（材料加工工程专业论文）曲轴模锻工艺数值模拟研究.pdf

摘要 摘要 在汽车锻件中，曲轴是最重要的锻件之一。随着汽车产量的逐年递增， 曲轴类锻件的年生产量也在逐年上升。但在曲轴生产中还存在很多问题待 解决。尤其是在计算机辅助设计( c a d ) 和数值模拟这两个领域，目前我国 与国夕 先迸水平尚有较大差距。 本文对曲轴模锻的特点及其生产现状做了简要介绍，选择平面四拐小 曲轴作为典型件，详细介绍了本文作者在曲轴模锻工艺c a d 与数值模拟 两个领域的工作。 本文在三维造型软件u n i g r a p h i c s ( u g ) 的c a d 平台下进行曲轴的模锻 工艺与模具设计中相关问题的c a d 参数化实体三维造型。根据刚塑性有 限元法基本原理，利用有限元数值模拟仿真软件d e f o r m 3 d ，对曲轴锻 件热成形工艺过程进行模拟。由模拟结果，提出了影响曲轴成形的各工艺 参数，分析研究了一些主要影响因素对锻造成形过程的影响规律，及金属 流动规律等，优化并获得了能够锻出合格锻件的工艺及模具参数。其结果 对曲轴锻件的生产试验具有指导作用。 关键词曲轴；模锻；c a d ；刚塑性有限元法；数值模拟 篓当查翌三兰堡主兰垒笙苎 a b s t r a c t n l ec r a n k s h a f ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf o r g ep i e c e so fa u t o m o b i l e t h ep r o d u c t i o no fc r a n k s h a f tf o r g ep i e c ei n c r e a s e sy e a ra f t e ry e a ra l o n gw i t h i n c r e a s ei na u t o m o b i l eo u t p u t t h e r ea r em a n yp r o b l e m si nt h i sk i n do ff o r g e p i e c e t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，i ti ss e r i o u s l yn e e d e di n t h i sf i e l dt oa p p l y c a da n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n t ot h e p r o d u c t i o n i nc h i n a , m a n y c o m p a n i e sf o l l o wb e h i n dt h ec o m p a n i e s i nd e v e l o p e dc o u n t r i e si nt h i sf i e l d t h ep a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e dc h a r a c t e r sa n dm a n u f a c t u r i n gs t a t u so f c r a n k s h a f td i ef o r g i n g ，c h o o s i n gf o u rc y l i n d e rs l e e v ec r a n k s h a f tw i t hp l a n e s u r f a c ea st h et y p i c a lf o r g ep i e c e ，p a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e dt h ea u t h o r si d e a so n c a da n dn n m e r i c a ls i r e u i a t i o n b yt h eu s eo f t h ec a d s y s t e mi nu g ，t h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo f c r a n k s h a f ta n dd i ec a l lb es e tu pp a r a m e t r i c a l l y a c c o r d i n gt h er i g i d - p l a s t i c f i n i t ee l e m e n tm e t h o d u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t d e f o r m ，3 d ，s i m u l a t et h ef o r m i n gp r o c e s s e so f c r a n k s h a f tf o r g ep i e c e ，b r i n g f o r e w o r di n f l u e n c ec r a n k s h a f t s h a p e sp r o c e s s e sp a r a m e t e r s ，a n a l y s i sa n d s t u d ys o m em o s t l yi n f l u e n c ef a c t o ro ff o r g i n gp a r ts h a p i n gr u l e ，o p t i m i z ea n d g a i np o s s i b i l i t yf o r g eu p t og r a d ef o r g i n g p a r t sp r o c e s s e sa n d d i ep a r a m e t e r s t h er e s u l tp l a y sg u i d a n c et ot h ep r o d u c t i o no fc r a n k s h a f tf o r g ep i e c e ， k e y w o r d sc r a n k s h a f t ；d i ef o r g i n g ；c a d ；r i g i d p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 第1 章绪论 1 1 选题的背景 第1 章绪论 曲轴是内燃机中承受冲击载荷传递动力的关键零件，也是在内燃机5 大件( 机体、缸盖、曲轴、连杆、凸轮轴) 中最难以保证加工质量的零件。 由于曲轴工况条件恶劣，既承受交变应力作高速运转，又传递大扭矩。一 旦损坏，就可能造成重大事故，因此对曲轴的材质、毛坯加工技术、精度、 表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等要求都十分严格。其中任何一 个环节的质量对曲轴的寿命和整机的可靠性都具有很大的影响。因此世界 各国对曲轴的加工都十分重视，不断地改进曲轴加工工艺，最大可能地提 高曲轴寿命”j 。 自9 0 年代以来，我国的汽车工业发展迅速。汽车工业的先进锻造技 术带动了全国模锻行业的发展，随着汽车产量的逐年增加，汽车锻件的产 量也逐年上升。在汽车锻件中，曲轴和前轴是晟大的，也是最重要的锻件， 需要建立专业化模锻生产线来生产【2 j 。 据有关资料介绍，至2 0 0 5 年，我国内燃机产量约为2 3 3 6 万台，内燃机 商品量为1 1 3 0 0 1 1 4 0 0 万k w ，则各种大小的铸锻曲轴年总需求量约为 3 0 0 0 万件左右。其中汽车产量为3 2 0 万辆( 含轿车ii o 万辆) ，约需曲轴锻 件2 4 0 万件；摩托车产量为1 3 0 0 万辆，需曲轴锻件约为1 8 0 万件、曲柄 锻件( 每车两件) 为2 2 4 0 万件。3 0 0 0 万件中除去汽车、摩托车后的1 3 8 0 万 件中，按铸锻比1 ：1 计，其锻钢曲轴为6 9 0 万件，以上总计需曲轴锻件为 1 1 1 0 万件，约占铸锻曲轴总量的1 3 强。 按原规划，至2 0 1 5 年全国汽车产量为6 0 0 万辆，其中轻型汽车和轿 车4 0 0 万辆。若轻型汽车和轿车曲轴按铸锻比2 ：3 计，其余都按锻件计， 则仅汽车行业就需锻钢曲轴4 4 0 万件。目前不少发动机制造厂和曲轴专业 生产厂，要求曲轴毛坯供应厂采用热模锻压力机模锻曲轴毛坯。有些内燃 机厂不得不从巴西、印度、俄罗斯、韩国和日本等国购买曲轴锻件。若按 一条热模锻压力机模锻曲轴专用线平均年产曲轴锻件1 5 - 2 0 力件计，则仅 l 燕山大学工学硕士学位论文 汽车行业就需热模锻压力机模锻曲轴的专用线2 0 余条，还不包括前轴锻 件在内。所以，发展曲轴锻件生产前景看好。多品种、中小批量的曲轴锻 件以现有模锻锤生产为主，而高精度、大批量生产的曲轴锻件以曲柄热模 锻压力机为主。因此，同时具备大型模锻锤和曲柄热模锻压力机模锻盐轴 生产线，能取长补短，共同生产，是发展曲轴锻件生产的完善模式 3 1 。 1 2 国内外曲轴制造业发展概况 曲轴质量( 指轻重) 约占内燃机质量的1 0 ，成本约占整机的 1 0 1 2 ，其材质大体可分两类：类是锻钢，一类是球墨铸铁4 1 。由于 采用铸造方法可获得较为理想的结构形状，从而减轻质量，且机加工余量 随铸造工艺水平的提高而减小，目前国外球铁铸造曲轴的单边加工余量可 达2 3 m m 。另外球墨铸铁的切削性能良好，并可通过各种热处理和表面 强化处理来提高曲轴的抗疲劳强度、硬度和耐磨性。球铁中的内摩擦所耗 功比钢大，减小了工作时的扭转振动的振幅和应力，应力集中也没有钢质 曲轴敏感。所以球墨铸铁曲轴在国内外得到了较广泛的应用。但是由于铸 铁曲轴发动机的噪声相对于锻钢曲轴高，轴部密封件失效也要快得多，所 以采用模锻工艺生产的锻钢曲轴，在产品质量、力学性能和生产率上都有 很大的优势。随着汽车发动机技术水平的不断提高，对锻造曲轴的需求将 越来越多，曲轴铸改锻的趋势日趋明显。 目前，国外的曲轴锻造技术的发展趋势是广泛采用c a d c a m 技术， 引入管理信息系统和集成生产系统，以实现锻造生产从原材料、工艺和工 艺装备最佳方案的选择和整个过程的控制，推动锻造生产向合理化、自动 化方向发展。 而在国内，目前虽已有批先进的锻造设各，但由于数量少，加之模 具制造技术和其他一些设施跟不上，使一部分先进设备未充分发挥应有的 作用。但从总体上来讲，需改造的和更新的陈旧普通锻造设备多，落后的 工艺和设备占主导地位，先进的技术有所应用但还不普遍，检测手段以手 工测量为主，锻件质量不稳定，加工余量偏大、材料利用率偏低、能耗高、 噪声、振动和烟尘治理差，劳动强度大、生产效率低。 2 第1 章绪论 所以，着眼于国内的这种实际生产现状，我国现在曲轴锻造技术的发 展趋势与国外还是有所不同，国内的发展趋势具体表现在以下三个方面： ( 1 ) 计算机技术的应用计算机将广泛应用于生产过程的自动化控制， 实现锻造温度控制、过热和欠热坯料的自动化分选、润滑油点油温监控、 设备公称力显示、自动喷雾冷却模具、设备操纵系统控制、故障自动诊断、 报警、工艺编程、模具设计与制造，规范工艺过程管理、促进曲轴乃至内 燃机锻造行业的生产技术进步。 ( 2 ) 形成柔性制造系统以热模锻压力机、电液锤为主机的自动线是今 后生产曲轴的发展方向。这些生产线将普遍采用精密剪切下料、辊锻( 楔 横轧) 制坯、中频感应加热、精整液压机精压等先进工艺，同时配有机械 手、输送带、带回转台的换模装置等辅机，形成柔性制造系统，实现工件 和模具的自动更换以及参数的自动调节，在工作过程中不断测量。显示和 记录锻件厚度和最大压力等数据并与定值比较，选择最佳变形量以获得优 质产品。由中央控制室监控整个系统，实现无人化操作。 ( 3 ) 发展电液锤锻造生产线随着市场竞争愈加激烈，质量价格在市场 竞争中的作用日显重要，电液对击锤也就应运而生了，出现了以行程、打 击能量、速度可控的电液锤为主机的曲轴现代化生产线。由于电液锤锻造 生产线投资小，技术水平高，适应性强，所以2 1 世纪电液锤与热模锻压 力机将同时得到发展【l 】。 1 3 文献综述 1 3 1 金属塑性成形过程的研究方法 金属塑性成形过程是一个复杂的变形过程。材料特性、变形速度、温 度、摩擦条件、坯料形状和尺寸、模具形状等因素对成形过程都有一定的 影响。这些因素及其作用是我们研究的主要对象。金属塑性成形过程研究 的主要任务是结合金属材料的特性，分析和研究塑性成形过程中应力、应 变分布情况以及不同因素对成形过程的影响，进而得出金属塑性成形规 律。从而为解决塑性加工过程中出现的各种实际问题，确定最佳工艺参数， 3 燕山大学工学硕士学位论文 高效低耗地实现成形过程，获得优质产品提供科学依据。 金属塑性成形过程的研究方法有：主应力法、滑移线法、上限法、边 界元法和有限元法。这其中有基于经典塑性理论的解析方法，即主应力法、 滑移线法和上限元法，其突出优点是：能够直接给出各种影响因素在金属 塑性成形过程中相互之间的关系，便于进一步进行成形极限分析及工艺参 数优化，有利于从全局把握成形过程。但令人遗憾的是，由于数学求解方 面的困难，这些方法只能对某些特殊的平面问题和轴对称问题给出较为精 确的解析解。对于大多数平面问题和轴对称问题只有在附加一些假设条件 并进行大量的模型简化的前提下，才能给出近似的解析解。而对于复杂的 三维问题，该类方法几乎无能为力。边界元法在塑性成形过程中的应用目 前只限于对温度场的计算和模具强度的分析陋。”。 目前应用最为广泛和成熟的是在7 0 年代兴起，8 0 年代获得很大进展 的有限元法，该方法己初步应用于金属体积成形、板材成形和注塑成形等 工艺过程中，一个完整的塑性成形有限元数值模拟流程如图1 1 所示 1 3 1 。 前处理系统 黧茎il 麓| | 嚣霉il 萎篡 边界 条件 单元刚格 生成 成形过程数值模拟| + | 缺陷判断 后处理系统 l 竺兰兰ii 璺塑兰l i 皇奎兰| l 兰璧兰ll 三竺塑登i 倒倒 图1 1塑性成形数值模拟流程图 f i g 1 - 1 f l o w d i a g r a m f o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f m e t a lf o r m i n g 利用有限元法可在计算机上模拟分析塑性加工时从坯料到制件的成 形过程，可以求出应力场、应变场、变形所需的载荷和能量，可以给出成 形过程中坯料几何形状、尺寸和性能的改变，预测缺陷的产生和分析成形 质量等。有限元法目前已成为研究塑性成形规律、材料变形行为及各种物 4 第1 章绪论 理场的强有力的工具之一，并得到了广泛的应用。有限元数值模拟方法的 优点是：功能强，精度高，解决问题的范围广，可以用不同形状、不同大 小和不同类型的单元来描述任意形状的变形体，适用于任意速度边界条 件，可以方便合理地描述模具形状，处理坯料与模具间的摩擦，考虑材料 硬化效应，温度等各种工艺参数对成形过程的影响，可以获得成形过程中 任意时刻的力学信息和流动信息，如应变场、速度场、应力场、位移场、 温度场，预测缺陷的生成和扩展等。并可在计算机上虚拟实现成形过程， 反复演示、计算和优化，这是其它研究方法所无法比拟的。 1 3 2 金属体积成形数值模拟研究发展 曲轴锻造属金属体积成形范畴。金属体积成形金属塑性加工中一类十 分重要的成形方法，它包括锻造、轧制、挤压和拉拔等。7 0 年代以来， 用有限元法模拟分析金属体积成形问题得到很大发展，主要采用刚塑性和 刚粘塑性有限元法。对于变形、温度和传热的耦合问题还同时采用热传导 有限元法或有限差分法等。s k o b a y a s h i 及其合作者先后采用刚塑性，刚 粘塑性有限元法分析了锻造、挤压、轧制等体积成形问题【1 4 4 “。此外， 我国也有许多学者在二维体积成形过程的刚塑性bz j 粘塑性有限元数值模 拟方面也做了系统的研究工作。随着计算技术及软硬件的飞速发展，应用 三维有限元技术对塑性加工过程进行模拟受到了普遍重视。近年来，国内 学者采用三维刚塑性用0 粘塑性有限元法对复杂零件的体积成形过程及微 观组织的预测等进行不少了研究。如：陈军、詹梅、田柱平等在模锻过程 的三维刚塑性刚粘塑性有限元数值模拟方面作了较为系统的研究【2 2 2 7 。 综上所述，国内外学者用有限元法模拟分析金属体积成形过程的研究 已取得了很多成果，而且不少单位都开发了实用的模拟分析软件，如美国 b a t t l e 实验室开发的a l p i d ( a n a l y s i so f l a r g e p l a s t i ci n c r e m e n t a ld e f o r m a t i o n l 程序f 2 引，以及在此基础上开发的d e f o r m 系统2 9 瑚 ，o h 和a l t a n 等应用这些软件对各类成形问题进行了模拟分析【3 。”】，日本用j n i k e 软 件模拟锻造过程【3 4 1 等。国内北京机电研究所九十年代开发的大型体积成形 过程的模拟分析软件m a f a p ( m a s sf o r m i n ga n a l y s i sp r o g r a m ) ，己用于分 5 燕山大学工学硕士学位论文 析汽车转向节等复杂锻件的成形过程【3 “。总之，体积成形有限元模拟正在 逐步推广，不断改进和完善。其在金属塑性成形过程中将会发挥更大的作 用。 总之，近几十年来，随着计算机技术的迅速发展计算方法的曰益完善， 金属塑性成形过程的数值模拟得到了迅速发展。已解决了塑性成形过程中 的许多实际问题和有限元模拟中的一些重要的关键技术问题。在塑性加工 中的应用范围越来越广，从最初的弹性有限元理论发展到弹塑性、刚塑性、 刚粘塑性有限元理论p ”，从板料成形到体积成形，从正向模拟对成形 的预测到反向模拟对预成形件的设计，从同时考虑变形和热传导的热力耦 合分析，到对工件微观结构的预测，从二维平面应变问题和轴对称问题到 三维问题。但是目前所见到的有限元模拟软件大多只能适用于二维问题。 对于复杂形状锻件成形过程的三维数值模拟，由于计算机硬件、运行速度 和内存量的局限，以及塑性成形自身的特点，使得三维数值模拟在实际应 用中仍存在许多具体问题和数学处理上的困难。 近年来，塑性有限元模拟技术在塑性加工领域中的应用正朝着扩大适 应性，提高实用性和精确性的方向发展。由于金属塑性成形过程均为三维 大塑性非稳态变形过程，且零件的复杂几何形状具有明显的三维特征，因 此对其进行接近实际的真三维的模拟是今后模拟技术发展的主要方向。 1 3 3 曲轴锻造研究进展 曲轴是汽车工业中的典型模锻件，由于其形状和成形工艺往往十分复 杂，故难以掌握其金属流动规律和成形时的应力分布规律。近年来，曲轴 锻造过程的研究得到了国内外科技工作者较大的关注，对其成形工艺进行 了深入的研究，取得了一定的研究成果。 在国内，王德拥以实例分析计算自由锻曲轴错移工序中坯料的受力状 态和力能转换关系，指出现行技术资料中关于错移工序论述的疏漏和失真 之处【4 ”1 1 ；焉永才针对热模锻压力机的工艺特点，对成型空间曲线分模的 四拐曲轴模锻工艺进行了讨论，并根据生产实践总结出在热模锻压力机上 成型空阊蓝线分模四拐曲轴的一些成熟经验【4 2 】；赵洲城对六拐曲轴锤模终 6 第1 章绪论 锻热锻件图设计过程中参数进行计算和选定，为锻模型槽制造提供了依据 h ”；赵明钟对空间多向结构的重型曲轴在1 0 - 1 6 t 模锻锤上的成形工艺和 模具设计进行了总结并提出了影响决定其工艺方案的六大因素 4 4 1 ；王颖翔 对锤锻曲轴弯曲型槽的设计提出一般原则，并对曲柄折纹产生原因进行分 析提出对策”5 】；罗晴岚、罗延杰对在6 3 m n 热模锻压力机生产线上采用 压扁、预锻、终锻工艺生产4 j a 型曲轴，提出和分析了影响金属充满程度 的因素”6 】；刘建生等采用三维刚粘塑性软件t f o r m 3 对1 2 v 2 4 0 曲轴r r 法限制成形工艺及模具结构进行了设计分析，提出了防止成形缺陷产生的 新的模具结构方案，从而为曲轴r r 法镦锻工艺及模具设计提供理论依据 h “8 】；王纪武等利用开发的三维有限变形弹塑性有限元程序，模拟了2 8 0 曲轴的r r 法成形过程，得到了不同摩擦条件变形过程的应力场、应变场 和载荷位移曲线，为确定合理的成形工艺方案和模具形状及提高成形质量 和模具寿命提供了可靠的依据【4 9 】；刘建生等采用三维刚塑性有限元模拟研 究了6 1 6 0 曲轴r r 法成形过程，得到曲轴的塑性变形分布规律，并分析 了摩擦因素对曲轴成形后变形分布及外形的影响【5 0 1 。这些研究工作对曲轴 成形工艺的制定和进一步研究提供了宝贵的经验。不过对于曲轴锻造成形 过程的全过程数值模拟却还没有见诸报端，所以本课题还是比较有价值进 行研究的。 1 4 研究的内容、目的及意义 1 4 1 本课题研究的内容 本课题将数值模拟仿真技术与曲轴锻件的生产实际结合起来，分析曲 轴的工艺过程，采用数值模拟仿真软件d e f o r m 3 d ，对拟定的工艺过程 进行数值模拟仿真，针对模拟过程中出现的具体问题，分析曲轴成形过程 中各种材料变形力学参数，进而研究一些主要影响因素对锻造成形过程的 影响规律，优化并获得能够锻出合格锻件的工艺及模具参数。具体内容如 下： ( 1 ) 在三维造型软件u n i g r a p h i c s ( u g ) 的c a d 平台下进行曲轴类锻件的 锻造工艺与模具设计中相关问题的c a d 参数化实体三维造型。如：锻造 7 燕山大学工学硕士学位论文 参数的计算，模具图的绘制等； ( 2 ) 根据刚塑性有限元法基本原理，利用数值模拟软件d e f o r m 一3 d ， 对曲轴锻件的成形过程进行模拟仿真，并优化其工艺参数； ( 3 ) 根据模拟结果，分析锻件的金属塑性成形过程，得出影响成形的 主要影响因素及影响规律，研究成形参数对成形过程的影响，金属流动规 律等；分析讨论模拟过程中出现的锻件缺陷，优化其工艺参数及模具型腔， 获得能够锻出合格锻件的工艺及模具参数。 1 4 2 本课题研究的目的及意义 通过本课题的研究，对曲轴成形过程进行模拟仿真，分析曲轴锻件各 工步在成形过程中的金属流动、成形力和应力、应变、应变率等分布规律。 预测成形过程中可能出现的锻件缺陷，提出影响曲轴成形的各工艺参数， 分析研究一些主要工艺因素对锻造成形过程的影响规律，优化并获得了能 够锻出合格锻件的工艺及模具参数。为曲轴锻件的实际锻造工艺提供理论 依据及技术支持，利用其结果直接指导曲轴锻件的锻造生产。 同时通过对锻造工艺过程的模拟仿真分析，可以大大缩短产品开发周 期减少前期生产及工艺探索的工作量，降低其工作难度及技术人员的劳动 量，为工厂企业提高经济效益、创名牌锻件产品提供技术支持。 本论文的研究成果将对曲轴锻件的实际生产起到极大的指导作用，可 推广应用于其它同类产品锻件的生产，具有很大的技术经济效益和社会效 益，有利于提高锻件质量和降低生产成本，有利于加快新产品的开发周期、 减少工程技术人员的工作量，有利于减少前期生产及工艺探索的工作量、 降低其工作难度，有利于提高新产品的市场竞争力。另外，通过对曲轴成 形过程的模拟分析，获得成形规律，为其它同类产品的生产提供理论依据。 8 第2 章曲轴模锻工艺简介 第2 章曲轴模锻工艺简介 2 1曲轴锻件的分类 曲轴呈轴线弯曲，细而长，大部分多拐，部分带有平衡块，全长各截 面之变化较大，落差亦大，是一种典型的弯曲轴，如图2 1 所示。 图2 - 1 曲轴外形图 f i g 2 - 1 s k e t c h e so f c r a n k s h a f t 尽管曲轴锻件种类繁多，但可归类如下【4 4 1 ： ( 1 ) 按是否带有平衡块分可分为带平衡块和不带平衡块曲轴； ( 2 ) 按曲轴的曲拐位置分可分为单向和多向曲轴； ( 3 ) 按工艺分模面的走向分可分为平面分模和空间分模曲轴； ( 4 ) 按曲轴的拐数分可分为单、双和多拐曲轴。一般重型曲轴均为 多拐，大多超过三拐。 一 9 燕出大学工学硕士学位论文 2 2 曲轴锻造工艺流程 曲轴锻造的工艺方法有很多，各有其特点，按照曲柄是否带有平衡块 来分采用的工步主要有下面掰种： ( 1 ) 曲柄带有平衡块的曲轴，采用工步主要为：滚挤一预锻一终锻， 或者省略预锻，直接终锻成形； ( 2 ) 曲柄不带平衡块的曲轴，采用工步主要为：弯曲一预锻一终锻， 或者滚挤一弯曲一预锻一终锻。这两种也都可以省略预锻。 如果采用预锻主要有两个目的，其一是保证滚挤或者弯曲后的金属能 均匀地分布，有利于终锻的充满；其二是可以显著地减轻终锻型槽的负荷， 从而提高锻模的使用寿命。不过增加预锻工步后，锻模的布排比较不利， 模块也要增宽，这是其缺点。 曲轴锻造的工艺流程是随着曲轴材料、形状和生产条件的不同而不同 的，特别是各种辅助工艺，其是根据不同类型曲轴和具体生产条件和经验 来安排的。 中、轻型汽车曲轴由于受发动机性能和结构的限制，一般以四拐曲轴 为主，曲轴的尺寸较小，连秆颈与主轴颈的档宽和曲臂宽度都比较小。其 结构有连杆颈中心线在一个平面内的，也有连杆颈中心线不在同一平面内 的。前者锻造工艺较为简单，一般采用平面分模，模锻工步为：加热一制 坯一预锻一终锻一切边一校正一热处理。后者又有两种成形工艺方案：一 种是采用平面分模，用扭拐杌将连秆颈扭到所需要的角度：另一种是直接 采用空间曲线分模，其锻造工艺相对复杂【4 2 1 。本文则是主要针对平面四拐 小曲轴进行分析。 2 ，3 曲轴常用材料 曲轴在工作中承受着扭转应力、交变弯曲应力、往复惯性力、回转离 心力和它们形成的力矩以及高载荷冲击振动，其主要的失效形式是输出端 腐蚀和裂纹、轴颈磨损以及曲轴的弯曲和断裂。曲轴的制造成本占整机成 本的比铡较大，为保证曲轴在使用过程中具有较高的抗腐 虫性能和耐磨性 1 0 第2 章曲轴模锻工艺简介 能，较好的强度、刚度和足够的韧性以及良好的高温瞬时拉伸性能，同时 保证具有高的可靠性和使用寿命，其选材原则不同于其他零部件的选材原 则。发动机一般零部件的选材原则是要尽量减少昂贵材料的使用量：而曲 轴的选材原则是在满足其使用性能要求的基础上再适当地留有余地，以确 保整机的品质和寿命p “。 目前，国内普遍使用的曲轴材料主要有锻钢和球墨铸铁2 类。球铁曲 轴牌号有q t 6 0 0 - 3 、q t 7 0 0 - 2 、q t s 0 0 - 2 、q t 9 0 0 2 、q t 9 0 0 5 。锻钢材料 一般为中碳钢和中碳低合金钢，常用的有：3 5 、4 5 、5 5 、3 5 m n v 、3 5 s i m n 、 4 5 m n b ，3 5 c r ，4 0 c r ，3 5 c r m o 、4 0 c r y ，4 0 c r n i 、4 0 c r n i m o a 、4 2 c r m o ( 4 2 c r m o a ) 、1 8 c r 2 n i 4 w a 、5 0 m n 等。在大批量的曲轴锻件生产中，采用 非调质钢4 9 m n v s 3 。材料力学性能范围较大，其中o - 。= 5 3 0 m p a - 1 1 7 5 m p a ， o - 。= 2 1 5 m p a 8 3 5 m p a ，也= 9 2 0 ，妒= 3 5 一5 0 ，a k = 5 1 0 n m c m 2 ， h b s 为1 9 7 2 6 9 。具体选材应根据发动机的负荷、种类来确定【3 1 。 合金的化学成分不同，对锻造的要求也有所区别，从下料、加热到终 锻成形都应分别对待，以便得到高质量的锻件，如晶粒均匀细密的锻件， 其交变强度较高，所以应严守锻造规范，以免形成粗晶。镍基和钴基合金 的变形抗力很大，变形温度范围很窄，应注意在不同的锻压设备上采用不 同的锻造规范，确保锻件质量。 2 4 曲轴锻件平均材料利用率 国产曲轴锻件，主要在模锻锤上模锻，一般不配制坯设备，材料利用 率较低。经统计国内从单缸至6 缸共6 7 种锤模锻生产的曲轴锻件和国内 外在热模锻压力机上生产的近2 0 种多缸曲轴锻件，其平均材料利用率对 比见表2 1 。由表可见，曲轴锻件由锤模锻改为压力机模锻，可节材 5 1 0 。国外有资料介绍节材可高达2 0 以上。 压力机模锻件，其精化程度( 零件重锻件重) 明显高于锤模锻件，如东 汽e q 一1 4 0 汽车发动杌曲轴锻件，大连四缸4 1 1 0 柴油机曲轴锻件，微型汽 车4 6 5 发动机曲轴等，其锻件精化程度依次为o 8 1 7 、0 8 3 3 和o 7 7 8 。坯 料锻造利用率达o 8 1 4 或更甜”。 燕山大学工学硕士学位论文 表2 - 1 不同设备上模锻曲轴的平均材料利用率对比 t a b l e2 - 1a v e r a g em a t e r i a lu s a g ec o n t r a s to ff o r g i n gc r a n k s h a f to nd i f f e r e n le q u i p m e n t 模锻设备 项日 差值 蒸空模锻锤热模锻压力机 锻件精化程度( 零锻) 7 25 27 8 0 8 006 4 8 坯料锻造利用率( 锻坯) 7 7 5 68 0s1 0 4 4 锻件材料利用率( 锻材) 7 21 07 6 039 坯料下科利用率( 坯材) 9 29 69 401 0 4 零件材料利用率( 零材) 5 2 2 86 0 077 2 2 5 曲轴锻造常用设备 在模锻生产中曲轴是一种较为复杂的锻件。由于其外形复杂，一般均 需采用多种设备来进行模锻。因此，曲轴是联合模锻的典型锻件。 模锻曲轴所采用的联合机组，般在下列设备中进行组合的。它们是： 模锻锤、辊锻机、螺旋压力机、热模锻压力机、切边压力机、平锻机、校 下用锤或校正压力机、扭转机等。而模锻主机目前主要采用模锻锤、螺旋 压力机、热模锻压力机或自由锻水压机。 2 5 1模锻锤 锻锤是利用锤头和锤杆等落下部分重量在高速运动下和放置在锤砧 上的金属坯料发生撞击作用，使坯料发生塑性变形的【”1 。虽然锤上模锻已 具老化特征，但直到现今在国内外的锻造行业中，仍然占有非常重要的地 位。这是因为锻锤和其它锻压设备相比，具有工艺适应性广、生产效率高、 设备造价低的优点。模锻锤的打击能量可在操作中调整，能够实现轻重缓 急打击。毛坯在不同能量的多次锤击下，经过镦租、打扁、拔长、滚挤、 弯曲、卡压、成型、预锻和终锻等各类工步，使各种形状的锻件得以成形。 因此，具有一定规模的锻造厂( 车间) 都配备有不同吨位的模锻锤。 ，模锻锤包括蒸汽空气模锻锤、无砧座锤、高速锤和液压模锻锤。其中， 1 2 第2 章曲轴模锻工艺简介 蒸空模锻锤是普遍应用的模锻锤【5 3 1 。从5 0 年代开始，我国为生产汽车、拖 拉机和各种用途的发动机所用曲轴锻件，长时间以来，以蒸空模锻锤锻造 生产为主。因为我国电液动力头质量已过关，生产电液模锻锤已不成问题， 且电液锤属节能设备，故蒸空模锻锤应改为电液模锻锤。如模锻5 - 6 缸柴 油机曲轴，采用1 0 t 和1 6 t 电液模锻锤，与其他类型模锻设备相比，仍是 工艺投资最省的方案，适合多品种批量生产。 我国现有1 0 t 模锻锤2 1 台，1 6 t 模锻锤8 台，它们大多服务于曲轴模 锻，但这些模锻锤生产线大多负荷不满。近年来，为节能降耗，模锻锤正 逐步改装成电液模锻锤，其中1 0 t 模锻锤均已改装成功。此外，国产电液 模锻锤已向工业不发达的中小国家少量出口【3 】。 2 5 2 螺旋压力机 螺旋压力机是通过摩擦盘、电机或液压传动加速飞轮和螺杆部件组 成，通过飞轮和螺杆部件把旋转动能转变为滑块的线性能量。压力机往返 行程中，没有固定的下死点。锻件的厚度尺寸不受压机弹性变形、热膨胀 和锻件材料体积与变形温度变化的影响。在飞轮所储蓄的能量范围内，不 受压力和行程的限制，可以从最大到零全部输出，以满足锻造工艺过程所 需要的有效能量和克服设备摩擦能量与弹性变形能量的需要。螺旋压力机 的能量一般约为一般热模锻压力机的2 倍。 螺旋压力机与热模锻压力机相比具有价格优势，在曲轴锻件生产中占 有一席之地。重庆庆铃锻造有限公司采用德国m u l l e rw e i n g a r t e n 公司生产 的p s h 4 6 3 0 f 型6 3 m n 电动螺旋压力机生产线，生产汽车曲轴和前轴锻 件。在此螺旋压力机线上，曲轴和前轴生产节拍为4 0 s ，相当于9 0 件h ， 转向节、连杆和盖生产节拍为1 6 s ，相当于2 2 5 件m 。 该德国公司也曾为美国c i n c i n n a t i 曲轴锻造厂提供过1 6 0 m n 和 1 2 0 m n 电动螺旋压力机模锻曲轴线，用于生产重量达2 3 0 k g 、长度1 0 0 0 m m 左右的曲轴。两条线年生产能力约2 4 万件，1 9 9 4 年实际产量为1 5 万件。 而且，该锻造厂还曾为印度建造了一个曲轴锻造厂，其主要工艺设备与该 厂基本相同，只是加热设备改为旋转式煤气加热炉。由此可见，螺旋压力 1 3 燕山大学上学硕士学位论文 机在曲轴锻件生产中仍具有一定竞争能力 2 1 。 2 ，5 - 3 热模锻压力机 热模锻机械压力机是通过曲轴或偏心轴连杆一滑块机构将旋转运动 转变为往返直线运动，并通过摩擦离合器将飞轮储存的能量即固定扭矩转 变成为滑块的载荷【5 “。 生产的发展要求模锻件具有较高的精度和较复杂的形状，机械工业中 发展少无切削加工的趋势己非常明显。因此在模锻设备中，带有顶料机构， 行程固定的并有可调节封闭高度的热模锻机械压力机，由于具备这些特 点，国外正在目益发展，逐步取代模锻锤而被广泛采用。国内也正在发展。 热模锻压力机与锻锤相比主要工作特性和优点有： ( 1 ) 电动机通过飞轮释放能量，滑块的压力基本上属于静压，工作时 无震动和噪音。由于具有静压力的特性，金属在模膛内流动缓慢，这对变 形速度敏感的低塑性合金的成形十分有利，故某些不适宣在锤上模锻的耐 热合金、镁合金等金属可在热模锻压力机上进行锻造； ( 2 ) 机架和曲柄连杆机构的刚性大，工作时弹性变形小，保证锻件高 度方向尺寸精度；滑块具有附加导向的象鼻形结构，提高了导向精度和承 受偏载能力，保证锻件水平方向精度； ( 3 ) 滑块行程一定，每一模锻工步只需一次行程完成。金属变形在滑 块一次行程中完成，坯料内外层几乎同时发生变形，因此变形深透而均匀， 锻件各处的力学性能基本一致，流线分布也较均匀，有利于提高锻件的内 部质量。同时也由于行程固定，因此不适合拔长和滚压等制坯工步，而只 能完成断面变化不大的制坯操作； ( 4 ) 具有上、下顶杆装置，便于锻后工件脱模。故锻件的模锻斜度较 小，甚至可以锻出不带模锻斜度的锻件。 此外，热模锻压力机可进行多模膛模锻，自动化生产，锻件精度高， 是工艺性最好的模锻设备。 在热模锻压力机上模锻曲轴与锤上模锻比较，前者可降低金属损耗 5 1 0 ，由于自动化程度高，适合大批量生产。现代轻型汽车曲轴的轴 1 4 第2 章曲轴模锻工艺简介 颈余量不超过3 m m ，直径公差为：墟、长度公差为“- 0 ：，这只有在压力机上 锻造，才能满足这些公差要求p j 。 鉴于热模锻压力机的上述优点，国内外先进的模锻厂普遍采用热模锻 压力机代替模锻锤生产。 目前，我国有1 2 0 m n 1 2 5 m n 曲柄热模锻压力机模锻前轴、曲轴生 产线3 条，在建1 2 5 m n 曲柄热模锻压力机模锻前轴、曲轴生产线2 条。 8 0 m n 压力机生产线己有4 条，其中3 条线按生产曲轴、前轴线设计建造。 以上6 条线中，一汽1 2 5 m n 压力机线满足自身需要还不够，准备再建一 条1 2 5 m n 压力机线，其余各线主要生产各自集团公司内装车需要的前轴 和曲轴锻件，很少有或无外供能力。 国外现有1 1 0 m n 至1 2 5 m n 曲柄热模锻压力机模锻曲轴、前轴生产线 2 0 条左右，1 6 0 m n 生产线为两条。由于更大型曲柄热模锻压力机的制造 工艺和运输困难，大于1 6 0 m n 的曲柄热模锻压力机生产线尚未出现。但 俄罗斯沃龙涅什( b o p h e x q 重型机械压力机股份有限公司，已有关于 2 0 0 m n 双曲柄热模锻压力机主要零件尺寸、重量预测数据及方案设计的 报道【5 ”。有代表性的曲轴锻件生产公司有： ( 1 1 德国k r u p pg e r l a c h 公司从1 9 9 8 年末拥有4 条制造曲轴锻件的热 模锻自动化生产线( 生产其他锻件另有1 0 m n 3 1 5 m n 曲柄热模锻压力机 线7 条) ，主要设备是4 0 m n 、6 3 m n 、8 0 m n 和1 2 0 m n 曲柄热模锻压力 机。此外，还有4 0 0 k j 对击锤，模锻1 8 0 k g 以下的曲轴锻件； ( 2 ) 日本住友制钢所( 大阪) 有6 0 m n 曲柄热模锻压力机生产线两条，1 1 0 m n 和1 6 0 m n 生产线各一条，另有3 5 0 k j 对击锤生产线3 条，能进行各 种规格曲轴锻件的系列化生产。 2 5 4自由锻水压机 当曲轴的生产批量只有几十件或百件、曲轴总长大于1 5 0 0 m m 、主 轴颈直径大于1 2 5 m m 、重量大于3 0 0 k g 时，大多在自由锻水压机上采用 专用工具，用弯曲、镦锻工艺进行生产。这种规格的曲轴，当其批量较大 时，则应在1 0 0 0 1 0 对击模锻锤上模锻。 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 国外用于弯曲、镦锻曲轴的自由锻水压机从1 5 m n 至8 0 m n ，锻件重 量从2 2 0 k g 至4 0 t 。 在国内，中国天重在2 5 m n 自由锻水压机上生产了轴径在1 8 0 r a m 以 下的曲轴l o 多种。例如6 2 5 0 型柴油机曲轴长2 7 2 3 m m ，轴颈1 8 0 r a m ，锻 件重量1 1 9 0 k g ，材料4 5 钢或3 5 c r m o 钢；1 2 v 2 4 0 型柴油机曲轴，主轴颈 2 6 0 m m ，全长3 6 2 3 m m ，用于机车。该机镦锻装置底板外形尺寸 3 0 0 0 m m x 2 1 2 0 m m ，总重量7 5 t 。天重6 0 m n 自由锻水压机上也备有镦锻 工具，可生产规格更大的全纤维曲轴。武汉重型铸锻厂在4 5 m n 自由锻水 压机上也生产过7 种型号柴油机曲轴。该机弯曲镦锻装置总重为1 6 3 t 。铁 道部资阳内燃机车工厂在3 6 m n 水压机上，主要为铁路内燃机车生产全纤 维镦挤曲轴j 。 2 6 曲轴制坯及设备的选择 热模锻压力机、螺旋压力机、电液锤、对击锤、大型模锻锤等本身无 制坯能力或制坯能力差，配备适当制坯设备，能扩大生产锻件的品种，使 金属分配均匀，减少飞边废料损失，节约钢材，降低模锻成形力，提高模 具寿命，提高锻件精度和生产率。 制坯设备通常有辊锻机、预成形压力机和楔横轧机等，应根据具体情 况选配。 无论后续加工是切削，还是锤上或压力机上摸锻，楔横轧机均能适用 于伸长形锻件的制坯。 对我国近7 0 种曲轴锻件进行统计，其锻件精化程度平均为0 7 2 5 ，零 件材料利用率为0 5 2 ，锻件与坯料重量比为o 7 7 6 。 在曲轴锻件生产中，现有大型蒸空模锻锤生产线中无一机组有制坯设 备，若增加制坯工序可提高材料利用率。在曲柄热模锻压力机生产线中， 只有辊锻机制坯，尚无楔横轧机制坯。在某些情况下，楔横轧比辊锻更节 省材料。 据报道，日本日产自动车株式会社，采用m c r l 2 5 型楔横轧机偏心 制坯，与6 0 m n 热模锻压力机配套，模锻四缸发动机曲轴，使原材料由原 1 6 第2 章曲轴模锻丁艺简介 来的2 0 6 k g ，降至1 8 2 k g ，零件重量1 4 5 k g ，材料利用率比原用辊锻机制 坯提高1 0 。据德刊 ，在航空、 模具、汽车、家电等领域应用十分广泛，成为我国高档c a d c a e c a m 系统的主流产品h ”。 此外，u g 还提供了丰富的数据交换手段，支持多种通用和流行的数 据交换标准，使用户可以利用多种系统来设计产品，原来用其他系统设计 的数据可以被u g 所接受，u g 的模型数据也可以方便地转换成其他的文 件格式。这样就使得本文的下一步利用d e f o r m 进行曲轴锻造过程的模 拟分析成为可能。 3 3 曲轴锻模设计 3 3 1 锻件图的制定 模锻件生产过程、工艺规范制订、锻模设计、锻件检验及锻模制造， 都离不开锻件图。本文选择了典型的平面四拐小曲轴作为研究对象，其冷 锻件图如图3 1 所示，材料为4 0 c r 。 3 3 1 1 分模面选取锻件分模位置合适与否，关系到锻件成形、锻件出 模、材料利用率等一系列问题。确定分模面的基本原则是保证锻件形状尽 可能与零件形状相同，以及锻件容易从锻模型槽中取出，此外，应争取获 得镦粗充填成形的良好效果。为此，锻件分模面应选择在具有最大的水平 投影尺寸的位置上。由于此曲轴为平面曲轴，故分模面的选取也较为容易， 选择锻件侧面的中部对称平面作为分模面即可。 3 3 1 2 确定机械加工余量和镊件公差普通锻件均要经机械加工成为 零件。考虑到在模锻过程中，由于毛坯在高温条件下产生表皮氧化、脱碳、 以及合金元素蒸发或其它污染现象，导致锻件表面光洁度不足，甚至产生 表面层机械性能不合格或其它缺陷；由于毛坯体积变化及终锻温度波动， 使得锻件尺寸控制不定：由于锻件出模的需要，型檐壁带有斜度，使得锻 件侧壁添加敷料；由于型槽磨损和上下模难免的错移现象，导致锻件尺寸 出现偏差；由于形状复杂，难以锻造成形。所有这些原因使锻件不仅应加 2 l 燕山大学工学硕七学位论文 十 蕊茅甫飞貉赫广了一 丁 姐。w 万丁程 l盘 迎鼍 翌 yl 剐 - 一 仨i 扯 典型区段 _ = 生 图3 - 1 曲轴锻件图 f i g 3 一l c r a t x k s h a f tf o r g i n gd r a w i n g 上机械加工余量，而且还得规定适当的锻