大型曲軸鍛造成形過程數值模擬與工藝試驗

文／宋彤，蔣鵬，賀小毛·北京機電研究所

大型曲軸鍛造成形過程數值模擬與工藝試驗

文／宋彤，蔣鵬，賀小毛·北京機電研究所

曲軸的鍛造工藝過程隨著曲軸材料、形狀和生產條件的不同而不同，利用QForm有限元模擬軟件可以有效地對金屬的流動規律進行模擬，并且發現其成形過程中的缺陷，為找到合理的成形工藝以及正確地設計模具和選擇設備提供依據。

曲軸一般以拐數、平衡塊數量和分模面走向來區分其種類，若以材料和毛坯成形方法來分類，則有鋼質模鍛曲軸和球墨鑄鐵澆鑄曲軸兩種。鋼質模鍛曲軸的最大優點是具有較高的彎曲疲勞強度，而且彎曲疲勞強度基本上與抗拉強度成正比；球墨鑄鐵澆鑄曲軸由于存在石墨孔穴、磷化物與合金元素的晶界偏析，因此其彎曲疲勞強度較低，而且不與抗拉強度成正比，雖然球墨鑄鐵也可通過添加合金元素及進行調質處理來提高抗拉強度，但彎曲疲勞強度并不會明顯提高。曲軸大部分是由于彎曲疲勞而損壞的，故近年來汽車曲軸由鑄改鍛的趨勢正越來越明顯，對曲軸的鍛造工藝進行研究具有重要的現實意義。曲軸的鍛造工藝過程一般包括制坯、預鍛、終鍛、切邊和校正，其隨著曲軸材料、形狀和生產條件的不同而不同，特別是各種輔助工藝，需要根據不同類型的曲軸、具體的生產條件和經驗來制定。QForm是俄羅斯Quantor公司基于有限元計算方法開發的鍛造模擬分析軟件，利用QForm的有限元模擬分析功能，可以有效地對金屬的流動規律進行模擬，并且發現其成形過程中的缺陷，為找到合理的成形工藝以及正確地設計模具和選擇設備提供依據。

零件的工藝分析

圖1 曲軸零件三維造型圖

本文所介紹的一種大型曲軸零件造型如圖1所示，曲軸總長1100mm，有6個拐、12個平衡塊，曲拐之間互成120°，主軸頸φ111mm，連桿頸φ97mm，模鍛斜度3°，材料為42CrMo。根據零件的扭轉方向和鍛件圖，設計出扭拐前的曲軸終鍛件造型，如圖2所示。

為了提高材料利用率，在預鍛之前采用輥鍛制坯。經過計算，可采用φ160mm×980mm、φ165mm×950mm、φ170mm×900mm三種規格的棒料進行鍛造。該曲軸的鍛造工藝過程確定如下：下料→加熱→輥鍛→預鍛→終鍛→切邊→扭拐→熱校正→調質處理。

圖2 扭拐前的曲軸終鍛件

成形過程的模擬分析

模擬方案工作內容：⑴使用QForm軟件對輥鍛→預鍛→終鍛整個鍛造工藝鏈進行模擬，發現模具設計中的問題并改進。⑵選擇合適的坯料規格，得到鍛造過程中的載荷曲線，為校核壓力機噸位提供參考。

將曲軸的鍛造過程分為輥鍛工步1、輥鍛工步2、預鍛工步和終鍛工步4個工步進行模擬，各個工步的模擬參數設置見表1。

輥鍛過程的數值模擬

以φ160mm的坯料為例，按照表1的參數進行模擬計算，得到如圖3所示的輥鍛件，可以看出，第2道次輥鍛后工件明顯不符合設計意圖，第1道次和第2道次輥鍛前后不對應。經回放模擬過程發現，在第2道次輥鍛進入第3段輥鍛區域的時候發生了打滑，導致輥鍛模的第3段已經走過，而模具還未與工件咬合，造成錯位。通過分析可知，這是因為輥鍛模第2道次第2段和第3段的過渡圓角半徑過大，造成坯料進入第3段模具的時候高度差不夠，第3段模具啃在凸圓角處，且因摩擦力過小，模具和坯料之間一直打滑。經修改把原來第2道次輥鍛模的凸圓角R60mm改為R15mm，凹圓角R35mm改為R20mm，如圖4所示。然后進行第2次模擬，得到了如圖5所示的優化后的第2道次輥鍛件。

圖3 φ160mm坯料的輥鍛件

圖4 第2道次輥鍛模修改示意圖

圖5 優化后的φ160mm坯料第2道次輥鍛件

■ 表1 各個工步的模擬參數設置

圖6 三種規格坯料的終鍛充滿情況

模鍛過程的數值模擬

QFrom軟件可以自動把上一工步的結果帶入下一工步中形成一個工藝鏈，所以進行模鍛數值模擬的時候只需要定義模具、工件在空氣中的冷卻時間、工件在模具上的等待時間、潤滑劑等參數即可。

按照實際情況設定的模擬參數如下：工件在空氣中的冷卻時間為3s、在預鍛模具中的冷卻時間為1s、由預鍛到終鍛工位的冷卻時間為1s、在終鍛模具中的冷卻時間為2s、潤滑為水基石墨潤滑劑(摩擦因子0.3）。

三種規格坯料終鍛充填情況的對比如圖6所示，由圖6可以看出，φ160mm坯料在終鍛時充填過差，φ165mm坯料在終鍛時完全充滿，φ170mm坯料在終鍛時也完全充滿。

載荷分析

預鍛過程的載荷—時間曲線如圖7所示，在第一階段，模具和坯料剛剛接觸，所需成形力較??；隨著上模向下移動進入第二階段，飛邊開始形成，金屬受約束開始向高度方向流動，所需成形力急劇增大；第三階段，型腔開始充滿，成形力穩步上升；之后進入第四階段，隨著飛邊減薄，成形力繼續增大，達到頂點。預鍛過程中最大成形力為86MN左右。

終鍛過程的載荷—時間曲線如圖8所示，在終鍛剛開始的時候，成形力緩慢上升，金屬鐓粗，處于充填模膛狀態，后來金屬被擠出模膛，在飛邊橋部金屬的流動阻力很大，成形力急劇上升，直至變形結束。終鍛過程中最大成形力為110MN左右。

圖7 預鍛過程的載荷—時間曲線

圖8 終鍛過程的載荷—時間曲線

■ 表2 部分試驗數據

試驗驗證

對三種規格坯料進行工藝試驗，由表2的試驗數據可以看出，預鍛壓力在90MN左右，終鍛壓力在110MN左右，除了個別坯料因鍛造溫度降低導致變形抗力變大外，其他的基本都符合QForm軟件的預鍛最大壓力在86MN左右、終鍛最大壓力在110MN左右的模擬結果，這說明使用QForm軟件進行鍛造模擬是準確的。工藝試驗過程中的輥鍛件、預鍛件、終鍛件及扭拐后的曲軸鍛件如圖9～12所示。

經熱處理、拋丸探傷、劃線檢測后發現，采用φ165mm×950mm、φ170mm×900mm的坯料進行鍛造均能得到符合尺寸要求的鍛件，φ165mm×950mm坯料的材料利用率為79.1%，φ170mm×900mm坯料的材料利用率為78.6%，最終確定使用φ165mm×950mm的坯料進行小批量試產。

圖9 輥鍛件

圖10 預鍛件

圖11 終鍛件

圖12 扭拐后的曲軸鍛件

結束語

實踐表明，更改后的輥鍛模能夠生產出合格的鍛件，實際生產中的鍛造力與模擬結果基本一致，三種規格坯料的充填模腔情況與模擬結果也基本一致，這證明數值模擬技術對現實生產具有重要的指導作用。

宋彤，助理工程師，主要研究方向為鍛造工藝、模架模具及鍛造過程數值模擬，擁有2項專利技術。