曲拐锻造过程模拟与实验研究

1、曲拐锻造过程模拟与实验研究曲拐锻造过程模拟与实验研究 塑性加工模拟的意义塑性加工模拟的意义塑性加工作为一种传统的制造工艺，包括锻造、冲压、挤压、塑性加工作为一种传统的制造工艺，包括锻造、冲压、挤压、拉拔、轧制及其他以材料发生永久变形为目的的材料加工技拉拔、轧制及其他以材料发生永久变形为目的的材料加工技术。术。( (1)1)使塑性加工由传统的定性向定量化研究转变，由技艺化向使塑性加工由传统的定性向定量化研究转变，由技艺化向科学化转变，实现了塑性加工学科的重大转变。科学化转变，实现了塑性加工学科的重大转变。(2)(2)实现了塑性成形过程的虚拟化，极大地降低了制造成本，实现了塑性成形过程的虚拟化，极

2、大地降低了制造成本，减少了试模损失，特别是在力保关键大件一次制造成功和大批减少了试模损失，特别是在力保关键大件一次制造成功和大批量生产毛坯件试模方面具有十分明显的优点。量生产毛坯件试模方面具有十分明显的优点。(3)(3)从制造角度解决了产品设计、成形工艺设计与成形模具设从制造角度解决了产品设计、成形工艺设计与成形模具设计的优化问题，显著提高了产品设计的质量。计的优化问题，显著提高了产品设计的质量。数值模拟技术在塑性加工中的应用已有数值模拟技术在塑性加工中的应用已有3030多年的历史。多年的历史。目前，在成形过程模拟方面，温度和变形耦合模拟都已目前，在成形过程模拟方面，温度和变形耦合模拟都已基本

3、成熟，二维软件在塑性成形中已得到广泛的应用，基本成熟，二维软件在塑性成形中已得到广泛的应用，而三维软件也正在为人们接受。数值模拟技术已应用到而三维软件也正在为人们接受。数值模拟技术已应用到体积成形、板料成形以及当前塑性成形的前沿领域体积成形、板料成形以及当前塑性成形的前沿领域 微成形和镁、铝、钛等难变形轻合金的成形微成形和镁、铝、钛等难变形轻合金的成形。塑性加工计算机模拟发展概况塑性加工计算机模拟发展概况 力学本构模型力学本构模型l弹塑性模型弹塑性模型l刚塑性模型刚塑性模型l刚粘塑性模型刚粘塑性模型l弹粘塑性模型弹粘塑性模型关键技术和难点关键技术和难点模具结构的数学描述模具结构的数学描述摩擦边

4、界条件处理摩擦边界条件处理动态接触边界的处理动态接触边界的处理网格划分和重化分的处理网格划分和重化分的处理材料的高度非线性、几何非线性、边界条件高度非线性材料的高度非线性、几何非线性、边界条件高度非线性塑性加工模拟软件塑性加工模拟软件大致可以分为两类一类是将通用有限元软件的功能扩充后用大致可以分为两类一类是将通用有限元软件的功能扩充后用于塑性成形过程模拟如集成了于塑性成形过程模拟如集成了LS-DYNA3D 和和LS-NIKE3D 后的后的ANSYS 和和ABAQUS 等等 Marc另一类是专门为塑性成形模拟开发的软件如主要用于体积成另一类是专门为塑性成形模拟开发的软件如主要用于体积成形和热处理

5、分析的形和热处理分析的DEFORM、 QFORM;用于冲压成形包括用于冲压成形包括液压胀形模拟的液压胀形模拟的DYNAFORM AutoForm PAM-STAMP OPTRIS.曲轴曲轴韩国斗山公司生产的半组合式曲轴（单个曲拐即重韩国斗山公司生产的半组合式曲轴（单个曲拐即重50吨吨） 目前国外能够生产大型船用低速柴油机主机曲轴的国家主要有日本、韩国、捷克、西班牙、俄罗斯等少数几个国家。近年来全球曲轴产量在每年600根左右，其中日、韩两国的产品约占80，国内的上海船用曲轴有限公司于2005年初制造了第一根真正意义上的国产化半组合式曲轴。 以现有的造船扩张能力看，2010年中国需要300根曲轴，

6、2015年需要420根曲轴，市场缺口很大。60机曲轴价格在600万元左右。国内外船用曲轴的生产及需求情况国内外船用曲轴的生产及需求情况HYUNDAI 韩国现代重工生韩国现代重工生产的船用柴油机曲产的船用柴油机曲轴目前在国际市场轴目前在国际市场上占有份额为上占有份额为35%，年产量为年产量为200多根曲多根曲轴。现代重工于轴。现代重工于1985年涉足于曲轴年涉足于曲轴生产领域，现在可生产领域，现在可以生产用于以生产用于l万万TEU级集装箱船柴油主级集装箱船柴油主机的大型曲轴机的大型曲轴 韩国斗山重工韩国斗山重工20032003年年的曲轴产量已达的曲轴产量已达140140多多根，根，2004200

7、4年的曲轴产量年的曲轴产量要达到要达到160160多根，多根，20052005年要上升到年要上升到180180多根，多根，争取进入世界第二位，争取进入世界第二位，并力争在并力争在2006-20072006-2007年年摘取世界船用柴油机曲摘取世界船用柴油机曲轴生产企业的轴生产企业的“王冠王冠”。DOSSAN日本JCFC公司锻造的214吨、14.270米长的半组合式曲轴JCFC 日本日本JSWJSW公司公司锻造的十锻造的十缸柴油缸柴油发动机发动机曲轴曲轴JSW半组合式曲轴的制造工艺过程半组合式曲轴的制造工艺过程： 浇铸钢锭浇铸钢锭顶锻镦粗顶锻镦粗开坯成型开坯成型 弯锻曲拐弯锻曲拐压扁精整压扁精整

8、 热处理热处理 机加工机加工加热红套加热红套精加工精加工 拔拔 长长曲拐的制造曲拐的制造轴颈的制造轴颈的制造浇铸钢锭浇铸钢锭开坯成型开坯成型 锻造锻造 机加工机加工主轴毛坯主轴毛坯曲拐毛坯曲拐毛坯曲拐的组合曲拐的组合曲拐毛坯曲拐毛坯主轴毛坯主轴毛坯 曲拐形状复杂，曲拐形状复杂，尺寸大，是生产曲轴尺寸大，是生产曲轴的关键，实际上，半的关键，实际上，半组合曲轴毛坯的制造组合曲轴毛坯的制造关键就是曲拐毛坯的关键就是曲拐毛坯的锻造成形技术。锻造成形技术。曲轴锻造的核心技术曲轴锻造的核心技术电炉（用电炉（用0.5kg/T0.5kg/T铝终脱氧铝终脱氧) )钢包精炼炉（真空脱气钢包精炼炉（真空脱气1 1托

9、，底托，底吹氩搅拌，电极加热）吹氩搅拌，电极加热）钢水底注进中间包（不吹氩）钢水底注进中间包（不吹氩）真空浇注（真空度真空浇注（真空度0.50.5托以下，托以下，并吹氩打碎注流成液滴）并吹氩打碎注流成液滴）S34MnVS34MnV钢的冶铸工艺钢的冶铸工艺高高纯纯净净钢钢加热加热升温速度保温时间宽砧强压出坯宽砧强压出坯锻压比、压下量（WHF法）始锻温度、终锻温度、出坯尺寸弯曲成形弯曲成形弯曲温度、保温时间成形尺寸取样、检测取样、检测黑皮探伤（UT）取样、机械性能试验仿形切割及粗加工仿形切割及粗加工仿形切割、外形尺寸粗加工尺寸、UT、MT检验除应力回火除应力回火温度控制、保温时间仪表记录温度/时间

10、曲线性能热处理性能热处理按性能热处理工艺仪表记录温度/时间曲线热送热送钢锭由冶铸厂热送钢锭由冶铸厂热送至锻件厂至锻件厂曲拐毛坯的热加工工序曲拐弯锻工艺示意图曲拐弯锻工艺示意图 韩国斗山重工业技术研究院大型曲拐的弯锻过程进行了数值模拟，韩国斗山重工业技术研究院大型曲拐的弯锻过程进行了数值模拟，和红套过程进行了模拟。和红套过程进行了模拟。国外曲拐弯锻过程模拟的情况国外曲拐弯锻过程模拟的情况 两种不同的曲拐坯料图两种不同的曲拐坯料图不同坯料在弯锻不同坯料在弯锻时的受力情况时的受力情况坯料在弯锻过程的局部受力坯料在弯锻过程的局部受力状况状况不同坯料最终得到毛坯形状的比较不同坯料最终得到毛坯形状的比较

11、采用采用ABAQUS软件对曲软件对曲轴红套过程进行模拟轴红套过程进行模拟 由于锻压失败而报废的曲拐毛坯由于锻压失败而报废的曲拐毛坯 曲拐弯锻模拟的研究手段及步骤曲拐弯锻模拟的研究手段及步骤4.4.确定与工艺过程对应的模拟步骤，以及各步骤之确定与工艺过程对应的模拟步骤，以及各步骤之间的关系间的关系 1.1.测试材料测试材料S34MnV在高温不同应变速率下的应力应在高温不同应变速率下的应力应变曲线，建立材料的本构关系模型变曲线，建立材料的本构关系模型2.2.建立实体模型，选取合适的单元类型对实体进行建立实体模型，选取合适的单元类型对实体进行网格剖分，网格剖分，3.3.确定模具与工件之间的接触传热及

12、摩擦边界条件，确定模具与工件之间的接触传热及摩擦边界条件，对模具及工件施加载荷对模具及工件施加载荷5.5.开始计算，并将计算结果可视化，分析弯锻后曲开始计算，并将计算结果可视化，分析弯锻后曲拐的塑性流动机制及各场量演化情况拐的塑性流动机制及各场量演化情况 对对S34MnV进行的力学性能实验进行的力学性能实验 2220.50()() 1 exp() sssspnssssdsppek30.17992.9arcsinh(2.81 10)ssZ40.20892.9arcsinh(9.14 10)dsZ0.1954103exp( 2.021 10 /)RT 0.091431.123exp(9.138 1

13、0 /)nRT0.11742.797exp(3.714 10 /)kRT30.1262.77 10pZPredicted DataExperimental DataS34MnV钢在钢在1100不同应变速率下的应不同应变速率下的应力应变曲线力应变曲线(实验值与预测值比较实验值与预测值比较)StrainStress(MPa) 第一种工艺方案第一种工艺方案 方案一采用的模具和坯料方案一采用的模具和坯料 曲拐的弯锻与精整过程的模拟曲拐的弯锻与精整过程的模拟第一种方案工艺条件第一种方案工艺条件v弯锻过程温度为弯锻过程温度为1100。v锻造的工艺流程为锻造的工艺流程为:对正对正 弯锻弯锻 开口压至开口压至

14、1.5m 插入舌板插入舌板 精整。精整。v上模匀速运动，速度为上模匀速运动，速度为50mm/s，弯锻时坯料刚，弯锻时坯料刚刚接触下模时上模即停止运动，上模的的行程约刚接触下模时上模即停止运动，上模的的行程约为为0.8m。曲拐和模具的网格划分情况曲拐和模具的网格划分情况 在在ABAQUS/CAE有有限元软件模块中建立坯限元软件模块中建立坯料和模具的实体模型。料和模具的实体模型。针对坯料的外形特征以针对坯料的外形特征以及与模具的接触条件对及与模具的接触条件对实体进行了不同密度的实体进行了不同密度的网格剖分，采用线性减网格剖分，采用线性减缩积分单元缩积分单元C3D8RT，以适应该变形的大的网以适应该

15、变形的大的网格旋转和扭曲特征。格旋转和扭曲特征。坯料与模具的基本热物性参数坯料与模具的基本热物性参数ParameterWorkpieceMould, W/(mK)4535, kg/m378007800C, J/(kgK)440450h, W/(m2K)430.90.8 Note: hConvective heat transfer coefficient; Emissivity7W/MW/M=100002 10Kd 界面换热系数界面换热系数摩擦系数摩擦系数 坯料与下模之间采用石墨润滑，摩擦系数为坯料与下模之间采用石墨润滑，摩擦系数为 0.05，上模与坯料之间的摩擦系数为，上模与坯料之间的摩擦系

16、数为0.15 dW/M模具与坯料之间的接触缝隙模具与坯料之间的接触缝隙 曲拐弯锻过程模拟结果曲拐弯锻过程模拟结果(d)(c)(b)(a)弯曲结束时曲拐的应力场、应变场、应变速度场和温度场的分布弯曲结束时曲拐的应力场、应变场、应变速度场和温度场的分布 曲拐与模具的接触情况分析曲拐与模具的接触情况分析 下模的温度场演化情况下模的温度场演化情况 曲臂外侧贴曲臂外侧贴模情况表现为两模情况表现为两侧贴模紧密，中侧贴模紧密，中间贴模不牢，曲间贴模不牢，曲臂的外侧形成向臂的外侧形成向内凹的曲面。造内凹的曲面。造成贴模面积减小，成贴模面积减小，导致了局部的应导致了局部的应力集中。力集中。 喇叭口喇叭口 在弯锻

17、过程中，在弯锻过程中，弯弯曲部位曲部位内表面材质向两内表面材质向两侧凸起，这部分堆积的侧凸起，这部分堆积的材质阻碍弯曲部位材质材质阻碍弯曲部位材质的正常流动，内表面的的正常流动，内表面的压应力使得凸起部分的压应力使得凸起部分的流动方向逐渐偏向两侧流动方向逐渐偏向两侧的贴模方向，而不是完的贴模方向，而不是完全沿着全沿着曲臂曲臂方向，这样方向，这样就造成曲臂根部的横截就造成曲臂根部的横截面尺寸减小，在最终精面尺寸减小，在最终精整后形成整后形成“喇叭口喇叭口”形形状的缺陷。状的缺陷。 喇叭口缺陷的产生(a) (a) 冲头行程为冲头行程为0.80m0.80m时坯料的状态时坯料的状态(b) (b) 弯锻

18、后坯料的尺寸弯锻后坯料的尺寸(d) 图图213 冲头冲头行程为行程为0.80m时时b-b剖面尺寸图剖面尺寸图（c）冲头行程为）冲头行程为0.80m时时a-a剖面尺剖面尺寸图寸图(e) 弯锻后将开口压至约弯锻后将开口压至约1.5m (f) 插入舌板后开始精整插入舌板后开始精整(g) 精整前坯料尺寸精整前坯料尺寸 (h)精整过程中坯料的形状精整过程中坯料的形状(i) 精整完毕 (j) 精整后坯料轮廓图 精整完后坯料精整完后坯料a-a剖面曲柄部位尺寸剖面曲柄部位尺寸 精整后曲拐精整后曲拐b-b剖面尺寸图剖面尺寸图精整后曲拐正面尺寸精整后曲拐正面尺寸 精整后曲拐侧面尺寸精整后曲拐侧面尺寸实际弯锻加工后

19、曲拐尺寸简图实际弯锻加工后曲拐尺寸简图图224 冲头行程为0.7865m时应力分布图 图225 冲头行程为0.7865m时还原成初始尺寸图 “细腰”形缺陷的产生由于曲臂与下模之间存在由于曲臂与下模之间存在较大的摩擦力，使得外表较大的摩擦力，使得外表面沿曲臂方向伸长，其变面沿曲臂方向伸长，其变形过程类似单向拉伸实验，形过程类似单向拉伸实验，当塑性变形较大时，在中当塑性变形较大时，在中间部位发生颈缩，曲臂外间部位发生颈缩，曲臂外表面受两向或三向拉应力表面受两向或三向拉应力作用，这样就形成了作用，这样就形成了 “细细腰腰”形缺陷。形缺陷。(a)曲拐曲拐内表面内表面典型典型位置的主应变张量位置的主应变

20、张量(b)曲拐曲拐内表面内表面典型位典型位置的主应力张量置的主应力张量 裂纹缺陷的产生弯曲部位内表面的静水压和表面拉弯曲部位内表面的静水压和表面拉/压应力情况压应力情况 曲拐内表面受两向压应力作曲拐内表面受两向压应力作用而造成表面积减小，表面已氧用而造成表面积减小，表面已氧化的金属汇合在一起易形成折叠，化的金属汇合在一起易形成折叠，使金属的承载面积减小，造成应使金属的承载面积减小，造成应力集中，而该位置的单元在垂直力集中，而该位置的单元在垂直表面方向发生拉伸变形，材质向表面方向发生拉伸变形，材质向弯曲方向外侧流动，因此有可能弯曲方向外侧流动，因此有可能将折叠从表层带入坯料内部，折将折叠从表层带

21、入坯料内部，折叠尾端有可能会扩展成裂纹。叠尾端有可能会扩展成裂纹。(a)曲拐曲拐侧面侧面典型位置的主应变张量典型位置的主应变张量(b)曲拐曲拐侧面侧面典型位置的主应力张量典型位置的主应力张量 裂纹缺陷的产生弯曲部位内表面的静水压和表面拉弯曲部位内表面的静水压和表面拉/压应力情况压应力情况 靠近内表面单元靠近内表面单元2231受拉受拉应力作用，其值不断增大，由应力作用，其值不断增大，由于该位置在变形过程中不断向于该位置在变形过程中不断向外侧凸起，形成外侧凸起，形成“鼓肚鼓肚”，因，因此一旦有表面裂纹产生，将在此一旦有表面裂纹产生，将在拉应力的作用下迅速向内部扩拉应力的作用下迅速向内部扩展，扩展的

22、方向垂直于外侧表展，扩展的方向垂直于外侧表面；靠近外表面单元面；靠近外表面单元2319在变在变形初期受到较大拉应力作用，形初期受到较大拉应力作用，以后由于外表面单元贴模而使以后由于外表面单元贴模而使其拉应力减小。其拉应力减小。(a)曲拐曲拐外表面外表面典型位置的主应变张量典型位置的主应变张量(b)曲拐曲拐外表面外表面典型位置的主应力张量典型位置的主应力张量 裂纹缺陷的产生弯曲部位内表面的静水压和表面拉弯曲部位内表面的静水压和表面拉/压应力情况压应力情况 曲拐外表面由于与下模接触，曲拐外表面由于与下模接触，致使温度降低，塑性下降，单元致使温度降低，塑性下降，单元受两向或三向拉应力作用。当弯受两向

23、或三向拉应力作用。当弯曲进行到曲进行到810s左右时，单元左右时，单元3257和和3389的静水压均出现极小的静水压均出现极小值，说明此时该位置与下模接触值，说明此时该位置与下模接触最紧密。值得注意的是，单元最紧密。值得注意的是，单元3389出现极小值的时间较单元出现极小值的时间较单元3257早，这说明边缘位置单元较早，这说明边缘位置单元较中心位置单元贴模早，到后期两中心位置单元贴模早，到后期两个位置的贴模程度才逐渐趋于一个位置的贴模程度才逐渐趋于一致。致。 由以上分析可知，曲臂外表面由于由以上分析可知，曲臂外表面由于温度降低，并受较大的拉应力作用，塑温度降低，并受较大的拉应力作用，塑性较差，

24、产生裂纹的危险最大；曲臂侧性较差，产生裂纹的危险最大；曲臂侧面由于形成鼓肚，表面受拉应力，一旦面由于形成鼓肚，表面受拉应力，一旦形成裂纹，则很容易扩展；曲臂内表面形成裂纹，则很容易扩展；曲臂内表面受三向压应力作用，塑性较好，不易产受三向压应力作用，塑性较好，不易产生裂纹。生裂纹。 裂纹缺陷的产生第一种工艺方案的实验研究第一种工艺方案的实验研究 曲拐的解剖图曲拐的解剖图 方案一模拟的结论方案一模拟的结论1）弯锻前毛坯的形状及尺寸分配是决定最终产品好坏的最重要因素。锻弯锻前毛坯的形状及尺寸分配是决定最终产品好坏的最重要因素。锻前毛坯各个部位的体积分配直接影响着弯锻过程材质的流动方向。前毛坯各个部位

25、的体积分配直接影响着弯锻过程材质的流动方向。2 2）通过对曲拐上严重塑性变形区域内受力情况的细致分析，得到了弯锻）通过对曲拐上严重塑性变形区域内受力情况的细致分析，得到了弯锻过程的应力应变场。将曲拐的变形分为三个区域，即曲臂末端部分、曲臂过程的应力应变场。将曲拐的变形分为三个区域，即曲臂末端部分、曲臂与曲柄销连接部分和曲柄销部分，系统地研究了曲拐的塑性流动机理。与曲柄销连接部分和曲柄销部分，系统地研究了曲拐的塑性流动机理。 3 3）详细分析了曲拐与模具的接触情况，发现曲臂外侧与下模的贴模情况）详细分析了曲拐与模具的接触情况，发现曲臂外侧与下模的贴模情况为：边缘部位发生贴模时，中心部位尚未贴模，

26、曲臂外表面为向内凹的曲为：边缘部位发生贴模时，中心部位尚未贴模，曲臂外表面为向内凹的曲面。曲臂外侧的变形情况类似拉伸实验的颈缩，产生了面。曲臂外侧的变形情况类似拉伸实验的颈缩，产生了“细腰细腰”形缺陷。形缺陷。 4 4）曲臂表面在弯曲的过程中由于材质堆积而向两侧流动，造成两侧）曲臂表面在弯曲的过程中由于材质堆积而向两侧流动，造成两侧“鼓鼓肚肚”和和“喇叭口喇叭口”缺陷的产生，经过精整后喇叭口缺陷依然存在，造成曲缺陷的产生，经过精整后喇叭口缺陷依然存在，造成曲拐内侧开档尺寸不足。拐内侧开档尺寸不足。 5 5）通过对曲拐上典型位置单元的静水压和表面拉）通过对曲拐上典型位置单元的静水压和表面拉/ /

27、压应力的演化情况分析，压应力的演化情况分析，预测了不同位置的裂纹产生倾向，发现弯曲部位的外表面边缘和侧面预测了不同位置的裂纹产生倾向，发现弯曲部位的外表面边缘和侧面鼓肚鼓肚部位是裂纹最容易产生的位置部位是裂纹最容易产生的位置。 改进方案的提出改进方案的提出 由以上分析可知，锻前毛坯的形状以及毛坯与模具的接触情由以上分析可知，锻前毛坯的形状以及毛坯与模具的接触情况是决定产品最终好坏的关键因素。针对该工艺条件下出现的况是决定产品最终好坏的关键因素。针对该工艺条件下出现的“细腰细腰”、“喇叭口喇叭口”、“裂纹裂纹”等缺陷，提出改进性方案如下：等缺陷，提出改进性方案如下：(1)对于出现的对于出现的“鼓

28、肚鼓肚”和和“喇叭口喇叭口”问题，可通过减小毛坯中部问题，可通过减小毛坯中部的的 尺尺 寸来解决，这样可以减轻弯曲过程中材质的堆积，使金属流寸来解决，这样可以减轻弯曲过程中材质的堆积，使金属流动顺利进行。动顺利进行。(2)对于出现的对于出现的“细腰细腰”和贴模不均的问题，可通过改善毛坯与下和贴模不均的问题，可通过改善毛坯与下模的接触条件来解决。如改进下面的形状，将曲臂外表面事先锻模的接触条件来解决。如改进下面的形状，将曲臂外表面事先锻成拱形，这样可使贴模更为均匀，减轻应力集中。成拱形，这样可使贴模更为均匀，减轻应力集中。(3)对于出现的裂纹问题，可通过提高锻钢的质量，降低毛坯中的对于出现的裂纹

29、问题，可通过提高锻钢的质量，降低毛坯中的夹杂物来减轻或消除。夹杂物来减轻或消除。 改进的毛坯改进的毛坯 改进的工艺方案改进的工艺方案改进的上模改进的上模冲头行程为冲头行程为0.7865m0.7865m时应力分布时应力分布 冲头行程为冲头行程为0.7865m0.7865m时还原成初始尺寸图时还原成初始尺寸图 改进工艺方案改进工艺方案v弯锻过程初始温度为弯锻过程初始温度为1100，坯料内外温度均匀。，坯料内外温度均匀。 v锻造的工艺流程与第一种工艺方案一致。锻造的工艺流程与第一种工艺方案一致。v上模匀速运动，速度为上模匀速运动，速度为50mm/s，弯锻时坯料刚，弯锻时坯料刚 刚接触下模时即停止运动，上模头的行程约为刚接触下模时即停止运动，上模头的行程约为 0.83m。v从弯锻开始到精整完毕都是一火完成，时间总计从弯锻开始到精整完毕都是一火完成，时间总计 约约60s。改进工艺方案的模拟结果改进工艺方案的模拟结果冲头行程为冲头行程为0.83m时坯料的状态时坯料的状态 弯锻后坯料的尺寸弯锻后坯料的尺寸弯锻后将开口压至约弯锻后将开口压至约1.5