（材料加工工程专业论文）汽车曲轴精密模锻成形工艺优化研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 汽车发动机曲轴，是汽车工业中一种典型的复杂模锻件，其成形难度大，对 成形工艺要求高。近年来，由于汽车的重载、高速和高可靠性的要求，对曲轴的 性能要求也越来越高，因此如何改进曲轴的加工工艺以尽可能地提高曲轴的机械 性能和寿命就显得尤为重要。 曲轴类锻件锻造工艺复杂，其可行性、稳定性、成形质量( 含充满与否、折 叠、组织缺陷) 、材料利用率以及如何降低载荷提高模具使用寿命等，都是在制 订曲轴成形工艺过程中必须重点考虑的。 本文对曲轴的精密模锻成形工艺和国内外研究现状作了简要介绍，选择平面 四拐汽车曲轴作为典型件，详细介绍了c a d c a e 技术在汽车曲轴精密模锻成形工 艺优化中的应用。运用u g 三维造型软件进行经验性设计，利用d e f o r m3 d 软件对 曲轴的成形过程进行数值模拟，全面分析了连皮参数以及阻力墙参数对曲轴精密 模锻成形过程中的金属流动情况、模具型腔充填情况、锻件应力应变分布和模具 载荷以及材料利用率的影响。通过模拟分析，优化了预锻件的连皮结构和尺寸、 阻力墙参数，以及坯料尺寸，达到了优化工艺参数、优化曲轴模具结构、消除成 形缺陷、提高材料利用率的目的。最后，通过实验的方法，对工艺方案和模具设 计的合理性与科学性进行了验证，对模拟结果与实验情况进行对比分析，总结了 课题研究的成功经验。 本课题将曲轴精密模锻工艺、有限元理论、数值模拟仿真技术及模具c a d 技 术相结合，达到了缩短产品开发周期、降低材料成本、提高模具寿命等目的。研 究成果可直接用于指导生产，并为同类曲轴锻件的生产以及相关的模具设计提供 了理论和实践依据。 关键词：曲轴，精密模锻，刚粘塑性有限元法，数值模拟 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h ee r a n k s h a ro f a u t o m o b i l ei so n et y p i c a ld i ef o r g i n gp a r tw i t hc o m p l e xs t r u c t u r e , w h i c hi su s u a l l yf o r m e db yac o m p l i c a t e dp r o c e s su n d e rt h eh i 曲f o r m i n gr e q u i r e m e n t i nr e , c e n ty e a r s ，d u et ot h ed e m a n do fh i g hp e r f o r m a n c eo fa u t o m o b i l e ，s u c h 觞h e a v y l o a d ，h i 曲s p e e d , h i g l lr e l i a b i l i t y , e t e ，t h er e q u i r e m e n to fe r a n k s h a r sp e r f o r m a n c eh a s a l s ob e e nu p r a t e dg r e a t l y t h e r e f o r e , i ti so fg r e a ti m p o r t a n c et oo p t i m i z et h ef o r g i n g p r o c e s st oi m p r o v et h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo f c r a n k s h a f t t h ef o r g i n gp r o c e s so fc r a n k s h a f ti sv e r yc o m p l i c a t e d ，t h ef e a s i b i l i t y , s t a b i l i t y , q u a l i 够o ff o r m i n g ( i n c l u d i n gf u l f i l l i n g ，w r i n k l ea n ds t r u c t u r ed e f e c t ) ，m a t e r i a ly i e l da n d m o u l dl i f e t i m e , e t c a r ；ca l lt h ek e yf i w t o r st h a ts h o u l db ec o n s i d e r e dw i t l le m p h a s i s d u r i n gt h ef o r g i n gp r o c e s sd e c i s i o n t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h ep r e c i s i o nd i ef o r g i n gp r o c e s so fc r a n k s h a f ta n d t h er e s e a r c hs t a t u so ft h ef o r g i n gd e v e l o p m e n th o m ea n da b r o a d , c h o o s i n gt h eq z 3 a u t o m o b i l ec r a n k s h a f t 勰at y p i c a lf o r g i n gp a r t i n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o no fc a d c a e t e c h n o l o g yi nt h eo p t i m i z a t i o no f p r e c i s i o nd i ef o r g i n gf o ra u t o m o b i l ee r a n k s h a r b yt h ee x p e r i e n c ed e s i g nw i t ht h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r eu ga n dt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t hd e f o n i l3 d ，t h ei n f l u e n c eo nt h em e t a lf l o w ，m o u l df i l l i n g , s t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o no ff o r g i n gp a r t ，d i el o a d ，a n dm a t e r i a ly i e l df r o mt h e p a r a m e t e r so fw e ba n dr e s i s t a n c ew a l la r ea n a l y z e d t h r o u g ht h es i m u l a t i o na n a l y s i s ， t h es t r u c t u r ea n ds i z eo fw e b ，t h ep a r a m e t e r so fr e s i s t a n c ew a l l ，a n dt h eb i l l e ts i z ea r e o p t i m i z e d ，w h i c hr e a l i z et h et a r g e tt h a ti m p r o v et h ed i es t n l c t u r e ，g e tr i do f t h ef o r m i n g d e f e c t sa n di n c r e a s et h em a t e r i a ly i e l d i nt h ee n d ，b a s e do nt h ec o m p a r i s o nb e t w e e n s i m u l a t i o na n de x a m i n a t i o n ，t h es u c c e s s f u le x p e r i e n c eo f t h i sr e s e a r c hi sc o n c l u d e d t h ep r e c i s i o nd i ef o r g i n go f c r a n k s h a f t ，f i n i t ee l e m e n tt h e o r y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n dc a dt e c h n o l o g yo fm o u l da r ec o m b i n e di nt h i sp a p e r , a n dt h er e s e a r c hr e s u l t a c h i e v e st h ef o l l o w i n gp u r p o s e ：s h o r t e n i n gt h ec y c l ef o rp r o d u c td e v e l o p m e n t ，r e d u c i n g t h em a t e r i a lc o s t ，a n di m p r o v i n gt h ed i el i f e , e t c ，w h i c hc o u l db eu s e dt og u i d e p r o d u c i n gd i r e c t l ya n dp r o v i d eat h e o r e t i c a l b a s ea n dt e c h n o l o g i c a ls u p p o r tf u r p r o d u c i n go t h e l s i m i l a rc r a n k s h a f t s k e y w o r d s ：c r a n k s h a r ；p r e c i s i o nd i ef o r g i n g ；r i g i dv i s c o p l a s t i cf e m ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：夕枣六签字日期：加9 年胡7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重麽盍堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权 重庆太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 1 z ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：芽 4 签字日期：寥哕年彳月) 日 ? lf e t 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 曲轴是内燃机的关键零部件，其结构形状、工作过程、受力情况都相当复杂， 对发动机的总体尺寸、重量、可靠性及制造成本都有很大影响。曲轴在工作中受 到不断变化的燃气压力、惯性力及力矩作用，在各部分产生弯曲、扭转、剪切、 拉压等交变应力，这就要求曲轴有较高的抗拉强度、疲劳强度、表面强度、耐磨 性，同时心都要有一定的韧性。因此，如何改进曲轴的加工工艺以尽可能地提高 曲轴的机械性能和寿命就显得尤为重要【l 】。 在锻造曲轴的过程中，由于多方面的原因，很容易产生充不满、裂纹、折叠 等缺陷，这些缺陷的产生会导致曲轴报废，而曲轴造价比较高，由于缺陷而导致 报废将造成很大的经济损失，另一方面随着生产力的发展，对曲轴的要求越来越 高，因而对工艺设计和锻模设计的要求也就相应提高。此时，c a d c a e 技术就发 挥了巨大作用。 过去由于缺乏科学的预测，使塑性成形工艺和模具设计缺乏系统精确的理论 分析手段，而主要依靠设计人员长期工作中积累的经验，一些关键设计参数要在 模具制造后，通过反复调试和修改才能确定，人力、物力和时间浪费严重。使用 c a d ( 计算机辅助设计) 软件进行设计能直观、准确地反映零、组件的形状、装配 关系，可以使产品开发完全实现设计、工艺、制造的无纸化生产，并可使产品设 计、工装设计、工装制造等工作并行开展，大大缩短了生产周期，非常有利于新 品试制及多品种产品的设计、开发、制造，为工厂提供了一个强有力的产品开发 及设计手段。随着有限元技术广泛的应用于制造业，运用c a e ( 计算机辅助工程) 技术对锻造成形过程进行仿真模拟，通过对成形过程的分析，可以预知成形过程 中的金属流动规律及容易引起锻件缺陷产生的各种原因，以及在成形过程中模具 各部分的应力、应变情况，并据此制定出更为先进的生产工艺，这就降低了从c a d 到c a m 的风险，使设计、仿真与制造并行，确保了产品开发的成功率。 国内目前对曲轴锻造在具体生产环境中金属流动规律的认识，还停留在经验 认识之上，对精密模锻过程中出现的缺陷问题只能凭着经验来解决，这已不能满 足现代化生产的需要。对曲轴精密模锻过程进行数值模拟，精确描述成形过程中 金属的流动规律，应力场，应变场，温度场等，并在此基础上对成形过程中出现 的缺陷进行预测是必要的，对我国整个锻造水平的提高有着重要的意义。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 曲轴锻造成形工艺的研究现状 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 全国精密模锻行业的发展，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，曲轴和前轴是最大的，也是最重要的锻件，需要建立专业化 精密模锻生产线来生产【2 】。 在现代汽车制造业中，对曲轴生产采用两种类型毛坯：用球墨铸铁的铸件和 用模锻方法获得的钢锻件。球墨铸铁因其机械强度接近或超过中碳钢而且成本低、 耐磨性好，在我国应用较广。但是，铸造曲轴与锻造曲轴比较，对同样的支撑宽 度，铸造曲轴支撑面磨损较快，产生的噪声较高，轴部密封失效也较快。锻钢曲 轴则可以降低发动机的噪声和振动，提高燃油的经济性，发动机罩下的其它零件 会更加紧凑。近年来，汽车生产正朝着增大发动机功率、提高发动机汽缸的平均 压力、降低摩擦功耗、加大活塞冲程以增大压缩体积的方向发展，因此，锻造曲 轴代替铸造曲轴已日趋明显【3 】。 近年来，汽车曲轴锻造成形工艺的发展方向是：形状、尺寸精度越来越高， 机加余量越来越小，曲轴的平衡板直接靠锻造成形，而不需要后续加工。在曲轴 材料方面普遍采用非调制钢等金属原材料，曲轴锻后只进行可控冷却，不进行热 处理，这样可避免热处理变形，能更好地满足机加工要求。由于平衡板直接靠锻 造成形，所以对其锻造精度的要求大大提高，否则将会直接影响到发动机的整体 性能 4 1 。 8 0 年代以来，美国、德国、俄罗斯、日本、韩国等均开展了塑性成形的工艺 技术优化研究，取得了良好的效果。中、高速柴油机曲轴基本上全部采用全纤维 镦锻法成形，专业化生产、计算机控制、工艺技术c a e 化。现已有2 1 套镦锻装 置( r r 和早期的t r 镦锻装置) 分别被德国、南斯拉夫、意大利、西班牙、捷克、 日本等国的1 8 家企业所采用，用来锻造主轴颈为9 0 6 0 0 m m ，1 0 0 6 1 0 m m 。1 8 0 1 5 0 0 m m 的曲轴。镦锻装置采用计算机控制，操作控制准确、稳定，偏差范围小， 工件范成性好。低速机半组合曲轴的曲拐毛坯的生产主要是弯锻法，占世界产量 的8 5 以上，个别种类曲拐毛坯生产是块锻法，占世界产量的1 3 。韩国造船业 起步之初与我国情况大致相同，由于韩国高度重视曲轴等关键配套设备的研制生 产，并果断上马曲轴项目，目前已形成曲轴从炼钢到曲轴成品的综合生产能力， 不仅满足了本国大型船用曲轴需要，彻底摆脱了受制于日本和欧洲的境况，而且 实现了曲轴出口。 在国内，我国汽车生产企业以及曲轴专业生产厂家通过对引进技术的消化吸 收和自行开发，总体水平有了较大的提高。例如我国重汽集团从奥地利斯太尔公 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 司引进了e d 6 1 5 系列发动机，并实现了其发动机曲轴工艺和材料的国产化研究： 东风汽车公司载重汽车曲轴是在一条由德国奥姆科公司生产的自动线上运用“r r ” 全纤维墩锻法实现锻造的，锻件重量1 5 0 k g ，自动线由6 台主机和相配套的机械手 组成。毛坯经中频感应加热后送入9 3 0m n q 的辊锻机，辊锻备坯后由机械手送入 1 2 万t 楔式热模锻压力机精密模锻，精密模锻成形、切边后送入8 0 0 t 机械式切边 压力机切边，1 8 0 t 液压曲轴扭转机扭出曲拐转角，最后将曲轴送入1 6 0 0 t 液压校正 机对锻件进行精压。整条线的工作完全自动化，单件生产节拍4 0 s ；中国第一汽车 集团公司于1 9 9 1 年装备了一条大体上相同的锻造自动线，用于锻造载重汽车曲轴 【5 】。 在引进技术、走跨越式发展道路的同时，我们也看到，国内曲轴制造技术的 发展受到诸多方面的限制，距世界先进水平仍相差很远，甚至还满足不了我国汽 车制造业发展速度的需要。我国曲轴专业生产厂家不是很多，且整体规模小、专 业化程度低、企业设备陈旧、产品设计和工艺落后、性能寿命和可靠性差、品种 杂乱，这些都影响了汽车整车的技术需要和运行稳定性要求。目前，国内虽已有 一批先进的锻造设备，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其应有的作用。从总体上讲，改造和更新陈旧的普 通锻造设备、改进落后的曲轴制造工艺、推广应用曲轴设计先进技术，在我国锻 造业尤其是汽车制造领域，显得尤为急迫。 1 2 1 曲轴成形过程的模拟仿真研究现状 在大力推广c a d c a m ，c a e 技术的今天，从自行车到航天飞机，所有的设计 制造都离不开数值模拟分析。目前，国际上许多锻造研究机构和生产企业，已将 锻造过程的计算机数值模拟作为新产品开发的重要前期环节之一。经验证明，通 过计算机模拟，可以获得金属流动、锻件及模具内部应力场和温度场等方面信息， 从而实现锻造工艺过程的优化、锻件缺陷的预测、模具型腔设计的优化、提高模 具寿命、预测和控制锻件的金相组织和力学性能。最终目标是缩短新产品试模周 期，降低模具研制费用，提高材料利用率，降低废品率。 国内外在曲轴锻造方面已大量使用有限元数字模拟技术，比如瑞典依玛特锻造 厂生产沃尔沃汽车发动机瞌轴时，运用有限元技术模拟锻件成形时的充模过程， 检验模具和工艺设计，解决锻件在成形过程中出现的质量问题。清华大学的王纪 武等人，利用开发的三维有限变形弹塑性有限元程序，模拟大型曲轴的“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；华北工学院的任建平利用有限元分析结果，计算了曲轴工作的疲劳强度安全 系数，从而减少加工余量，优化了设计，提高了材料利用率。山东省内燃机研究 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 所的林基超等人将刚粘塑性模拟技术和c a d c a m 技术相结合，充分运用刚粘塑 性有限元正向模拟与反向模拟技术，进行模具设计及工艺优化处理，提高了锻造 工艺水平，改善了锻件质量，降低了锻造费用，同时提高材料利用率1 0 以上， 将模具寿命提高了2 倍。 p c 机在国内的普遍应用为移植和发展p c 版本的有限元程序提供了必要的运 行平台。在国内开发比较成功并拥有较多用户的有限元分析系统有大连理工大学 工程力学系的f i f e x 9 5 、北京大学力学与科学工程系的s a p 8 4 、中国农机科学研 究院的m a s 5 0 和杭州自动化技术研究院的m f e p 4 0 等。我国在“九五”计划期间 大力推广c a d 技术，机械行业大中型企业c a d 的普及率从“八五”计划末的2 0 提高到目前的7 0 。随着企业c a d 应用的普及，工程技术人员已逐步将主要精力 转向如何优化设计、提高产品质量方面一】。 在生产实践中，有限元分析软件与c a d 系统的集成应用使设计水平发生了质 的飞跃，改变了我国传统锻造产业的基本面貌，主要表现在以下几个方面：( 1 ) 增加设计功能，减少设计成本；( 2 ) 缩短设计和分析的循环周期；( 3 ) 增加产品 和工程的可靠性；( 4 ) 采用优化设计，降低材料的消耗或成本：( 5 ) 在产品制造 或工程施工前预先发现潜在的问题；( 6 ) 模拟各种试验方案，减少试验时间和经 费等等。 目前，国际上f e a 技术和软件发展呈现出以下趋势特征：( 1 ) 从单纯的结构力 学计算发展到求解许多物理场问题有限元分析方法：( 2 ) 由求解线性工程问题进展 到分析非线性问题；( 3 ) 增强可视化的前置建模和后置数据处理功能；( 4 ) 与通用 c a d 软件的无缝集成使用；( 5 ) 在w i n t d 平台上的发展与应用。 1 3 研究目的及内容 曲轴是汽车零部件中最复杂的锻件之一，目前我国生产的陆轴锻件仍然存在 加工余量大且锻件热成形充不满、锻件及模具结构设计困难等问题，使得曲轴的 生产质量受到限制。模具设计和制造作为曲轴锻造工艺中最关键的环节，其合理 与否，直接决定着能否生产出满足要求的锻件，对汽车发动机乃至整车的性能和 寿命带来重要影响。 本文通过对汽车雎轴精密模锻成形过程进行有限元模拟，在模具加工制造之 前，检验模具关键工作部分形状和尺寸设计的合理性，分析材料的流动规律，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，预测是否产生缺陷，优化工艺参数，确保工艺、设计和模具制造一次成 功，解决在设计阶段存在的主要问题，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，可推广应用于其 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 它同类产品锻件的生产，为其它同类产品的生产提供理论依据。 本文以大江信达锻造厂的汽车曲轴q z 3 为研究对象，具体研究内容如下： 在三维造型软件u n i g r a p h i c 州c ) 的c a d 平台下进行曲轴类锻件及模具的 参数化实体三维造型； 根据刚塑性有限元法，利用数值模拟软件d e f o r m3 d 对曲轴锻件的成形过 程进行模拟仿真，全面分析工艺连皮的形状及尺寸、阻力墙参数的设计以及曲轴 精密模锻工艺流程的设计等关键因素对曲轴精密模锻成形过程中金属流动情况、 模具型腔充填情况、锻件应力应变分布、模具载荷以及材料利用率的影响。通过 数值模拟，预测成形过程中可能出现的缺陷，优化工艺参数，优化曲轴模具结构， 消除成形缺陷，提高材料利用率； 根据模拟结果，分析锻件的金属塑性成形过程，得出关键因素对曲轴成形 的影响规律，金属流动规律等，获得能够锻出合格锻件的工艺及参数； 通过实际生产，对优化后工艺方案的正确性和有效性进行实践检验。通过 模拟结果与实际生产情况的对比分析，总结课题研究的成功经验，归纳汽车曲轴 精密模锻工艺及模具设计的经验。 1 4 研究的创新点及实用意义 本文基于c a d c a e 技术，对汽车曲轴精密模锻成形工艺进行了优化。运用 u g 三维造型软件进行经验性设计，利用d e f o r m3 d 软件对曲轴的成形过程进行数 值模拟。 主要技术创新为： 通过本课题的研究，提出符合实际的曲轴精密模锻成形过程三维有限元 数值模拟的力学模型，从而为曲轴精密模锻成形过程模拟研究提供了可靠的力学 理论基础； 根据曲轴成形的难点及主要影响因素，在预锻中提出三种不同的连皮形 状，模拟并分析不同连皮形状对曲轴模锻型腔充填效果的影响，并选定三个连皮 厚度，模拟分析了连皮厚度对曲轴模锻成形过程的影响。 为了最大限度地保证曲轴的成形效果及提高材料利用率，提出了阻力墙 新型结构。分别针对阻力墙的三个主要参数：阻力墙位置、斜度、间隙进行模拟 分析，总结了三个主要参数对曲轴模锻成形过程的影响。 通过不断优化工艺参数，最终选定连皮和阻力墙都是最优的方案再次进 行模拟，得出了金属流动规律、锻件温度场分布，以及最优的坯料尺寸。 本论文的研究成果将对曲轴锻件的实际生产起到指导作用，可推广应用于其 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 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，加快新产品的开发周期，提高新产品的市场竞争力。 1 5 研究的可行性 曲轴精密模锻成形技术在国外已经进行了较为深入的研究，并且取得了很多 研究成果，很多先进的曲轴精密模锻工艺已成功应用于生产实际。近年来，在美 国、德国等工业发达国家，已经将数值模拟仿真技术成功用于曲轴精密模锻成形 过程的研究。随着塑性有限元数值模拟软件d e f o r m 、a u t o f o r g e 、a n s y s 等的不断 成熟及国外实验平台的成功建立，借助塑性成形有限元模拟软件以及国外的成功 经验对汽车曲轴精密模锻成形工艺进行研究在技术上是可行的。 重庆大学模具工程技术研究中心在周杰教授的主持下已建成为一个集教学科 研、人才培养、成果转化、工程支持为一体的综合性的研究开发机构。中心拥有 一流的计算机软硬件，引进了锻造成形模拟软件d e f o r m 2 d 3 d 、模具造型软件u g 、 p r o e 、c a t i a 等，为本课题的研究提供了良好的软件条件。中心与重庆大江信达 车辆股份有限公司建立了长期友好的合作关系，为本课题的生产实践提供了有力 的硬件保证。 6 重庆大学硕士学位论文2 曲轴精密模锻成形工艺 2 曲轴精密模锻成形工艺 2 1 引言 精密模锻工艺与一般模锻相比，能获得表面质量好、机械加工余量少和尺寸 精度较高的锻件，可使金属流线沿零件轮廓合理分布，提高零件的强度。因此， 对于生产批量大的中小型锻件，若能采用精密锻造成形方法生产，则可显著提高 生产率，降低生产成本和提高产品质量。据统计，每1 0 0 万吨钢材由切削加工改 为精密模锻，可节约钢材1 5 万吨，可减少机床1 5 0 0 0 台 5 1 。 目前。一般锻件所能达到的尺寸精度约为士o 5 0 m m ，表面租糙度只能达到 r a l 2 5 肛l ，而精锻件所能达到的般精度为0 1 0 o 2 5 r a m ，较高精度为0 0 5 0 1 0 m m ，表面粗糙度可达r a 0 8 3 2 岫。随着加工技术的发展，精锻件的精度水 平还将不断提高。 目前，精密模锻主要应用在以下两个方面： 生产精化毛坯。生产精度较高的零件时利用精锻工艺取代租切削加工，即 将精锻件直接进行精机n - r _ 而得到成品零件。 生产精锻零件。利用精密模锻生产能达到其精度要求的零件。其中多数情 况是用精密模锻制成零件的主要部分以省去切削加工，而零件的某些部分仍需进 行少量切削加工。有时也可完全采用精密模锻方法生产成品零件。 为了进行精密模锻，需要采取相应的技术措旌f 3 1 】： 精锻零件表面不应有( 或允许有少量的) 氧化皮，必要时还要控制脱炭层 厚度。为此，热精锻时通常采用下述措施： 采用少无氧化方式加热坯料。锻造前，应清除坯料表面氧化皮，必要时还要 除去表面脱碳层，或者采用专门方法清除加热毛坯表面的氧化皮。 尽量减少热锻件与空气接触的时闻。锻传应在防止氧化的介质中冷却，以防 止二次氧化。或者利用保护涂层防止热锻件在空气中氧化。 使用具有较高精度的模具和合适的精锻设备。 比较严格地控制模具温度、锻造温度、润滑条件和操作等工艺因素。 提高毛坯的下料精度和质量。闭式精密模锻时，对毛坯体积精度有较严格 的要求，最好采用高效率精密下料方法。 2 2 精密模锻工艺设计流程 锻造工艺设计的实质在于确定一系列必要的工序，使坯料逐步接近锻件形状， 以最少的工序、最短的流程，经济合理地锻造出符合质量要求的锻件。 重庆大学硕士学位论文 2 曲轴精密模锻成形工艺 精密模锻工艺设计工作包括以下方面，如图2 1 所示【6 】。 亟口 甲 图2 1 精密模锻工艺设计流程 f i 醇1f l o wf o rd e s i g no f p r e c i s i o nd i ef o r g i n g 2 3q z 3 曲轴精密模锻工艺分析 本文研究的q z 3 篮轴属予水平分模的四拐曲轴，带4 个平衡块，是形状较复 杂的中小型曲轴，机加后的零件形状及主要尺寸如图2 2 所示。此曲轴重2 0 6 k g ， 总长6 6 5 6 m m ，总宽1 5 2 4 砌。平衡块高度为1 4 8 衄，板宽1 7 5 n u n ，未注拔模斜度 为2 5 9 。此曲轴4 个平衡块w 1 、w 2 、w 3 、w 4 都不机加，只有连杆颈、主轴颈和 大小头的台阶轴机加，上下模的对称度要求0 3 m m ( 一般曲轴未作此项要求) 。 该曲轴虽然是平面分模，但锻造精度要求高，故锻造难度大，且平衡块w 1 与w 2 、 w 3 与w 4 之间的相连部分星s 形，材料利用率低。 考虑到能使金属均匀地分布，减轻终锻型槽的负荷，在终锻前加上预锻工步， 故工艺流程为：下料一中频感应加热一预锻一终锻一热切边一热校正一可控冷却 3 卤卤南 重庆大学硕士学位论文2 曲轴精密模锻成形工艺 一抛丸一检测( 硬度、力学性能、探伤等) 一机加工。 塑b = a 墅【土埏赶 = e艇6 = 6 图2 2 q z 3 曲轴零件图 f i 口2d r a w i n go f q z 3 c m n k s h a r 2 4 曲轴成形难点及主要影响因素 由上述分析及零件图可以看出： 该曲轴的平衡块高度较高，模锻成形时较难充满成形。 针对该难点需重点分析模锻过程的预锻工艺，优化预锻件结构、尺寸及预锻 模工艺参数，尽可能地改善填充效果及提高充型质量。 该曲轴为汽车中小型曲轴中较为细长件，模锻成形时既要满足平衡块充 满，还要保证法兰端和小头台阶轴的充型效果，模锻成形时很可能出现未充满或 者折叠现象。 针对该难点需深入分析模锻过程的预、终锻模结构，合理布置飞边槽及阻力 墙结构，选择优化的坯料尺寸。 平衡块w l 与w 2 、w 3 与w 4 之间的相连部分呈s 形，结构不紧凑。材料利 用率低。 针对该难点需深入分析模锻过程的预、终锻模结构，设计合理的型腔结构及 尺寸，选择优化的坯料尺寸。 9 重庆大学硕士学位论文2 曲轴精密模锻成形工艺 2 5 热锻件图的确定 精密模锻件生产过程、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，而热锻件图是预、终锻模、切边模、校正模制造用图。热锻件图 的设计需要注意以下几点1 6 - s 3 3 - 3 5 1 ： 分模面的选取。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。 确定机械加工余量和锻件公差。考虑到在精密模锻过程中，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；毛坯体积变化及 终锻温度波动使得锻件尺寸控制不定：型槽磨损和上下模难免的错移现象导致锻 件尺寸出现偏差等情况，锻件不仅应加上机械加工余量，而且还得规定适当的锻 件尺寸公差。在本文的曲轴锻件中，按照经验取余量为：轴向3 m m ，主轴颈单边 2 5 m m ，连杆颈单边2 5 m m ，由于平衡块不进行机加工，所以不设加工余量。而对 于公差，取轴向公差由曲轴中心线向两侧标注，为4 - 1r n n l 。 精密模锻斜度及圆角半径。在锻件上与分模面相垂直的平面或曲面所附加 的斜度或固有的斜度统称为模锻斜度。模锻斜度的功用是使锻件成形后能从型槽 中顺利取出。但是加上模锻斜度后会增加金属损耗和机械加工工时，因此应尽量 选用最小的模锻斜度。对于精密模锻，压机通常为热模锻压力机，模锻斜度较小， 一般取3 。或更小，本文未注拔模斜度为2 5 0 。为了便于金属在型槽内流动和考虑到 锻模强度，锻件上凸出或凹下的部位都不允许呈锐角状，应当带有适当的圆角。 凸圆角的作用是避免锻模在热处理时和精密模锻过程中因应力集中导致开裂，凹 圆角的作用是使金属易于流动充填型槽，防止产生折叠和型槽过早被压塌。根据 相关资料，精密模锻凸凹圆角半径均为3 m m 。 考虑到金属冷缩现象，热锻件图上的尺寸应比冷锻件图的相应尺寸有所增大。 理论上加放收缩率后的尺寸按下式计算： 三= t ( 1 + 万)( 2 1 ) 式中i 热锻件尺寸； z 冷锻件尺寸； 万终锻温度下金属的收缩率，钢为( 1 2 1 5 ) 。 q z 3 曲轴形状结构对称，在冷锻件图的基础上加放1 5 的收缩率即可满足要 求。 本课题中，按照以上原则绘制的q z 3 曲轴热锻件图结构和尺寸如图2 3 所示， 1 0 重庆大学硕士学位论文2 曲轴精密模锻成形工艺 采用u g 软件建立的终锻件三维模型如图2 4 所示。通过u g 软件可以直接测得热 终锻件体积为3 0 8 7 9 c m 3 ，可以计算出终锻件质量为2 4 2 k g 。 一 、厂w h 翁。缈 母8 8 2 口h，ma fl爨。 ii黔 刊豳产 9 霹r 一 l 毒 黝 1 一 偎广_ ： r眶翻b。7 ，| 州 j_ j0 一 r 娩 1桶 丽蠢匿 雌j l 疆l搿 诅 j 。 南u 帛 辞) 蕊 窜 。彰削 童 l j 卡 _ j i _ 图2 3 q z 3 曲轴终锻件图 f i 9 2 3d r a w i n gf o rq z 3c r a l l k s h a ro f f i n i s h - f o r g i n g 图2 4q z 3 曲轴终锻件三维模型 f i 9 2 43 dm o d e lf o rq z ac r a a k s h a ro f f i n i s h - f o r g i n g 2 6 预锻件的设计 预锻在精密模锻工艺中占有非常重要的地位，其作用是使金属均匀地分布， 减轻终锻型槽的负荷，以保证终锻时金属充满型槽，得到无折叠、裂纹或其它缺 陷的优质锻件，同时有助于减少终锻型槽磨损，提高使用寿命 6 - 8 , 3 3 - 3 s 1 。设计曲轴 预锻件时应主要注意以下两个问题： 折叠折叠是金属变形流动过程中已氧化的表层金属汇合在一起而形成 的。折叠与原材料和坯料的形状、模具的设计、成形工序的安排、润滑情况及锻 造的实际操作等有关。在零件上折叠是一种内患。它不仅减少了零件的承载面积， 重庆大学硕士学位论文 2 曲轴精密模锻成形丁艺 而且，工作时此处应力集中，常常成为疲劳源，尤其当折纹与受力方向垂直时危 害更严重。 充不满。模锻时，引起充不满的原因可能是：在型槽深而窄的部分由于阻 力过大不易充满；在型榷的某些部分，由于金属不易流到而不易充满：制坯后某 部分坯料体积不足或操作时由于放偏，导致金属量不足引起充不满。 热模锻压机锻造的一个特点，即金属在水平方向的流动较为强烈，而在高度 方向的充填能力较差。这在成形具有轮廓大、厚度小的平衡块的曲轴时则表现的 更加突出。平衡块的顶部，尤其是圆角处很难饱满成形。所以，在预锻时，为了 保证曲轴平衡块能够充满，在预锻件平衡块间设计了连皮，目的是在终锻时将连 皮处多余的金属横向挤压流动后，在模具侧壁以及桥部口阻力的作用下，迫使金 属向高度方向流动以充满模膛。连皮的形状和最佳厚度h 采用数值模拟的方法确定。 为了减小金属流动阻力，同时防止产生折叠，预锻件的圆角要比终锻件的大。 在锤击方向，预锻件未注凹圆角( 预锻型腔为凸圆角) 均在终锻件圆角基础上加 5 m m 。在水平面上拐角处的圆角半径也适当增大。预锻件的拔模斜度与终锻件一 致。按照以上原则绘制的q z 3 曲轴预锻件图结构和尺寸如图2 5 所示，采用u g 软件建立的热预锻件三维模型如图2 , 6 所示。 图2 5 q z 3 曲轴预锻件图 f i 9 2 5d r a w i n gf o rq z 3c r a n k s h a f to f p r e f o r g i n g 1 2 土必拳丘 重庆大学硕士学位论文 2 曲轴精密模锻成形工艺 图2 6q z 3 曲轴终锻件三维模型 f i 9 2 63 dm o d e lf o rq z 3c r a n k s h a f to f f i n i s h - f o r g i n g 2 7 设备吨位的选择 为了获得优质锻件并节省能量，保证正常的生产率、锻模使用寿命及设备工 作状态，选用适当吨位的热模锻压机是至关重要的。在生产上，方便起见，多用 从经验中总结出来的经验或经验一理论公式进行快速的运算确定吨位。更为简易 的方法是参照相似锻件的经验直接判断所需设备吨位。 这里，我们采用经验公式来计算锻件的锻造压力，并选择设备吨位【3 埘】。 p = k f ( 2 2 ) 式中k 金属变形抗力系数，决定于钢种和锻件形状的复杂程度 ( 1 0 k n o n 2 ) ，一般取值为4 0 7 3 ，对于曲轴一般取5 6 ： f 包括锻件飞边桥部宽度在内的投影面积( 锄2 ) 。 飞边桥部宽度按1 5 r a m 计算，由u g 2 d 分析可直接测得f = 9 6 8 9t c l 】r 1 2 ，计算 得到p = 5 3 3 m n 。考虑到设备安全和工厂实际情况，选用8 0 m n 的热模锻压力机。 在后面的数值模拟中将对残形载荷进行精确计算。 2 8 锻件材料及下料尺寸确定 2 8 1 锻件材料特性 近年来，毛坯重量为1 0 2 5 k g 的汽车曲轴锻造成形越来越多地采用非调质钢， 其中4 9 m n v s 3 的应用范围最广泛。对于平衡块不机加的汽车曲轴，非调质钢 4 9 m n v s 3 将逐渐替代其它原材料，如4 0 c r 、4 0 c r n i m o a 、4 2 c r m o 等。 非调质钢4 9 m n v s 3 、c 3 8 n 2 的优点是曲轴锻后只进行可控冷却，不进行热处 理，这样可避免热处理变形，能更好地满足机加工要求，提高产品质量，缩短生 产周期【3 “。 非调质钢曲轴的锻造成形，主要是控制锻件的加热温度，始、终锻温度和控 冷速度，有效地保证曲轴锻件的综合力学性能及曲轴的加工性能和使用寿命。 q z 3 曲轴所选用的材料为非调质钢4 9 m n v s 3 。4 9 m n v s 3 钢是德国蒂森公司 1 3 重庆大学硕士学位论文 2 曲轴精密模锻成形工艺 7 0 年代初研制的第一代曲轴材料，是为桑塔纳汽车发动机曲轴专门设计的钢种。 4 9 1 v s 3 的化学成分及机械性能如表2 1 及表2 2 所示。由于4 9 m n v s 3 钢中硫含 量较高，组织结构稳定，硬度均匀，表面硬度差较小，大大地改善了曲轴切削加 工时的切削性能，提高了生产效率和刀具使用寿命，较大幅度地降低了加工制造 成本。 表2 14 9 m n v s 3 的化学成分 元素 cs im npsc rm o 含量 0 4 4 0 5 4o 1 5 0 60 6 1 00 0 3 5 0 0 5 0 0 7o 2 50 4 0 ( ) 表2 24 9 m n v s 3 的机械性能 材料机械性能 盯，m p a仃6 m p a h b s 4 9 m i i v s 3 4 9 1 - - 4 9 77 8 0 9 0 02 4 0 一2 8 5 h b 2 ，8 2 下料尺寸确定 确定锻模所需原坯料尺寸时，应根据锻件的形状和尺寸以及所采用的锻造方 法，先计算出所需的金属体积，然后再算出坯料的截面尺寸和下料长度。生产中 由于方钢品种少及其工艺适应性小的原因，通常用圆钢作为毛坯。 根据经验，同类曲轴锻造时材料利用率一般为6 5 7 5 。按照材料利用率 为7 0 计算，终锻件重量为2 4 2 k g ，则坯料重量为3 4 6 k g ，初步选择0 9 5 m m x 6 0 0 m m 的坯料。这种经验方法不是很精确，后面将采用数值模拟的方法进行坯料的优化 选择。 2 9 本章小结 本章对研究对象q z 3 平面四拐曲轴的精密模锻工艺进行了分析，初步确定了 曲轴精密模锻工艺流程，根据零件图纸设计了用于模具加工制造的热锻件图，在 热锻件图的基础上设计了预锻件图，介绍了曲轴模锻中经常出现的折叠和充不满 两种缺陷。并详细说明了非调质钢4 9 m n v s 3 的成分和性能，根据经验公式计算了 成形载荷，初步选择了坯料的规格。 1 4 重庆大学硕士学位论文3 曲轴成形过程的数值模拟 3 曲轴成形过程的数值模拟 3 1 引言 对于新产品的开发过程，一般包括工艺制定、工序设计、模具设计、设备选 取等，各工艺参数的合理设计与确定依赖于对塑性成形过程变形机理的掌握。过 去由于缺乏科学的预测，使塑性成形工艺和模具设计缺乏系统精确的理论分析手 段，而主要依靠设计人员长期工作中积累的经验。尽管计算机三维c a d 设计已经较 好地应用于模具的三维造型和数控加工，提高了模具制造的效率和精度，但就工 艺、工序和各工序模具设计而言，三维c a d 仅作为一种造型设计手段为模具c a m 服 务。基于数值模拟方法的金属塑性成形过程c a e 技术与软件对于工艺、工序和各工 序模具设计及设计方案的验证、优化具有关键作用，借助于计算机c a e 技术可充分 掌握金属在塑性成形过程中的流变规律，得到较优的成形工艺参数，并为后续模 具开发奠定了基础，这就降低了从c a d 到c a m 的风险，使设计、仿真与制造并行， 确保