸剖開的情況。

圖8 壓塊力-步數(shù)曲線Figure 8 The curve of compressive stress and step numbers

圖9 成形結(jié)束時等效應(yīng)力Figure 9 The equivalent stress at the end of forming

從圖6、圖7可以看出坯料充滿模具型腔，在尖角處充滿良好，有飛邊溢出。

從圖8可以看出，在59步時，成形充滿力達(dá)到最大值，這是壓實(shí)錘頭壓實(shí)坯料、完全壓入后的成形力，此時坯料充滿模具型腔，成形力達(dá)到0.37 MN。59步之后成形力從零逐漸增大，板沖頭沖入坯料，與坯料的接觸面變大，成形力越來越大。

圖9是坯料在最終成形時的等效應(yīng)力，可以看出等效應(yīng)力最大的區(qū)域集中在板沖頭與成形模具之間的坯料，在此區(qū)域的等效應(yīng)力有明顯的波動，等效應(yīng)力為263 MPa～454 MPa，而板沖頭的最下端與坯料接觸部分的等效應(yīng)力為263 MPa～326 MPa。圖10是坯料在板沖頭劈開坯料、成形結(jié)束時的等效應(yīng)變，可以看出等效應(yīng)變也是集中在板沖頭與坯料接觸的最下端和兩側(cè)，此區(qū)域的等效應(yīng)變?yōu)?0.74～3.33)mm/mm。

圖10 成形結(jié)束時等效應(yīng)變Figure 10 The equivalent strain at the end of forming

圖11 上模力-步數(shù)曲線Figure 11 The curve of top die force and steps

圖11是上模力與步數(shù)的曲線，可以看出整個成形過程中成形力的變化。第一個波峰是在第51步時，壓實(shí)錘頭壓實(shí)坯料完成時達(dá)到最大值。第二個波峰是在第59步時，從壓實(shí)坯料完成時，壓實(shí)力達(dá)到最大值。從第60步以后，上模換成板沖頭，成形力從零不斷增大，在第233步成形結(jié)束時，成行力達(dá)到0.738 MN。

圖12是最終模鍛成形后的坯料與成形零件的對比圖。從圖12可以看出，零件完全被包在成形坯料之中，從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出鍛造毛坯滿足要求。

圖12 成形坯料與零件對比圖Figure 12 The comparison chart between forming blank and parts

4 結(jié)論

(1)根據(jù)數(shù)值模擬分析，應(yīng)該預(yù)留出坯料與成形模間合適的間隙，以利于成形兩曲臂間時金屬能夠向兩側(cè)轉(zhuǎn)移。這樣可以使金屬在變形過程中既能保證成形件表面質(zhì)量，又可以在成形過程中盡可能減小成形力。

(2)從等效應(yīng)力可以看出，曲拐在整個模鍛成形過程中處于壓應(yīng)力狀態(tài)，曲拐的軸銷位置壓實(shí)較好。

[1] 左陽春，馮麗魁，等.大型曲軸的幾種成形方法及比較.金屬鑄鍛焊技術(shù)，2008(3):130-132.

[2] 李群.聶紹民.武玉波.船用大型組合式曲軸曲柄鍛造工藝數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究.燕山大學(xué)碩士學(xué)位論文.2006(4).

[3] 孫亮.大型船舶曲軸曲柄成形優(yōu)化.冶金自動化，2009(zl).

[4] 尤杰.大型曲軸RR法彎鍛成形有限元模擬.天津大學(xué).2004.

[5] 汪大年.金屬塑性成形理論.北京機(jī)械工業(yè)出版社,1985:42-106.