曲拐鍛造過程模擬與實驗研究

1、曲拐鍛造過程模擬與實驗研究曲拐鍛造過程模擬與實驗研究 塑性加工模擬的意義塑性加工模擬的意義塑性加工作為一種傳統(tǒng)的制造工藝，包括鍛造、沖壓、擠壓、塑性加工作為一種傳統(tǒng)的制造工藝，包括鍛造、沖壓、擠壓、拉拔、軋制及其他以材料發(fā)生永久變形為目的的材料加工技拉拔、軋制及其他以材料發(fā)生永久變形為目的的材料加工技術(shù)。術(shù)。( (1)1)使塑性加工由傳統(tǒng)的定性向定量化研究轉(zhuǎn)變，由技藝化向使塑性加工由傳統(tǒng)的定性向定量化研究轉(zhuǎn)變，由技藝化向科學(xué)化轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了塑性加工學(xué)科的重大轉(zhuǎn)變。科學(xué)化轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了塑性加工學(xué)科的重大轉(zhuǎn)變。(2)(2)實現(xiàn)了塑性成形過程的虛擬化，極大地降低了制造成本，實現(xiàn)了塑性成形過程的虛擬化，極

2、大地降低了制造成本，減少了試模損失，特別是在力保關(guān)鍵大件一次制造成功和大批減少了試模損失，特別是在力保關(guān)鍵大件一次制造成功和大批量生產(chǎn)毛坯件試模方面具有十分明顯的優(yōu)點。量生產(chǎn)毛坯件試模方面具有十分明顯的優(yōu)點。(3)(3)從制造角度解決了產(chǎn)品設(shè)計、成形工藝設(shè)計與成形模具設(shè)從制造角度解決了產(chǎn)品設(shè)計、成形工藝設(shè)計與成形模具設(shè)計的優(yōu)化問題，顯著提高了產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量。計的優(yōu)化問題，顯著提高了產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量。數(shù)值模擬技術(shù)在塑性加工中的應(yīng)用已有數(shù)值模擬技術(shù)在塑性加工中的應(yīng)用已有3030多年的歷史。多年的歷史。目前，在成形過程模擬方面，溫度和變形耦合模擬都已目前，在成形過程模擬方面，溫度和變形耦合模擬都已基本

3、成熟，二維軟件在塑性成形中已得到廣泛的應(yīng)用，基本成熟，二維軟件在塑性成形中已得到廣泛的應(yīng)用，而三維軟件也正在為人們接受。數(shù)值模擬技術(shù)已應(yīng)用到而三維軟件也正在為人們接受。數(shù)值模擬技術(shù)已應(yīng)用到體積成形、板料成形以及當(dāng)前塑性成形的前沿領(lǐng)域體積成形、板料成形以及當(dāng)前塑性成形的前沿領(lǐng)域 微成形和鎂、鋁、鈦等難變形輕合金的成形微成形和鎂、鋁、鈦等難變形輕合金的成形。塑性加工計算機(jī)模擬發(fā)展概況塑性加工計算機(jī)模擬發(fā)展概況 力學(xué)本構(gòu)模型力學(xué)本構(gòu)模型l彈塑性模型彈塑性模型l剛塑性模型剛塑性模型l剛粘塑性模型剛粘塑性模型l彈粘塑性模型彈粘塑性模型關(guān)鍵技術(shù)和難點關(guān)鍵技術(shù)和難點模具結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)描述模具結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)描述摩擦邊

4、界條件處理摩擦邊界條件處理動態(tài)接觸邊界的處理動態(tài)接觸邊界的處理網(wǎng)格劃分和重化分的處理網(wǎng)格劃分和重化分的處理材料的高度非線性、幾何非線性、邊界條件高度非線性材料的高度非線性、幾何非線性、邊界條件高度非線性塑性加工模擬軟件塑性加工模擬軟件大致可以分為兩類一類是將通用有限元軟件的功能擴(kuò)充后用大致可以分為兩類一類是將通用有限元軟件的功能擴(kuò)充后用于塑性成形過程模擬如集成了于塑性成形過程模擬如集成了LS-DYNA3D 和和LS-NIKE3D 后的后的ANSYS 和和ABAQUS 等等 Marc另一類是專門為塑性成形模擬開發(fā)的軟件如主要用于體積成另一類是專門為塑性成形模擬開發(fā)的軟件如主要用于體積成形和熱處理

5、分析的形和熱處理分析的DEFORM、 QFORM;用于沖壓成形包括用于沖壓成形包括液壓脹形模擬的液壓脹形模擬的DYNAFORM AutoForm PAM-STAMP OPTRIS.曲軸曲軸韓國斗山公司生產(chǎn)的半組合式曲軸（單個曲拐即重韓國斗山公司生產(chǎn)的半組合式曲軸（單個曲拐即重50噸噸） 目前國外能夠生產(chǎn)大型船用低速柴油機(jī)主機(jī)曲軸的國家主要有日本、韓國、捷克、西班牙、俄羅斯等少數(shù)幾個國家。近年來全球曲軸產(chǎn)量在每年600根左右，其中日、韓兩國的產(chǎn)品約占80，國內(nèi)的上海船用曲軸有限公司于2005年初制造了第一根真正意義上的國產(chǎn)化半組合式曲軸。 以現(xiàn)有的造船擴(kuò)張能力看，2010年中國需要300根曲軸，

6、2015年需要420根曲軸，市場缺口很大。60機(jī)曲軸價格在600萬元左右。國內(nèi)外船用曲軸的生產(chǎn)及需求情況國內(nèi)外船用曲軸的生產(chǎn)及需求情況HYUNDAI 韓國現(xiàn)代重工生韓國現(xiàn)代重工生產(chǎn)的船用柴油機(jī)曲產(chǎn)的船用柴油機(jī)曲軸目前在國際市場軸目前在國際市場上占有份額為上占有份額為35%，年產(chǎn)量為年產(chǎn)量為200多根曲多根曲軸?，F(xiàn)代重工于軸?，F(xiàn)代重工于1985年涉足于曲軸年涉足于曲軸生產(chǎn)領(lǐng)域，現(xiàn)在可生產(chǎn)領(lǐng)域，現(xiàn)在可以生產(chǎn)用于以生產(chǎn)用于l萬萬TEU級集裝箱船柴油主級集裝箱船柴油主機(jī)的大型曲軸機(jī)的大型曲軸 韓國斗山重工韓國斗山重工20032003年年的曲軸產(chǎn)量已達(dá)的曲軸產(chǎn)量已達(dá)140140多多根，根，2004200

7、4年的曲軸產(chǎn)量年的曲軸產(chǎn)量要達(dá)到要達(dá)到160160多根，多根，20052005年要上升到年要上升到180180多根，多根，爭取進(jìn)入世界第二位，爭取進(jìn)入世界第二位，并力爭在并力爭在2006-20072006-2007年年摘取世界船用柴油機(jī)曲摘取世界船用柴油機(jī)曲軸生產(chǎn)企業(yè)的軸生產(chǎn)企業(yè)的“王冠王冠”。DOSSAN日本JCFC公司鍛造的214噸、14.270米長的半組合式曲軸JCFC 日本日本JSWJSW公司公司鍛造的十鍛造的十缸柴油缸柴油發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)曲軸曲軸JSW半組合式曲軸的制造工藝過程半組合式曲軸的制造工藝過程： 澆鑄鋼錠澆鑄鋼錠頂鍛鐓粗頂鍛鐓粗開坯成型開坯成型 彎鍛曲拐彎鍛曲拐壓扁精整壓扁精整

8、 熱處理熱處理 機(jī)加工機(jī)加工加熱紅套加熱紅套精加工精加工 拔拔 長長曲拐的制造曲拐的制造軸頸的制造軸頸的制造澆鑄鋼錠澆鑄鋼錠開坯成型開坯成型 鍛造鍛造 機(jī)加工機(jī)加工主軸毛坯主軸毛坯曲拐毛坯曲拐毛坯曲拐的組合曲拐的組合曲拐毛坯曲拐毛坯主軸毛坯主軸毛坯 曲拐形狀復(fù)雜，曲拐形狀復(fù)雜，尺寸大，是生產(chǎn)曲軸尺寸大，是生產(chǎn)曲軸的關(guān)鍵，實際上，半的關(guān)鍵，實際上，半組合曲軸毛坯的制造組合曲軸毛坯的制造關(guān)鍵就是曲拐毛坯的關(guān)鍵就是曲拐毛坯的鍛造成形技術(shù)。鍛造成形技術(shù)。曲軸鍛造的核心技術(shù)曲軸鍛造的核心技術(shù)電爐（用電爐（用0.5kg/T0.5kg/T鋁終脫氧鋁終脫氧) )鋼包精煉爐（真空脫氣鋼包精煉爐（真空脫氣1 1托

9、，底托，底吹氬攪拌，電極加熱）吹氬攪拌，電極加熱）鋼水底注進(jìn)中間包（不吹氬）鋼水底注進(jìn)中間包（不吹氬）真空澆注（真空度真空澆注（真空度0.50.5托以下，托以下，并吹氬打碎注流成液滴）并吹氬打碎注流成液滴）S34MnVS34MnV鋼的冶鑄工藝鋼的冶鑄工藝高高純純凈凈鋼鋼加熱加熱升溫速度保溫時間寬砧強(qiáng)壓出坯寬砧強(qiáng)壓出坯鍛壓比、壓下量（WHF法）始鍛溫度、終鍛溫度、出坯尺寸彎曲成形彎曲成形彎曲溫度、保溫時間成形尺寸取樣、檢測取樣、檢測黑皮探傷（UT）取樣、機(jī)械性能試驗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檢驗除應(yīng)力回火除應(yīng)力回火溫度控制、保溫時間儀表記錄溫度/時間

10、曲線性能熱處理性能熱處理按性能熱處理工藝儀表記錄溫度/時間曲線熱送熱送鋼錠由冶鑄廠熱送鋼錠由冶鑄廠熱送至鍛件廠至鍛件廠曲拐毛坯的熱加工工序曲拐彎鍛工藝示意圖曲拐彎鍛工藝示意圖 韓國斗山重工業(yè)技術(shù)研究院大型曲拐的彎鍛過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，韓國斗山重工業(yè)技術(shù)研究院大型曲拐的彎鍛過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，和紅套過程進(jìn)行了模擬。和紅套過程進(jìn)行了模擬。國外曲拐彎鍛過程模擬的情況國外曲拐彎鍛過程模擬的情況 兩種不同的曲拐坯料圖兩種不同的曲拐坯料圖不同坯料在彎鍛不同坯料在彎鍛時的受力情況時的受力情況坯料在彎鍛過程的局部受力坯料在彎鍛過程的局部受力狀況狀況不同坯料最終得到毛坯形狀的比較不同坯料最終得到毛坯形狀的比較

11、采用采用ABAQUS軟件對曲軟件對曲軸紅套過程進(jìn)行模擬軸紅套過程進(jìn)行模擬 由于鍛壓失敗而報廢的曲拐毛坯由于鍛壓失敗而報廢的曲拐毛坯 曲拐彎鍛模擬的研究手段及步驟曲拐彎鍛模擬的研究手段及步驟4.4.確定與工藝過程對應(yīng)的模擬步驟，以及各步驟之確定與工藝過程對應(yīng)的模擬步驟，以及各步驟之間的關(guān)系間的關(guān)系 1.1.測試材料測試材料S34MnV在高溫不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力應(yīng)在高溫不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，建立材料的本構(gòu)關(guān)系模型變曲線，建立材料的本構(gòu)關(guān)系模型2.2.建立實體模型，選取合適的單元類型對實體進(jìn)行建立實體模型，選取合適的單元類型對實體進(jìn)行網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格剖分，3.3.確定模具與工件之間的接觸傳熱及

12、摩擦邊界條件，確定模具與工件之間的接觸傳熱及摩擦邊界條件，對模具及工件施加載荷對模具及工件施加載荷5.5.開始計算，并將計算結(jié)果可視化，分析彎鍛后曲開始計算，并將計算結(jié)果可視化，分析彎鍛后曲拐的塑性流動機(jī)制及各場量演化情況拐的塑性流動機(jī)制及各場量演化情況 對對S34MnV進(jìn)行的力學(xué)性能實驗進(jìn)行的力學(xué)性能實驗 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鋼在鋼在1100不同應(yīng)變速率下的應(yīng)不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線力應(yīng)變曲線(實驗值與預(yù)測值比較實驗值與預(yù)測值比較)StrainStress(MPa) 第一種工藝方案第一種工藝方案 方案一采用的模具和坯料方案一采用的模具和坯料 曲拐的彎鍛與精整過程的模擬曲拐的彎鍛與精整過程的模擬第一種方案工藝條件第一種方案工藝條件v彎鍛過程溫度為彎鍛過程溫度為1100。v鍛造的工藝流程為鍛造的工藝流程為:對正對正 彎鍛彎鍛 開口壓至開口壓至

14、1.5m 插入舌板插入舌板 精整。精整。v上模勻速運(yùn)動，速度為上模勻速運(yùn)動，速度為50mm/s，彎鍛時坯料剛，彎鍛時坯料剛剛接觸下模時上模即停止運(yùn)動，上模的的行程約剛接觸下模時上模即停止運(yùn)動，上模的的行程約為為0.8m。曲拐和模具的網(wǎng)格劃分情況曲拐和模具的網(wǎng)格劃分情況 在在ABAQUS/CAE有有限元軟件模塊中建立坯限元軟件模塊中建立坯料和模具的實體模型。料和模具的實體模型。針對坯料的外形特征以針對坯料的外形特征以及與模具的接觸條件對及與模具的接觸條件對實體進(jìn)行了不同密度的實體進(jìn)行了不同密度的網(wǎng)格剖分，采用線性減網(wǎng)格剖分，采用線性減縮積分單元縮積分單元C3D8RT，以適應(yīng)該變形的大的網(wǎng)以適應(yīng)該

15、變形的大的網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)和扭曲特征。格旋轉(zhuǎn)和扭曲特征。坯料與模具的基本熱物性參數(shù)坯料與模具的基本熱物性參數(shù)ParameterWorkpieceMould, W/(mK)4535, kg/m378007800C, J/(kgK)440450h, W/(m2K)430.90.8 Note: hConvective heat transfer coefficient; Emissivity7W/MW/M=100002 10Kd 界面換熱系數(shù)界面換熱系數(shù)摩擦系數(shù)摩擦系數(shù) 坯料與下模之間采用石墨潤滑，摩擦系數(shù)為坯料與下模之間采用石墨潤滑，摩擦系數(shù)為 0.05，上模與坯料之間的摩擦系數(shù)為，上模與坯料之間的摩擦系

16、數(shù)為0.15 dW/M模具與坯料之間的接觸縫隙模具與坯料之間的接觸縫隙 曲拐彎鍛過程模擬結(jié)果曲拐彎鍛過程模擬結(jié)果(d)(c)(b)(a)彎曲結(jié)束時曲拐的應(yīng)力場、應(yīng)變場、應(yīng)變速度場和溫度場的分布彎曲結(jié)束時曲拐的應(yīng)力場、應(yīng)變場、應(yīng)變速度場和溫度場的分布 曲拐與模具的接觸情況分析曲拐與模具的接觸情況分析 下模的溫度場演化情況下模的溫度場演化情況 曲臂外側(cè)貼曲臂外側(cè)貼模情況表現(xiàn)為兩模情況表現(xiàn)為兩側(cè)貼模緊密，中側(cè)貼模緊密，中間貼模不牢，曲間貼模不牢，曲臂的外側(cè)形成向臂的外側(cè)形成向內(nèi)凹的曲面。造內(nèi)凹的曲面。造成貼模面積減小，成貼模面積減小，導(dǎo)致了局部的應(yīng)導(dǎo)致了局部的應(yīng)力集中。力集中。 喇叭口喇叭口 在彎鍛

17、過程中，在彎鍛過程中，彎彎曲部位曲部位內(nèi)表面材質(zhì)向兩內(nèi)表面材質(zhì)向兩側(cè)凸起，這部分堆積的側(cè)凸起，這部分堆積的材質(zhì)阻礙彎曲部位材質(zhì)材質(zhì)阻礙彎曲部位材質(zhì)的正常流動，內(nèi)表面的的正常流動，內(nèi)表面的壓應(yīng)力使得凸起部分的壓應(yīng)力使得凸起部分的流動方向逐漸偏向兩側(cè)流動方向逐漸偏向兩側(cè)的貼模方向，而不是完的貼模方向，而不是完全沿著全沿著曲臂曲臂方向，這樣方向，這樣就造成曲臂根部的橫截就造成曲臂根部的橫截面尺寸減小，在最終精面尺寸減小，在最終精整后形成整后形成“喇叭口喇叭口”形形狀的缺陷。狀的缺陷。 喇叭口缺陷的產(chǎn)生(a) (a) 沖頭行程為沖頭行程為0.80m0.80m時坯料的狀態(tài)時坯料的狀態(tài)(b) (b) 彎鍛

18、后坯料的尺寸彎鍛后坯料的尺寸(d) 圖圖213 沖頭沖頭行程為行程為0.80m時時b-b剖面尺寸圖剖面尺寸圖（c）沖頭行程為）沖頭行程為0.80m時時a-a剖面尺剖面尺寸圖寸圖(e) 彎鍛后將開口壓至約彎鍛后將開口壓至約1.5m (f) 插入舌板后開始精整插入舌板后開始精整(g) 精整前坯料尺寸精整前坯料尺寸 (h)精整過程中坯料的形狀精整過程中坯料的形狀(i) 精整完畢 (j) 精整后坯料輪廓圖 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剖面尺寸圖剖面尺寸圖精整后曲拐正面尺寸精整后曲拐正面尺寸 精整后曲拐側(cè)面尺寸精整后曲拐側(cè)面尺寸實際彎鍛加工后

19、曲拐尺寸簡圖實際彎鍛加工后曲拐尺寸簡圖圖224 沖頭行程為0.7865m時應(yīng)力分布圖 圖225 沖頭行程為0.7865m時還原成初始尺寸圖 “細(xì)腰”形缺陷的產(chǎn)生由于曲臂與下模之間存在由于曲臂與下模之間存在較大的摩擦力，使得外表較大的摩擦力，使得外表面沿曲臂方向伸長，其變面沿曲臂方向伸長，其變形過程類似單向拉伸實驗，形過程類似單向拉伸實驗，當(dāng)塑性變形較大時，在中當(dāng)塑性變形較大時，在中間部位發(fā)生頸縮，曲臂外間部位發(fā)生頸縮，曲臂外表面受兩向或三向拉應(yīng)力表面受兩向或三向拉應(yīng)力作用，這樣就形成了作用，這樣就形成了 “細(xì)細(xì)腰腰”形缺陷。形缺陷。(a)曲拐曲拐內(nèi)表面內(nèi)表面典型典型位置的主應(yīng)變張量位置的主應(yīng)變

20、張量(b)曲拐曲拐內(nèi)表面內(nèi)表面典型位典型位置的主應(yīng)力張量置的主應(yīng)力張量 裂紋缺陷的產(chǎn)生彎曲部位內(nèi)表面的靜水壓和表面拉彎曲部位內(nèi)表面的靜水壓和表面拉/壓應(yīng)力情況壓應(yīng)力情況 曲拐內(nèi)表面受兩向壓應(yīng)力作曲拐內(nèi)表面受兩向壓應(yīng)力作用而造成表面積減小，表面已氧用而造成表面積減小，表面已氧化的金屬匯合在一起易形成折疊，化的金屬匯合在一起易形成折疊，使金屬的承載面積減小，造成應(yīng)使金屬的承載面積減小，造成應(yīng)力集中，而該位置的單元在垂直力集中，而該位置的單元在垂直表面方向發(fā)生拉伸變形，材質(zhì)向表面方向發(fā)生拉伸變形，材質(zhì)向彎曲方向外側(cè)流動，因此有可能彎曲方向外側(cè)流動，因此有可能將折疊從表層帶入坯料內(nèi)部，折將折疊從表層帶

21、入坯料內(nèi)部，折疊尾端有可能會擴(kuò)展成裂紋。疊尾端有可能會擴(kuò)展成裂紋。(a)曲拐曲拐側(cè)面?zhèn)让娴湫臀恢玫闹鲬?yīng)變張量典型位置的主應(yīng)變張量(b)曲拐曲拐側(cè)面?zhèn)让娴湫臀恢玫闹鲬?yīng)力張量典型位置的主應(yīng)力張量 裂紋缺陷的產(chǎn)生彎曲部位內(nèi)表面的靜水壓和表面拉彎曲部位內(nèi)表面的靜水壓和表面拉/壓應(yīng)力情況壓應(yīng)力情況 靠近內(nèi)表面單元靠近內(nèi)表面單元2231受拉受拉應(yīng)力作用，其值不斷增大，由應(yīng)力作用，其值不斷增大，由于該位置在變形過程中不斷向于該位置在變形過程中不斷向外側(cè)凸起，形成外側(cè)凸起，形成“鼓肚鼓肚”，因，因此一旦有表面裂紋產(chǎn)生，將在此一旦有表面裂紋產(chǎn)生，將在拉應(yīng)力的作用下迅速向內(nèi)部擴(kuò)拉應(yīng)力的作用下迅速向內(nèi)部擴(kuò)展，擴(kuò)展的

22、方向垂直于外側(cè)表展，擴(kuò)展的方向垂直于外側(cè)表面；靠近外表面單元面；靠近外表面單元2319在變在變形初期受到較大拉應(yīng)力作用，形初期受到較大拉應(yīng)力作用，以后由于外表面單元貼模而使以后由于外表面單元貼模而使其拉應(yīng)力減小。其拉應(yīng)力減小。(a)曲拐曲拐外表面外表面典型位置的主應(yīng)變張量典型位置的主應(yīng)變張量(b)曲拐曲拐外表面外表面典型位置的主應(yīng)力張量典型位置的主應(yīng)力張量 裂紋缺陷的產(chǎn)生彎曲部位內(nèi)表面的靜水壓和表面拉彎曲部位內(nèi)表面的靜水壓和表面拉/壓應(yīng)力情況壓應(yīng)力情況 曲拐外表面由于與下模接觸，曲拐外表面由于與下模接觸，致使溫度降低，塑性下降，單元致使溫度降低，塑性下降，單元受兩向或三向拉應(yīng)力作用。當(dāng)彎受兩向

23、或三向拉應(yīng)力作用。當(dāng)彎曲進(jìn)行到曲進(jìn)行到810s左右時，單元左右時，單元3257和和3389的靜水壓均出現(xiàn)極小的靜水壓均出現(xiàn)極小值，說明此時該位置與下模接觸值，說明此時該位置與下模接觸最緊密。值得注意的是，單元最緊密。值得注意的是，單元3389出現(xiàn)極小值的時間較單元出現(xiàn)極小值的時間較單元3257早，這說明邊緣位置單元較早，這說明邊緣位置單元較中心位置單元貼模早，到后期兩中心位置單元貼模早，到后期兩個位置的貼模程度才逐漸趨于一個位置的貼模程度才逐漸趨于一致。致。 由以上分析可知，曲臂外表面由于由以上分析可知，曲臂外表面由于溫度降低，并受較大的拉應(yīng)力作用，塑溫度降低，并受較大的拉應(yīng)力作用，塑性較差，

24、產(chǎn)生裂紋的危險最大；曲臂側(cè)性較差，產(chǎn)生裂紋的危險最大；曲臂側(cè)面由于形成鼓肚，表面受拉應(yīng)力，一旦面由于形成鼓肚，表面受拉應(yīng)力，一旦形成裂紋，則很容易擴(kuò)展；曲臂內(nèi)表面形成裂紋，則很容易擴(kuò)展；曲臂內(nèi)表面受三向壓應(yīng)力作用，塑性較好，不易產(chǎn)受三向壓應(yīng)力作用，塑性較好，不易產(chǎn)生裂紋。生裂紋。 裂紋缺陷的產(chǎn)生第一種工藝方案的實驗研究第一種工藝方案的實驗研究 曲拐的解剖圖曲拐的解剖圖 方案一模擬的結(jié)論方案一模擬的結(jié)論1）彎鍛前毛坯的形狀及尺寸分配是決定最終產(chǎn)品好壞的最重要因素。鍛彎鍛前毛坯的形狀及尺寸分配是決定最終產(chǎn)品好壞的最重要因素。鍛前毛坯各個部位的體積分配直接影響著彎鍛過程材質(zhì)的流動方向。前毛坯各個部位

25、的體積分配直接影響著彎鍛過程材質(zhì)的流動方向。2 2）通過對曲拐上嚴(yán)重塑性變形區(qū)域內(nèi)受力情況的細(xì)致分析，得到了彎鍛）通過對曲拐上嚴(yán)重塑性變形區(qū)域內(nèi)受力情況的細(xì)致分析，得到了彎鍛過程的應(yīng)力應(yīng)變場。將曲拐的變形分為三個區(qū)域，即曲臂末端部分、曲臂過程的應(yīng)力應(yīng)變場。將曲拐的變形分為三個區(qū)域，即曲臂末端部分、曲臂與曲柄銷連接部分和曲柄銷部分，系統(tǒng)地研究了曲拐的塑性流動機(jī)理。與曲柄銷連接部分和曲柄銷部分，系統(tǒng)地研究了曲拐的塑性流動機(jī)理。 3 3）詳細(xì)分析了曲拐與模具的接觸情況，發(fā)現(xiàn)曲臂外側(cè)與下模的貼模情況）詳細(xì)分析了曲拐與模具的接觸情況，發(fā)現(xiàn)曲臂外側(cè)與下模的貼模情況為：邊緣部位發(fā)生貼模時，中心部位尚未貼模，

26、曲臂外表面為向內(nèi)凹的曲為：邊緣部位發(fā)生貼模時，中心部位尚未貼模，曲臂外表面為向內(nèi)凹的曲面。曲臂外側(cè)的變形情況類似拉伸實驗的頸縮，產(chǎn)生了面。曲臂外側(cè)的變形情況類似拉伸實驗的頸縮，產(chǎn)生了“細(xì)腰細(xì)腰”形缺陷。形缺陷。 4 4）曲臂表面在彎曲的過程中由于材質(zhì)堆積而向兩側(cè)流動，造成兩側(cè)）曲臂表面在彎曲的過程中由于材質(zhì)堆積而向兩側(cè)流動，造成兩側(cè)“鼓鼓肚肚”和和“喇叭口喇叭口”缺陷的產(chǎn)生，經(jīng)過精整后喇叭口缺陷依然存在，造成曲缺陷的產(chǎn)生，經(jīng)過精整后喇叭口缺陷依然存在，造成曲拐內(nèi)側(cè)開檔尺寸不足。拐內(nèi)側(cè)開檔尺寸不足。 5 5）通過對曲拐上典型位置單元的靜水壓和表面拉）通過對曲拐上典型位置單元的靜水壓和表面拉/ /

27、壓應(yīng)力的演化情況分析，壓應(yīng)力的演化情況分析，預(yù)測了不同位置的裂紋產(chǎn)生傾向，發(fā)現(xiàn)彎曲部位的外表面邊緣和側(cè)面預(yù)測了不同位置的裂紋產(chǎn)生傾向，發(fā)現(xiàn)彎曲部位的外表面邊緣和側(cè)面鼓肚鼓肚部位是裂紋最容易產(chǎn)生的位置部位是裂紋最容易產(chǎn)生的位置。 改進(jìn)方案的提出改進(jìn)方案的提出 由以上分析可知，鍛前毛坯的形狀以及毛坯與模具的接觸情由以上分析可知，鍛前毛坯的形狀以及毛坯與模具的接觸情況是決定產(chǎn)品最終好壞的關(guān)鍵因素。針對該工藝條件下出現(xiàn)的況是決定產(chǎn)品最終好壞的關(guān)鍵因素。針對該工藝條件下出現(xiàn)的“細(xì)腰細(xì)腰”、“喇叭口喇叭口”、“裂紋裂紋”等缺陷，提出改進(jìn)性方案如下：等缺陷，提出改進(jìn)性方案如下：(1)對于出現(xiàn)的對于出現(xiàn)的“鼓

28、肚鼓肚”和和“喇叭口喇叭口”問題，可通過減小毛坯中部問題，可通過減小毛坯中部的的 尺尺 寸來解決，這樣可以減輕彎曲過程中材質(zhì)的堆積，使金屬流寸來解決，這樣可以減輕彎曲過程中材質(zhì)的堆積，使金屬流動順利進(jìn)行。動順利進(jìn)行。(2)對于出現(xiàn)的對于出現(xiàn)的“細(xì)腰細(xì)腰”和貼模不均的問題，可通過改善毛坯與下和貼模不均的問題，可通過改善毛坯與下模的接觸條件來解決。如改進(jìn)下面的形狀，將曲臂外表面事先鍛模的接觸條件來解決。如改進(jìn)下面的形狀，將曲臂外表面事先鍛成拱形，這樣可使貼模更為均勻，減輕應(yīng)力集中。成拱形，這樣可使貼模更為均勻，減輕應(yīng)力集中。(3)對于出現(xiàn)的裂紋問題，可通過提高鍛鋼的質(zhì)量，降低毛坯中的對于出現(xiàn)的裂紋

29、問題，可通過提高鍛鋼的質(zhì)量，降低毛坯中的夾雜物來減輕或消除。夾雜物來減輕或消除。 改進(jìn)的毛坯改進(jìn)的毛坯 改進(jìn)的工藝方案改進(jìn)的工藝方案改進(jìn)的上模改進(jìn)的上模沖頭行程為沖頭行程為0.7865m0.7865m時應(yīng)力分布時應(yīng)力分布 沖頭行程為沖頭行程為0.7865m0.7865m時還原成初始尺寸圖時還原成初始尺寸圖 改進(jìn)工藝方案改進(jìn)工藝方案v彎鍛過程初始溫度為彎鍛過程初始溫度為1100，坯料內(nèi)外溫度均勻。，坯料內(nèi)外溫度均勻。 v鍛造的工藝流程與第一種工藝方案一致。鍛造的工藝流程與第一種工藝方案一致。v上模勻速運(yùn)動，速度為上模勻速運(yùn)動，速度為50mm/s，彎鍛時坯料剛，彎鍛時坯料剛 剛接觸下模時即停止運(yùn)動，上模頭的行程約為剛接觸下模時即停止運(yùn)動，上模頭的行程約為 0.83m。v從彎鍛開始到精整完畢都是一火完成，時間總計從彎鍛開始到精整完畢都是一火完成，時間總計 約約60s。改進(jìn)工藝方案的模擬結(jié)果改進(jìn)工藝方案的模擬結(jié)果沖頭行程為沖頭行程為0.83m時坯料的狀態(tài)時坯料的狀態(tài) 彎鍛后坯料的尺寸彎鍛后坯料的尺寸彎鍛后將開口壓至約彎鍛后將開口壓至約1.5