內(nèi)燃機(jī)用曲軸成形工藝分析及組織模擬研究

朱若嶺　李靜　程秋云

摘 要：大型曲軸是大型內(nèi)燃機(jī)的關(guān)鍵零件，往往通過鍛造成形進(jìn)行加工制造。由于大型曲軸的直徑比較大、形狀復(fù)雜等，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，往往存在鍛造部件精度低、流線分布不合理、晶粒細(xì)化不充分等問題，采用DEFORM-3D軟件對大型內(nèi)燃機(jī)用曲軸TR鐓鍛過程進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真，實(shí)現(xiàn)了曲軸鍛造宏觀成形和微觀組織演變的模擬。通過模擬分析，得到了曲軸塑性流動規(guī)律與特點(diǎn)，并對曲軸內(nèi)部組織、晶粒尺寸變化進(jìn)行了預(yù)測，可有效的提高鍛件的質(zhì)量，減少試驗(yàn)的次數(shù)，降低產(chǎn)品開發(fā)成本的目的。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)用曲軸 TR法成形 組織模擬

1 引言

大型多拐曲軸是內(nèi)燃機(jī)的重要零件之一，主要應(yīng)用于鐵路機(jī)車和船舶發(fā)動機(jī)。由于它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、曲拐的形狀、空間位置各不相同;而且它的工況較惡劣，主要承受周期變化的負(fù)載力和彎曲應(yīng)力、扭曲力。因此，對于曲軸的剛度、強(qiáng)度、耐疲勞、抗振動等機(jī)械性能要求比較高。鍛造工藝因?yàn)榫哂泄ぜЯ＜?xì)化、組織結(jié)構(gòu)的致密以及工件強(qiáng)度提高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)曲軸的加工制造中。目前，內(nèi)燃機(jī)用的曲軸全纖維彎曲鐓鍛成形技術(shù)的RR 法和 TR 法被國內(nèi)外廣泛采用[1]。

理想的鍛件質(zhì)量不僅要使鍛件滿足零件的基本形狀尺寸，還要通過材料內(nèi)部的合理變形來改善鍛件內(nèi)部的微觀組織從而達(dá)到提高產(chǎn)品綜合力學(xué)性能的目的。本文基于塑性成形軟件DEFORM，針對某公司正在開發(fā)的某內(nèi)燃機(jī)用曲軸進(jìn)行建模仿真，對曲軸熱成形過程中材料的變形、組織的微觀組織變化如結(jié)晶體積百分比數(shù)平均晶粒尺寸進(jìn)行模擬和預(yù)測。

2 研究背景

2.1 RR、TR法曲軸彎曲鐓鍛法介紹[2]

RR法是由法國C.A.F.L公司工程師R.Roedrer在20世紀(jì)30年代發(fā)明的。其工作原理是：主要利用斜面的夾角傳力將壓力機(jī)工作力的一部分轉(zhuǎn)換成水平墩粗力，實(shí)現(xiàn)曲軸的彎曲墩鍛。20世紀(jì)60年代，波蘭Tadeusz.Rut教授研究出TR彎曲鐓鍛法。其原理與RR鐓鍛法相同，但彎曲鐓鍛裝置結(jié)構(gòu)比較合理。

2.2 塑性成形中微觀組織模擬模型的發(fā)展

自1966年英國Sheffield國際熱加工會議以來，很多外國學(xué)者就對熱加工中的基本軟化機(jī)理、微觀組織性能的預(yù)報(bào)和控制等進(jìn)行了大量的研究。70年代，Sellars等[3]提出在軋制及其冷卻過程中，金屬和合金發(fā)生的組織變化可以用數(shù)學(xué)模型來描述其主要特征，明確提出了組織模擬模型這一概念建立了晶粒尺寸與再結(jié)晶體積百分比的半經(jīng)驗(yàn)公式。但隨后發(fā)展很緩慢。直到90年代初，Kopp等才首先將微觀組織演變模型引入到鍛造過程，建立了低碳鋼二維鐓粗過程中晶粒尺寸與再結(jié)晶百分比的經(jīng)驗(yàn)公式，并采用有限元法對二維熱鐓粗的動態(tài)再結(jié)晶過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。

3 內(nèi)燃機(jī)用曲軸TR鐓鍛成形過程仿真

3.1 TR法墩鍛仿真模型建立

以該曲軸鍛件其中一個(gè)單拐為研究對象，因曲拐是對稱的，為提高計(jì)算運(yùn)行的效率，取單拐的四分之一為研究對象。毛坯材料選用AISI-4140;采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目60000個(gè)，在成形過程中進(jìn)行自動動態(tài)網(wǎng)格再劃分;模擬過程時(shí)間步長0.1s;成形總時(shí)間T=62.55s。圖1為內(nèi)燃機(jī)用曲軸單拐的成形分析簡化模型。

3.2 曲軸有限元仿真設(shè)置基本參數(shù)

由于Deform軟件里面提供了數(shù)值模擬仿真所用材料為42CrMo，所對應(yīng)的美國牌號為AISI-4140的流變應(yīng)力方程和曲線。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝，對曲軸的仿真進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。坯料初始溫度為11180℃，模具溫度250，環(huán)境溫度20℃，模具與坯料之間的摩擦銀子為0.4，熱傳導(dǎo)系數(shù)（W/m/C）為5，輸熱系數(shù)（N/mm/s/C）為0.02，模具下壓速度為4mm/s，原始晶粒尺寸為100μm。

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 曲拐成形工藝分析

由于該內(nèi)燃機(jī)曲軸的直徑大，所以采用TR法墩鍛成形，分預(yù)鍛和終鍛兩次成形。圖2是數(shù)值仿真和實(shí)際試制時(shí)預(yù)鍛和終鍛結(jié)束時(shí)的成形效果。從數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)際試制效果對比，基于塑性成形軟件DEFORM，可以對新開發(fā)的內(nèi)燃機(jī)曲軸的成形過程、金屬流動進(jìn)行仿真，并對曲軸生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)的連桿頸下端折疊、曲柄臂充填不飽滿等缺陷的形成機(jī)理進(jìn)行研究。通過數(shù)值模擬，可以有效的預(yù)測鍛件的成形效果，并在試制之前，檢驗(yàn)?zāi)壳吧a(chǎn)工藝和模具結(jié)構(gòu)的合理性，保證其良好的成形質(zhì)量提高材料的利用率和降低生產(chǎn)成本。

4.2 曲拐材料內(nèi)部組織演化分析

在該曲拐成形過程中，金屬的變形、金屬與模具之間的傳熱以及金屬內(nèi)部微觀組織的演變過程之間存在著復(fù)雜的交互作用，將微觀組織演化模型與有限元傳熱變形計(jì)算方法進(jìn)行相互耦合，對內(nèi)燃機(jī)曲軸單拐預(yù)鍛和終鍛進(jìn)行有限元模擬分析，可以得到更貼近實(shí)際的結(jié)果。

圖3為鍛件預(yù)鍛和終鍛結(jié)束時(shí)動態(tài)再結(jié)晶體積百分?jǐn)?shù)以及平均晶粒尺寸大小的模擬結(jié)果。從圖3a可知，預(yù)鍛結(jié)束時(shí)，結(jié)晶百分?jǐn)?shù)中心區(qū)域較大，這是因?yàn)橹行膮^(qū)域溫度較高且有效應(yīng)變較大導(dǎo)致動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生，而兩端則由于有效應(yīng)變較小加之溫度低而使得結(jié)晶百分?jǐn)?shù)幾乎為0，但整個(gè)鍛件的平均體積百分?jǐn)?shù)達(dá)到了71.4%。圖3b顯示預(yù)鍛結(jié)束時(shí)，整個(gè)鍛件平均晶粒尺寸為41.6m左右，鍛件內(nèi)部的最大晶粒尺寸是在曲軸單拐兩端，內(nèi)部晶粒尺寸較小。圖3c顯示，在終鍛結(jié)束時(shí)，隨著變形繼續(xù)增大，整個(gè)坯料各個(gè)部為都發(fā)生了不同程度的變形，坯料大部分區(qū)域發(fā)生了較完全的動態(tài)再結(jié)晶，中心大部分區(qū)域結(jié)晶百分?jǐn)?shù)達(dá)到1，但是兩端由于溫度較低和變形量較小，鍛件平均動態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了78.6%，整體上發(fā)生比較充分。圖3d顯示，鍛件內(nèi)部的整個(gè)鍛件平均晶粒尺寸由預(yù)鍛結(jié)束時(shí)的41.6m左右降至24.5m。終鍛結(jié)束時(shí)，鍛件內(nèi)部的最大晶粒尺寸仍然在曲軸單拐兩端，但區(qū)域較預(yù)鍛時(shí)有所減小;內(nèi)部晶粒尺寸較小，且平均晶粒尺寸較均勻。

從模擬結(jié)果可看出，經(jīng)過預(yù)鍛和終鍛工藝之后，終鍛件截面再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)絕大部分區(qū)域接近100%，鍛件的內(nèi)部組織大部分發(fā)生了連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶，鍛件動態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)達(dá)到了78.6%，最終鍛件平均晶粒尺寸在24.5m左右。整體而言，鍛件晶粒較均勻，鍛造成形工藝達(dá)到了細(xì)化晶粒的目的。

5 結(jié)語

在熱成形過程中，宏觀和微觀是緊密耦合的。本文通過有限元軟件對內(nèi)燃機(jī)用曲軸進(jìn)行TR法墩鍛成形和微觀組織模擬與分析，從宏觀仿真結(jié)果上顯示曲軸的成形質(zhì)量良好，在微觀上對組織演變進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果表明：

（1）針對某新型號內(nèi)燃機(jī)用曲軸，對其進(jìn)行了建模和數(shù)值仿真。通過數(shù)值模擬，可以有效的預(yù)測鍛件的成形效果，并在試制之前，檢驗(yàn)?zāi)壳吧a(chǎn)工藝和模具結(jié)構(gòu)的合理性，保證其良好的成形質(zhì)量，提高材料的利用率和降低生產(chǎn)成本，也為同類曲軸的生產(chǎn)以及新開發(fā)曲軸的成形工藝提供了經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。

（2）分析了曲軸單拐內(nèi)部的微觀組織演變。仿真結(jié)果顯示，曲拐在成形過程中，鍛件動態(tài)再結(jié)晶變化充分，鍛件的晶粒細(xì)化明顯。鍛件微觀組織仿真為研究鍛件內(nèi)部組織的演變提供了參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]萬煦義.大中型全纖維曲軸鍛造方法的探討[J].大型鑄鍛件，2006（3）：45-52.

[2]馮麗魁，左陽春，趙恒義等.全纖維鍛造曲軸中的RR與TR裝置特點(diǎn)及比較[J].熱加工工藝，2007，36（13）：71-73.

[3]Sellats C M，Whiteman J A.Recrystallization and grain growth in hot rolling[J].Metal Science，1979，13（3）：197-199.