曲拐模锻成形过程数值模拟

胡 杰 刘凯泉(天津重型装备工程研究有限公司，天津 300457)

通过Deform-3D数值模拟分析1∶20曲拐模锻成形工艺，模锻成形后的曲拐与曲拐零件进行对比，看成形结果是否满足要求。

1 曲拐锻造工艺

曲拐锻造工艺为：钢锭切锭底、冒口压钳把→镦粗、拔长→压平→气割钳把→模锻成形。

模锻法是日本制钢所的专利。通过倒棱、镦粗，把钢锭压成块状毛坯，然后将它放进模腔内，盖上压紧模。用压实锤头和底部压块压实，进一步压实钢锭内部疏松等缺陷，最后压入冲头劈开，使成形为曲拐。通过强压成形，使得曲拐销颈处得到类似挤压的锻造效果。可以使曲拐形成良好的金属纤维[2]。

模锻法的主要优点是合格率高和成形效率非常高，一般熟练工人即可操作，机加工费用低，材料利用率高。其主要缺点是不同的曲拐需要不同的模具，工装费用高，生产小型曲拐的冲头容易发生弯曲。模锻方法很有发展前途，它是可以把曲拐全面黑皮锻造、像铸钢曲拐那样精密的锻造方法。日本制钢所正在着手研究把曲拐全面黑皮锻造的计划，把模锻法发展成为精密的定型锻造法[3]。

2 Deform模型建立

2.1 实体建模

三维实体模型利用三维建模软件UG建立成形模、导向模、压实锤头、板冲头和底部压块的三维实体模型。其中坯料也用UG建立实体模型。

压实过程中，活动横梁直接压在压实锤头上，其中板冲头通过连接板与活动横梁连接。其中成形模为模具型腔，压实锤头和底部压块分别从顶部和底部压实坯料。板冲头在坯料压实后，从中间劈开坯料成形锻件毛坯。

2.2 材料模型

选用Defrom材料库中的AISI-1055。曲拐锻件材料为S34MnV，此种材料是钨锰合金钢，在Deform材料库中没有这种材料数据，选取材料库中与此种材料应力应变相近的55#钢代替。材料应力应变曲线如图1所示。

对于大部分金属成形工艺来说，工件内部等效应变的分布是不均匀的，且高应变多集中于某些与模具接触的区域，这就使得在网格中只有一小部分单元发生严重畸变，而大部分尤其是内部单元的质量依然较好[4]。因此，当检测到网格中发生畸变或干涉后，可以先只对少量畸变或干涉单元进行局部调整，调整无效或畸变单元过多时，再进行网格重划分。

图1 AISI-1055应力应变曲线Figure 1 AISI-1055 stress and strain curve

图2 压实坯料等效应力Figure 2 The equivalent stress of compaction billets

图3 压实坯料等效应变Figure 3 The equivalent strain of compaction billets

2.3 边界条件

该成形问题为体积成形，锻造毛坯在成形过程中定义为变形体，因为在坯料压实过程和板冲头插入过程中毛坯都发生了塑性变形，其它模具都定义为刚体。

2.4 摩擦类型及摩擦系数

摩擦是一种非常复杂的物理现象，与接触表面的各种因素有关，如接触表面间的相对硬度、表面粗糙度、温度、法向应力及相对滑动速度等，有时在变形过程中还产生变化[5]。

在Deform中有剪切摩擦和库仑摩擦两种类型，本文选择剪切摩擦类型。把变形体与成形模具直接的摩擦系数定义为μ=0.3，把变形体与其它模具之间的摩擦系数定义为μ=0.12。

3 Deform数值模拟分析

图2是压实锤头压实后坯料的等效应力分布图，可以看出内坯料在中部应力较小。因为压实过程与镦粗过程相似，上部和底部的应力较大，而中部因为与成形模具之间有间隙，所以等效应力较小，等效应变为(0.8～2.08) mm/mm。图3是坯料在压实锤头压实之后的等效应变分布图，可以看出应变集中于成形模具接触区域，因为下端越来越小，造成了应变的集中，应力最大值为61.3 MPa。

图4是坯料在压实完成之后的等效应力分布图。从图4可知，压实结束时曲拐在下端区域为58.6 MPa～69.3 MPa。在下端需要加工圆孔，插入轴销，可以看出插入轴销部位的压实效果较好。

图5 压实后等效应变Figure 5 The equivalent strain after compaction

图6 压实后沿X轴剖开Figure 6 Dividing along the X axis after compaction

图7 压实后沿Y轴剖开Figure 7 Dividing along the Y axis after compaction

图5是压实结束时曲拐等效应变分布图。从图5可知，曲拐下端的等效应变为(0.45～1.77) mm/mm。图6表示在等效应力状态下，压实结束时从X轴剖开的情况。图7表示在等效应力状态下，压实结束时从Y轴剖开的情况。

图8 压块力-步数曲线Figure 8 The curve of compressive stress and step numbers

图9 成形结束时等效应力Figure 9 The equivalent stress at the end of forming

从图6、图7可以看出坯料充满模具型腔，在尖角处充满良好，有飞边溢出。

从图8可以看出，在59步时，成形充满力达到最大值，这是压实锤头压实坯料、完全压入后的成形力，此时坯料充满模具型腔，成形力达到0.37 MN。59步之后成形力从零逐渐增大，板冲头冲入坯料，与坯料的接触面变大，成形力越来越大。

图9是坯料在最终成形时的等效应力，可以看出等效应力最大的区域集中在板冲头与成形模具之间的坯料，在此区域的等效应力有明显的波动，等效应力为263 MPa～454 MPa，而板冲头的最下端与坯料接触部分的等效应力为263 MPa～326 MPa。图10是坯料在板冲头劈开坯料、成形结束时的等效应变，可以看出等效应变也是集中在板冲头与坯料接触的最下端和两侧，此区域的等效应变为(0.74～3.33)mm/mm。

图10 成形结束时等效应变Figure 10 The equivalent strain at the end of forming

图11 上模力-步数曲线Figure 11 The curve of top die force and steps

图11是上模力与步数的曲线，可以看出整个成形过程中成形力的变化。第一个波峰是在第51步时，压实锤头压实坯料完成时达到最大值。第二个波峰是在第59步时，从压实坯料完成时，压实力达到最大值。从第60步以后，上模换成板冲头，成形力从零不断增大，在第233步成形结束时，成行力达到0.738 MN。

图12是最终模锻成形后的坯料与成形零件的对比图。从图12可以看出，零件完全被包在成形坯料之中，从数值模拟结果可以看出锻造毛坯满足要求。

图12 成形坯料与零件对比图Figure 12 The comparison chart between forming blank and parts

4 结论

(1)根据数值模拟分析，应该预留出坯料与成形模间合适的间隙，以利于成形两曲臂间时金属能够向两侧转移。这样可以使金属在变形过程中既能保证成形件表面质量，又可以在成形过程中尽可能减小成形力。

(2)从等效应力可以看出，曲拐在整个模锻成形过程中处于压应力状态，曲拐的轴销位置压实较好。

[1] 左阳春，冯丽魁，等.大型曲轴的几种成形方法及比较.金属铸锻焊技术，2008(3):130-132.

[2] 李群.聂绍民.武玉波.船用大型组合式曲轴曲柄锻造工艺数值模拟及试验研究.燕山大学硕士学位论文.2006(4).

[3] 孙亮.大型船舶曲轴曲柄成形优化.冶金自动化，2009(zl).

[4] 尤杰.大型曲轴RR法弯锻成形有限元模拟.天津大学.2004.

[5] 汪大年.金属塑性成形理论.北京机械工业出版社,1985:42-106.