毕业论文-基于光棒毛坯的曲轴成型研究【终稿】

太原科技大学毕业设计（论文）题目基于光棒毛坯的曲轴成型研究姓名学院（系）材料科学与工程学院专业材料成型及控制工程（锻压）年级2011级指导教师2015年6月16日目录目录II摘要VABSTRACTVI第一章绪论111引言112大型多拐曲轴锻件和锻造工艺介绍1121自由锻造法1122弯曲镦锻法213研究的主要内容4第二章成型工艺原理分析及有限元模拟依据和DEFORM软件介绍521工艺运动原理分析5211RR法运动分析5212NRR法运动分析5213NTR法运动分析522有限元模拟理论依据6221塑性成型模拟分析方法分类6222刚塑性有限元法723刚塑性有限元模拟软件DEFORM7231DEFORM软件介绍7232DEFORM软件的模块组成7第三章曲轴弯曲镦锻成型工艺研究931引言93212V140曲轴RR法工艺及模拟分析932112V140曲轴工艺分析932212V140成型模拟933模拟结果分析11331金属流动分析11332塑性变形区和等效应变分析13333温度场分布13334模腔填充分析14第四章NRR法的成型结论和曲轴成型工艺的新方法的引用1641基于光棒的NRR法成型16411NRR法工艺分析16412光棒的采用17413模具的选用17414运动关系17415模拟初始设定1742NRR法成型过程18421金属流动分析18422等效应变分析21423模腔填充分析及原因分析2343NRR法的工艺方案修改24431第一镦粗比和错锻角对成型的影响25432对金属流动的影响30433摩擦系数的影响314412V240曲轴NRR法模拟总结和模具改进方案33441模拟结论32442模具改进方案33第五章新工艺条件下的模具改进及参数优化3451新的模具设计3452新模具条件下的数值模拟35521模拟初始条件设定35522工艺参数设定3553模拟结果分析35531模腔填充情况分析35532金属流动分析38533成型结果的三位视图40534等效应力应变分析40535锻造力的分析41第六章结论44参考文献45致谢46附录英文翻译47基于光棒毛坯的曲轴镦锻研究摘要大型曲轴是大型内燃机的关键部件之一，目前，大型曲轴采用的锻造工艺主要为自由锻造法和全纤维弯曲镦锻法，由于全纤维镦锻工艺使曲轴的疲劳强度大大提高，并且有效的减小了加工余量，提高尺寸精度所以曲轴弯曲镦锻成型技术的RR法和TR法现已经被国内外广泛应用。然而无论是RR法还是TR法由于工艺本身结构的限制无法根据金属填充情况优化弯曲镦锻的速度参数。现有的国内的技术仍采用阶梯形毛坯，这造成了曲轴的纤维仍有部分被切断的，材料利用率低，不能很好的满足国内对高品质曲轴的需求。因此，对曲轴全纤维镦锻技术进行研究分析具有重要意义。采用DEFORM软件对国内某厂现在使用过的RR法锻造工艺的成型缺陷进行评价分析（1）将现有的RR结构改变成NRR结构使得水平速度和竖直速度相互独立，同时采用预镦粗错锻终锻三步成型工艺对光棒坯料进行模拟填充分析。在多次模拟后通过分析模拟结果发现第一镦粗比和错锻角以及摩擦系数是影响曲肩成型主要影响因素。（2）在NRR的研究基础上对模具和毛坯参数进行优化，再次经过改变错锻角和镦粗比得到基于光棒毛坯的曲轴成型方案。关键词全纤维曲轴光棒毛坯NRR三步法STUDYONTHEUPSETTINGTHEORYANDEXPERIMENTOFTHEFULLFABRICCRANKSHAFTFORMEDBYBARERODBLANKABSTRACTHEAVYCRANKSHAFTISONEOFTHEKEYPARTSOFINTERNALCOMBUSTIONENGINE,ATPRESENT,THEUSEOFLARGECRANKSHAFTFORGINGPROCESSISMAINLYFORFREEFORGINGMETHODANDTHEFIBERBENDINGUPSETTINGMETHOD,DUETOTHEFIBERUPSETTINGPROCESSHASTHECRANKSHAFTFATIGUESTRENGTHGREATLYIMPROVED,ANDEFFECTIVELYREDUCETHEMACHININGALLOWANCE,IMPROVETHEDIMENSIONALPRECISIONSOTHECRANKSHAFTBENDINGUPSETTINGFORMINGTECHNOLOGYOFTHERRANDTRMETHODHASBEENWIDELYUSEDATHOMEANDABROADNOWHOWEVER,WHETHERTHERRANDTRMETHODASARESULTOFTHELIMITATIONOFTECHNOLOGYITSELFSTRUCTURECANTACCORDINGTOTHEMETALFILLINGSPEEDOFBENDINGUPSETTINGPARAMETERSOPTIMIZEDCONDITIONEXISTINGDOMESTICTECHNOLOGIESSTILLADOPTSSTEPPEDBLANK,WHICHCAUSEDTHEFIBERISSTILLPARTOFTHECRANKSHAFTISCUTOFF,THEMATERIALUTILIZATIONRATEISLOW,CANNOTBEVERYGOODTOMEETDOMESTICDEMANDFORHIGHQUALITYOFTHECRANKSHAFTTHEREFORE,STUDYOFALLFIBERUPSETTINGCRANKSHAFTTECHNOLOGYANALYSISISOFGREATSIGNIFICANCEUSINGDEFORMSOFTWARETOAFACTORYNOWUSEDBYTHEDOMESTICRRMETHODTOEVALUATETHEFORMINGDEFECTSOFFORGINGPROCESSANALYSIS1CHANGINGTHEEXISTINGRRSTRUCTUREINTONRRSTRUCTUREMAKESTHEHORIZONTALVELOCITYANDVERTICALVELOCITYAREINDEPENDENTOFEACHOTHER,ATTHESAMETIMEWEANALYZEDTHESIMULATEDFILLINGOFLIGHTBARBILLETWHICHADAPTEDTHETHREESTEPSMETHODOFPREUPSETSTAGGEREDFORGINGFMISHFORGINGFORMINGPROCESSAFTERMULTIPLESIMULATIONSWEFINDKEYBYANALYSISINGTHERESULTSOFSIMULATION,THEFIRSTUPSETTINGRATIOANDMISFORGINGANGLEANDFRICTIONCOEFFICIENTAREMAINFACTORSWHICHAFFECTINGIMPACTCURVESHOULDERSHAPE2OPTIMIZINGTHEDIEANDBLANKPARAMETERSONTHEBASISOFSTUDYINGTHENRRMETHOD,AFTERCHANGINGMISFORGINGANGLEOFFORGINGAGAINTOGETTHECRANKSHAFTFORMINGSCHEMEWHICHBASEDONBARERODBLANKKEYWORDSFULLFIBERCRANKSHAFTBARERODBLANKNRRTHREESTEPMETHOD第一章绪论11引言大型多拐曲轴是大型内燃机的重要组成部分，主要应用于船舶和机车等的发动机中。曲轴是发动机的主要传递扭矩的部件，同时也是工作环境较差的部件它不仅要将连杆传递来的力转化为扭矩同时因为它的结构复杂所以在工作过程中它将承受周期性的弯曲应力，扭转应力，惯性力和震动产生的附加应力的作用1。因此合格的曲轴具备良好的强度，刚度，耐磨，耐疲劳，抗冲击等良好的综合机械性能，并且还要求有良好的内部组织，表面的内部的缺陷尽可能的少，组织纤维要尽可能的分布合理，而这些性能又与材料的本身特性和加工工艺有着密切的关系。大型曲轴的锻造方法主要分为自由锻造法和弯曲镦锻法，自由锻造法因为产品质量和生产经济性的原因已经逐渐被淘汰，而弯曲镦锻法已经在国内被广泛应用。目前比较成熟的全纤维曲轴锻造RR法和TR法但是在工艺上还需要进一步的改进。RR采用斜面传力，由于斜面倾角的限制致使在锻造前期要进行棒料的预预锻和少量的机加工使坯料成为阶梯轴，这种加工方式会切断金属纤维影响曲轴纤维的流畅性影响其性能。TR法是采用肘杆传力虽然较RR法有力的分配上合理些，但是仍然是采用阶梯轴为配料在某些方面和RR法有同样的缺陷2。以光棒作为坯料较阶梯轴更有利于曲轴的最终的性能，同时减少工序节约成本。本文将以光棒为坯料对现有的的几种镦锻方法进行分析比较着重分析以光棒为坯料的成型过程。12大型多拐曲轴锻件和锻造工艺介绍310121自由锻造法自由锻造法只能锻造出单拐曲轴，然后在组装成多拐曲轴。单拐曲轴的自由锻工艺是先将毛坯自由锻造成与曲轴相似的方块，然后在用机加工和起切等方法切除多余材料。图11是自由锻造曲轴的基本过程。从图上我们可以直观的看出自由锻造曲轴有以下几个缺陷1曲轴颈是切割或者机加工出来的，致使金属纤维被切断同时内部质量差的组织将暴露在曲轴表面，这将是曲轴的机械性能降低，寿命简短。2材料利用率低，工序复杂，经济效益差。目前，由于该方法工艺落后已经逐步的淘汰故此在本文中将不在进行分析。122弯曲镦锻法弯曲镦锻法的主要原理是先将毛坯制成阶梯轴的形状，然后上压机进行压制。半径小的地方成为主轴颈和曲拐颈，半径大的地方成为曲肩。多拐曲轴在锻造过程需要逐个的锻出单拐然后旋转规定的角度再锻下一个曲拐。相较于自由锻造法弯曲镦锻法有明显的优势首先弯曲镦锻能够较好的保证金属纤维的连续完整性，并且纤维流向与曲轴的轮廓相符合；这个特性能够使得曲轴的综合性能得到提升安全性能也得到提高。其次弯曲镦锻法生产的曲轴尺寸精度高这将大幅减少机加工，节约材料节约成本。弯曲镦锻法根据装置原理的不同可以简单的分为RR法和TR法，在这两种方法的基础上又升级开发出了NRR法和NTR法。下面将对这几种方法进行简单介绍。（1）RR法RR法是法国工程师RRORDER20世纪三十年代提出的“大型曲轴全纤维弯曲镦锻法”简称RR法。其工作原理是水压机对上活动横梁施加力，上冲头安装在模架上随横梁运动；由于两侧滑块的作用水压机的竖直力将会分解成水平的镦粗力图11为RR法结构简图。图11RR法结构简图（2）NRR法NRR法是上世纪80年代日本制钢所根据RR改进而来的。其和RR法主要的不同点是冲头位置加装了单独设立的油缸可以独立的控制弯曲过程从而实现了“预锻错锻终锻”三步锻造法。该方法解决了弯曲过程不可控制的问题，成型效果良好锻件质量高而且可以用光棒直接成型。图12NRR法结构简图3TR法是波兰工程师TRUT上个世界60年代研制成功的装置，它也是一种在RR法装置改良而来的另一种弯曲镦锻装置，简称TR。TR法的工作原理是利用肘杆将水压机的竖直力分解为水平的镦粗力和竖直的弯曲力，肘杆的角度是随时间而变化的，这使得水平力由小到大而弯曲力和压紧力是不变的。图13TR结构简图（4）NTR法NTR法是根据RR法TR法的不足而提出来的一种全新的曲轴弯曲镦锻的方法，它是将TR法进行改进，改变以往的弯曲力和镦粗力都由水压机提供的的模式，而是和NRR法一样将弯曲部分的运动进行分离，设立单独的弯曲缸；镦粗部分的运动仍然和TR法相似。图13为其机构简图从图上可以看出该装置大体上和TR法的装置一样，在工作的时候主油缸推动横梁向下运动，在肘杆的作用下这个运动将会分解为左右模块的向内侧的镦粗力和压紧坯料的力。弯曲缸的独立使得可以控制上冲头的运动，可以自由的调节弯曲工艺。13研究的主要内容本文将以12V240曲轴为研究对象，对其进行模拟研究。根据现有的问题，以光棒为坯料进行全纤维的“三步法”弯曲镦锻模拟对曲轴成型的几个关键技术，即锻造工艺分析，工艺方案优化，成型过程变形分析，各种参数对曲轴成型的影响等进行理论研究。本次研究是在给定零件几何形状和刘建生教授对12V140曲轴模具改进的基础上利用PROE完成模具造型，另外采用DEFORM有限元分析软件，利用光棒为坯料，对曲轴进行全纤维的“三步法”弯曲镦锻工艺进行模拟成型，通过数据的更改以的到最优的成型数据。主要的研究的内容包括以下几个方面1利用三维造型软件对曲轴的单拐的毛坯和模具进行设计构建数值模拟模型2根据刚粘性有限元基本原理，利用数值模拟软件DFROM对锻件的成型进行模拟仿真。3研究曲轴成型过程中金属的流动规律，温度场分布，应力、应变分布规律，确定各锻造工步速度、变形量，复合成型工艺的成型过程中的镦粗比、错锻角等工艺参数。4分析成形先后顺序、变形量等对模具充填情况影响，分析NRR法和NTR法的优缺点，改善模具结构。14研究目的这次的课题研究对曲轴成型过程的仿真实验的目的如下1对已学的知识进行系统的运用，在模拟试验中提升分析实际问题的能力和利用用已学的知识解决问题的能力。2研究曲轴在成形过程中的金属流动、应力应变和温度的分布规律，理解曲轴成型时变性规律，预测成形过程中可能出现的问题。3基于DEFORM平台对阶梯轴坯料和光棒为坯料进行成型对比确定最优成型方案。第二章曲轴成型工艺原理分析及有限元模拟依据和DEFORM软件介绍21工艺运动原理分析11211RR法运动分析RR法的装备简图如所示。如第一章所述，其工作原理是水压机对上活动横梁施加力，上冲头安装在模架上随横梁运动；由于两侧滑块的作用水压机的竖直力将会分解成水平的镦粗力运动分析根据RR法的工作原理可知，弯曲锻造的水平力和竖直力都是由水压机提供的总力通过斜面分解而来，而且它们在这两个方向的位移是同时进行。由物理需知识可以得到这两个方向上的速度关系即21TAN21V是上模架的斜面与竖直方向的夹角。显然，是和水压机是水平速度是弯曲速度21VV1V速度有关的量；而大小是与和相关的量，在确定的情况下只与相关。所以当11V模架斜度确定时也是常量。在实际中取30至40之间。2212NRR法运动分析NRR法装备简图如图所示；它的主要运动机构和RR法是相似的，只不过上下冲头和左右模块的控制油缸不一样。它的运动规律依然可以用22TAN21V来表示，只不过这个公式中的不再表示的是弯曲速度而是上横梁的竖直速度。弯曲速度用1V来表示，并且它是一个可控的变量。3V213NTR法运动分析NTR法是从TR法上改进而来的一种曲轴锻造方法，在上面已经对其做了简单的介绍，结构简图如图所示。由其原理可以知道水压机在肘杆的作用下将对左右模具产生向左（右）的力，由图分析可知变形过程中是水平和竖直关系的决定因素。在生产实际中的取值范围为至0268运动分析设肘杆的长度为L，表示肘杆与竖直方向的夹角,H和S分别为竖直行程和水平行程，根据几何关系可以列出如下方程,下标表示位置状态1表示初始位置2表示终状态23SINI1212S24CO2LH有上面公式可以推出瞬时水平位移25SIN1瞬时竖直位移（26SCO1H对瞬时位移求导就可以得到瞬时速度即；所以（）27TTSDLVCTTHDLVSINTANSHV2122有限元模拟理论依据221塑性成型模拟分析方法分类12塑性成型工艺模拟时采用的方法可以分为三类（1）解析法，主要包括主应力法（切块法），滑移线法和上限法，他们都是属于塑性力学中的经典解法；（2）数值法，这种方法是伴随计算机技术发展和广泛应用而产生的，包括有限元法，有限差分法和边界元法，其中有限元法是其中最为广泛应用的方法；（3）物理模拟法，即各种试验方法。数值方法能用于获得金属塑性成形过程中应力应变、温度场分布、成形缺陷等详尽的数值解，能用于分析十分复杂的成形过程。在金属成形过程中，工件发生很大的塑性变形，在位移与应变的关系中存在几何非线性，在材料的本构关系应力应变中存在材料非线性，即物理非线性。不仅如此，模具型面的几何形状往往比较复杂，工件与模具的接触状态不断改变，摩擦规律也难以准确描述。由于以上种种原因，金属塑性成形问题难于求得精确解。工艺模拟输出输出图21塑性模拟的典型框架图222刚塑性有限元法13刚塑性有限元法是由李（CHLEE）和小林史郎于1973年提出来的。这种方法忽略了塑性变形过程中的弹性变形，因此在小变形时其计算精度不如弹塑性有限元法。但是由于塑性加工问题的变形量都比较大，而弹性变形比塑性变形小得多，因此采用这种方法仍能得到较好的结果。刚塑性有限元法采用列维米席斯（LEVYMISES）率方程和VONMISES屈服准则，求解未知量为节点位移速度。它通过在离散空间对速度的积分来解决几何非线性，因而解法相对简单，求解效率高。求解精度满足工程要求。根据材料对速率的敏感性，材料模型有刚塑性硬化材料和刚粘性塑性材料。刚粘性材料对应的原则是刚粘性有限元法，它适用于热态体积成型，所以刚粘性有限元法不能进行卸载分析，无法得到残余应力，变形回弹，另外刚塑性区的应力计算等亦有一定的误差。尽管如此，仍在塑性加工中得到广泛的应用，也成为一些商用软件（如DFORM）的核心算法。刚塑性有限元法是建立在刚塑性材料变分原理基础上，其方法主要有小林史郎等提出的，建立不完全广义变分原理的基础上的拉格朗日乘子法，小坂田等人提出的，建立在可压塑性材料基础上刚塑性有限元法，以及由监凯维奇等提出的罚函数法。23刚塑性有限元模拟软件DEFORM14231DEFORM软件介绍DEFORM3D是以有限元法为基础的金属成型加工和热处理的模拟分析软件，该软件操作简单，实用性强，计算效率高；通过在该软件上的模拟加工过程可以得到成型过程中的材料流动情况，应力应变的分，温度分布，成型载荷和成型缺陷等一系列工艺参数信息。这些信息可以帮助工程设计人员进行设计参考，减少昂贵的现场实验成本，提高设计效率，降低生产成本。DFORM强大而又灵活，其友好的图形界面在前期数据准备和后期工艺分析与优化载荷，能量值，应力应变温度分布，金属流动情况，工件几何形状的变化和其他结果解释与评价确定各工艺参数模具几何要素工件尺寸形状几何参数模具型腔尺寸，工件形状尺寸工艺参数模具运动速度,变形温度范围,润滑条件产品公差，表面质量变形要求设备吨位规格及其他限制材料参数加工硬化与速度敏感，各向异性及温度影响约束条件的成型分析中用起来很方便，另外DEFORM还提供了几何和修改工具，在模拟过程中可以自发的进行网格重新划分，优化网格，这对于复杂的工程问题来说是极其重要的。232DEFORM软件的模块组成151前处理器前处理器是DFORM的输入部分，在这里用户可以可以进行模拟材料的准备包括模具，坯料，速度，网格，行程等信息。通过这些信息的设置，用户可以对整个模拟的过程进行控制。（2）求解器求解器是该软件的核心，它集弹性，热传导，刚塑性，弹塑性等于一体可以根据前处理其中信息进行求解。在这个过程中如果变形体的网格发生畸化，求解器可以自动生成网格以便求解的继续。（3）后处理器后处理器是将模拟结果可视化，在这里用户可以对相关的场量，工件形状等进行详细的分析。第三章曲轴弯曲镦锻成型工艺研究31引言本章将以12V140曲轴为研究对象，在对比基于阶梯轴曲轴成型和采用以光棒为毛坯在NRR法和NTR法上成型，然后采用控制变量的研究方法优化光棒曲轴的成型工艺，优化模具，提高成型质量。此次模拟将在DFORM软件上进行。3212V140曲轴RR法工艺及模拟分析32112V140曲轴工艺分析12V140曲轴是常见的曲轴产品，我这里选取的是天津重型机械厂的成型工序。根据资料显示自1956年开始，天津重型机械厂就在65MN的水压机上采用RR法进行曲轴生产，由于模具的限制，整个过程只有一个弯曲和镦粗同时进行的工序。在生产中，该曲轴成形结束后，其拐颊横截面右上角仍未充满，尤其在两端附近区域更为严重，这将导致拐颊上端加工余量不足由于在生产过程中存在拐颊内侧上端充不满的问题16。为了避免该缺陷的存在对曲轴质量的影响，生产中在工艺上加大了模膛的尺寸，但模膛的增大导致了材料利用率不高、金属纤维切断现象严重等缺陷问题的出现。32212V140成型模拟为了直观的观察RR法成型时的缺陷，现对曲轴进行成型模拟1模具的选用机车用12V2401插轴为天津重型机器厂的在线生产产品，它们以前用的模具曲肩型腔如图31所示图31现用模具曲肩截面2给定的单拐零件图和生产实际中的锻件图和毛坯图24545,71239,125,0715,260185061616160R208R2675209,845,7152,4图32锻件和零件图图33阶梯轴坯料3计算条件初始网格划分50000材料模型IOS1035钢温度条件工件初始温度1100，模具初始温度20；边界条件热传导因子11，温度边界条件003模具斜面角401度弯曲速度30MM/S，弯曲行程1375MM镦粗行程116MM33模拟结果分析331金属流动分析速度场分坯料中速度场的分布描述了成型过程中金属质点的流动情况，箭头表示方向，线段长度描述速度大小。为了了解成型过程中曲轴各部分塑性流动规律，预测成型缺陷，将去几个代表性的平面进行分析。从图中我们可以发现整个成型过程中金属流动可以分为三个部分即主轴颈，曲肩部分，曲拐颈。首先分析左边的整体流速图可以得到如下结论1）曲拐颈部分在上下冲头延Z轴运动的过程中，主轴颈随上下冲头做刚性直线运动；2）主轴颈部分由于左右模块的夹紧作用，主轴颈部分要跟随其向左（右）方向做刚性运动。3）曲肩部分位于曲轴颈和主轴颈中间的曲肩部分，因为与两个轴颈都有接触，这样将会使它将受到这两部分的影响并且为最大的塑性区。靠近曲拐部分将受到向下的牵扯，由上而下逐渐增强。在与主轴接触的方向上在压力的作用下将被墩粗。在初期的时候上部分的向下流速大于水平速度所以靠近曲轴颈部分的流动以向下为主，曲肩上的塌角可以说明这一点；下部分可以直观的看出其向下的流动剧烈。在中后期当下方的曲肩与下模接触后，由于向下流动受到了限制，曲肩的上部分金属开始向上流动并且速度逐渐增大直至模具闭合。分析右边的模具与锻件的相对位置图可以看到，在前期图A（10步之前进入曲肩的棒料几乎还是圆形，这说明在这个过程中曲拐颈对曲肩的影响还不是很大，坯料正在被镦粗。在中期的时候图B、C5560步在这个时期，坯料明显呈现向Z方向拉长的椭圆，并且下部型槽逐渐充满这说明由于下模的限制，从左边转移过来的金属除了填满由于下模相对运动而产生的空间而且还向两边有金属转移（X方向）。在弯锻即将结束的时候除了几个角落以外其他的地方的速度基本为零，这说明这几个角落是难以充满的地方。A）弯曲20MM（10步）B）弯曲50MM（25步）C）弯曲129MM（60步）D）弯曲1375MM（70步）图34不同阶段的速度场332塑性变形区和等效应变分析图为曲轴的MISES等效应变的分布图，由MISES屈服准则知这也是塑性变形区。在纵向剖切图上可以看到塑性变形区域延曲肩的对角线分布，等效应力的大小向左右两变逐渐的减小。同时可以看到在这条对角线的起点和终点的附近有一块等效应变很大的区域，对比上面的速度图可以知道这是由于Z方向的速度引起的塌角，这是导致成型后这两个拐角充不满型槽的原因。从竖向剖面上来看等效应变是从上到下逐渐减小，而中部的等效应变较大，这说明中部受镦粗影响大，内部组织变化显著，而左下侧曲肩塑性变形小，内部组织可能不理想。图35等效应变分布图333温度场分布图为锻件成型后温度场的分布。图中最小温度为313摄氏度，应该是在表面的氧化皮。锻件的初始温度为1100度，在塑性变形时由于温度效应使得锻件的主体，特别是上在上曲肩部分温度达到1140度左右（H，G，F），这也间接的说明了在成型后期，上曲肩部分塑性变形程度很大。A表示的是终端温曲线，由于知识水平的不足这里就不在对这条线是否影响成型进行讨论了。图36温度分布曲线334模腔填充分析A曲肩上部B曲肩下部C距主轴颈155MM（零件截面）D距曲拐颈155MM（零件截面）图37模腔填充示意图从图中可以看到上曲肩靠近主轴颈部分出现了缺肉现象，经过计算（同比例），A截面的两侧部分填充情况较差，距离间隔大于加工余量，如果在实际中很有可能造成成为报废品；下部分充满情况良好几乎没有缺陷。这个问题其实在速度场和分析应力分析时已经提到了，在镦锻刚开始的时候靠近主轴颈的那个角基本上只有水平方向的速度靠经曲拐颈的那一个角除了有水平的速度外还有向下的速度，而曲肩中间那部分材料由与被镦粗会相较于旁边的两个角先有向上流动的速度，在这种情况下中部会先于两侧充满型槽。在图上可以看到，在靠近曲拐颈部分充满后在靠近主轴颈的的那条对角线上会出现一条斜向上的流速，这就是为什么后期靠近主轴颈的那一个角的等效应变特别大。34小结本节的主要是对现在正使用的RR法加工工艺进行模拟研究。从模拟的结果来看RR法工艺所加工出来曲轴有两个明显的缺陷（1）曲肩和曲拐颈相连的下部分等效应变很小，塑性变型不充分；这个部位是曲轴的危险区域，所以不充分的塑性变型会给工件留下安全隐患17（2）曲肩的部分填充情况不理想，从图36A及C来看截面两侧的角落明显缺肉不能达到加工标准，可能会成为报废件。这两个缺陷对曲轴来说是比较有害的，所以也是后面的工艺改进重点。第4章NRR法的成型结论和曲轴成型工艺的新方法的引用根据上面RR法机构原理可以知道利用阶梯轴成型的时候，由于RR法的模具滑块角度的限制，冲头和左右模具只能以限定的速比进行运动，只要在滑块角度确定的情况下，所有的工艺参数基本就不能在改动了，为改进型槽充不满只能利用增大坯料直径和增大加工余量的办法，这也就是为什么RR法加工的曲轴加工余量比较大材料利用率低。根据流线图可以看到由于阶梯轴制成是采取了机加工，所以曲肩与两个轴颈都有不同程度的纤维断不连续，所以流线是分布不合理的。要改进曲轴锻造可以从上面所说的两个方面进行改变一方面改进RR结构另一方面要改进坯料的选用。在RR法的改进上现在已经出现了NRR法，这种方法添加一独立的油缸用来控制冲头的运动，实现了运动分离和工艺参数的可设置性。在坯料方面可以用光棒来代替阶梯轴以消除机加工带来的纤维断裂。另外除了NRR法能对光棒进行成型外，查阅相关专利，最新刚开发出来的NTR法也能进行光棒成型研究；下文将对以NRR法为主要研究对象，同时以几组合适的数据利用NTR法建立参照组进行分析。41基于光棒的NRR法成型411NRR法工艺分析在前面已经对RR进行过简单的介绍，基本的运动规律已经说明了，现只对其工艺性进行分析。NRR法的弯曲运动和水平运动是不相联系的，所以相较于RR法的它可以完成镦粗措锻终端的三步成型法。两种机构的动作对比如图A一步动作B三步动作图41机构动作图注（A中的为模具滑块的角度B中的为错锻时水平速度与弯曲速度的正切）由于增加了预镦粗工序，前期的镦粗不会像RR法那样会受到上冲头运动影响，从而使得更多的材料进入曲肩，特别是曲肩上部。然后在利用复合机制，分配上下两部分的材料，这样就可以避免RR法中下部下部分过于充满而上部分存在缺陷的问题。在NRR由于预镦粗和错锻角都会影响到材料的转移分配，本文将注重对这两个问题进行分析研究。412光棒的采用RR镦锻法的主要工艺流程为铸锭、初锻、粗加工台阶轴毛坯、感应加热、RR锻造、热处理、材料性能检验和尺寸、机加工和最终检查。在RR锻造时，锻件毛坯采用的是经过锻打后的棒料，再机加工切去主轴颈和拐颊销处多余的金属成形的台阶轴。在采用机加工台阶轴的过程中，不但浪费了原材料，增加了工作量，延长了生产周期，还切断了大量的金属纤维。在三步锻造法可以实现的情况下，通过预镦粗可以使光棒毛坯镦粗为类似为台阶的糖葫芦状，在拐颊横截面积和主轴横截面积比例不很大的情况下，拐颊成形所需的金属量完全可以通过预镦粗来得到。所以本文尝试光棒毛坯的曲轴镦锻成形。413模具的选用由于没有更多的相关的NRR法成型的材料可以参考，暂时先使用是先前RR法成型时的模具，在模拟后根据型腔的充满情况在做进一步的修改。414运动关系在第二章时已经分析过这里不在进行细述415模拟初始设定（1）计算条件底面直径245MM，长度955MM。（2）初始网格划分50000。（3）材料模型IOS1035。（4）初始温度设置工件1100，模具20，热传导系数11（5）摩擦因子03（6）速度，水平速度去40MM/S弯曲速度由错锻角决定因为NRR法成型时会受到第一镦粗比和错锻角的影响，在没有确切的生产数据下，现先采用一个初始的第一镦粗比和错锻角进行实验，然后再根据所得的场息和成型情况在更改。初次实验的第一镦粗比为30错锻角取2542NRR法成型过程421金属流动分析为了更好的说明金属流动时的状态，将在横截面和纵向截面上用速度场来进行分析横截面为曲肩位置，纵截面为最大截面处。31A）侧模移动1245MM（镦粗结束）B）弯曲74MMC）弯曲1375MM（弯曲结束）D）侧模移动210675MME）侧模移动230525MMF）侧模移动259MM（闭模）F1）闭模靠近主轴颈截面F2）闭模中间面F3闭模靠近的曲拐颈面图42不同阶段的流速图在前面NRR法成型原理中已经说过NRR法的成型过程可以分成镦粗，弯曲镦锻，和终端三个不部分，其中后两个部分可以统一看成约束镦锻。在镦粗阶段可以看到图42A，其和一般的镦粗变形没有太大的区别；两侧的材料被镦粗形成鼓形材料上下两侧等量流动，而中间的曲拐颈部分因为在上下冲头的限制下没有变形，可以将这一部分看成刚体（中间部分显示有微小的回旋速度这可能是在附近材料向上下流动影响下产生的。）在复合变形阶段，其速度场和填充情况如图42B所示，由于曲拐颈部分在上冲头的作用下向下运动，而这个速度远大于左右两侧材料向下流动运动的速度，这将使得左右两侧的材料将受到曲拐颈的力的作用，根据最小阻力定律被镦粗的材料将优先向下流动从图可以看到曲拐颈对左右两侧速度的影响从上到下是逐渐增大的。从速度场上可以看到曲肩的上部分的速度分量为水平和竖直向下两个方向，而在曲肩下部分的靠近侧模的部分主要为水平速度而靠近冲头部分主要为竖直向下的速度；这种速度分布和分析结果是一致的。另外对比图42C和图42A纵截面可以发现，主轴颈最高点和曲肩的最高点的相对位置是变的，相较于图42A图42C中的相对位置更低一点，这说明在弯锻的时候上部的材料不仅没有增加反而减少了，这对上部材料的聚集是不利的。在终锻阶段，此时两侧的材料已经不受曲拐颈的影响，可以看成镦粗变形。在刚刚进入终锻阶段曲肩上下流速几乎一样，由于下部分距离下模近所以下部分先接触下模。当侧模移动到240MM左右时坯料的下部与下模腔接触，此时接触部分的向下流动将会被限制。如图所示，此时由于限制下部分将金属向X和Z方向移动，当上部也被限制后下下模腔也被充满了，在此后继续去充满上面的两个角落，但是由于由于上部的材料过少，所以即使下部分被限制曲肩上角的材料移动速度还是太小。从整个过程来看，155步之前一直都是自由成型阶段，只在这以后才有了限制成型，这也就导致了曲肩下部分聚集的材料过多，形成了飞边而上部还有部分充不满。从终锻曲肩的三个截面来看，中间截面和靠近曲拐颈的截面充满情况良好但是靠近主轴颈截面充满不好，这是由于材料不足导致的。422等效应变分析A）纵切面等效应变B）靠近主轴颈截面C）中间截面D）靠近曲拐颈截面图43应变分布图图43为终锻后的曲轴纵向半截面和曲肩的三个横截面的剖面图。从纵截面（A）上来看，主要的变形集中在曲肩上，而主轴颈和曲拐颈几乎没变为刚性区，这个结果和前面速度场分析的结果一致。并且等效应变延曲肩的对角线分布，靠近对角线的等效应变越大反之越来越小，最大等效应变出现在曲肩对角线的两个端面和中部；这是受到冲头运动影响的结果。从横截面上来看，曲肩中部的最大等效应变出现在截面的中间部分类似圆形形分布，上下方向分布区域小左右区域大，这个阶段主要是镦粗变形，主要的原因是上下部分运动受到限制阻碍变形。左右两个界面的最大等效应力分布的位置相反，靠近曲拐颈那一侧最大等效应力位于上部包围面积也最大，而靠近主轴颈的截面最大等效应力分布在下部分面积也较小；B截面的上部和D截面的下部因为靠近刚性区所以其表现为镦粗性质的等效应变，等效应变呈径向分布。B截面和D截面的下部分的等效应变虽然不规则但是通过对比终锻前几步的图片发现它们原本也是圆形。从这些情况可以说明由于曲拐颈的弯曲对中曲肩中上部分的镦粗影响不大，但是它对曲肩下部分特别是靠近曲拐颈的那一部分影响较大。从整体上来看曲肩的的等效应力分布均匀没有大的等效应变波动，唯一的难变形在曲肩的上部靠近主轴颈的两个角落，最大等效应变区从左到右沿对角线分布，曲肩中部镦粗效果良好。423模腔填充分析及原因分析A）曲肩上部B）曲肩下部图45填充效果三维视图如图所示是终锻后锻件与模腔的接触情况。从图上看填充效果不是很理想，从上部分来看，上部平台部分已经被充满，主要的缺陷是在曲肩两侧角上，从锻件图上可知这两个部分的加工余量小，如果在这个地方出现缺肉的话可能会导致锻件不合格。从下部分来看，下部分的充满情况良好基本上是和模具全接触并且它的金属流出了毛边槽形成了毛刺，这一种缺陷将模具寿命造成伤害对后续的加工带来麻烦。从整体来看，下部分充模情况好主要是因为下部分的材料聚集的太多在终锻处于侧模和重头之间的材料无法受到约束最终溢出模具。上部分充不满的原因主要是靠近主轴颈的那一侧在镦粗时是难变形区材料聚集少和在错锻阶段由于曲拐颈对曲肩影响过大致使曲肩上部的在镦粗工步中聚集的材料向下流动，正是因如此上部毛边和两个角落基本没充满。通过上述分析可以知道主要的原因是上部材料过少，所以要想上部的成型达到生产效果那就必须改进工艺增加材料聚集或者是改变模具的结构。从工艺上要增加材料就必须从增大镦粗比或者减小曲拐颈对上部分的影响入手。要改变模具结构就得从增加对下部分限制入手。43NRR法的工艺方案修改上文已经说道要从工艺上改变上部材料聚集情况可以通过增大第一镦粗比或者减小曲拐轴对曲肩上部的速度影响。改变第一镦粗比很容易但是要减小曲拐轴对曲肩上部的影响则要考虑居多方面的因素，在这里只选取错锻角和摩擦因素进行讨论。计算数据镦粗比镦粗量余下量最大错锻角2510375MM15525MM484度30。1245MM1345MM443度3514525MM11375MM396度40166MM93MM3407度考虑到错锻角过大会导致一般的液压机的活动横梁速度最高在150MM/S左右所以在考虑到上下冲头的速度限制的情况下错锻角不宜过小，根据侧模的移动速度将错锻角限制在20度以上。当镦粗比小于20时在复合镦锻过程中会因为弯曲过大导致脱模现象在此就没有进行考虑。表41参数选取第一镦粗比2530354045错锻角202530354020253035402025303539202530202530431第一镦粗比和错锻角对成型的影响1充模影响从理论上来说，第一镦粗比的增大可以使得在弯锻变形前主轴颈和曲拐颈之间形成鼓状的变形体，镦粗比越大聚集的材料越多。参考太原科技大学张学忠硕士以260MM棒料所做的研究来看，当第一镦粗比在37的时候曲肩上部聚集的材料可以满足成型要求。我此次所用的棒料为245MM，其半径较260MM小75MM所以应该选用的第一镦粗比较37更大才合适，但是为了体现实验的严谨性这次实验将从20至40以5的等增量进行模拟分析，从而得到镦粗比变化后模腔的变化规律和最佳镦粗比可能出现的区间。为了更明显表现出第一镦粗比和错锻角对影响，现取模拟后的个镦粗比的最大和最小错锻角在终锻时的冲模情况进行比较分析。A1）2520A2）2540B1）3020B2）3040C1）3520C2）3539D）4020图46不同镦粗比和错锻角时的模具填充视图2）第一镦粗比的影响当错锻角选择为20时在下角标为1的图上可以看到从A1到D1曲肩上部的接触情况基本没有改变，中部接触良好但是两侧的角落没有充满。在下标为2的40错锻角角中可以看到从A2到C2曲肩上部的接触情况有明显的改变，随着镦粗比的增大填充效果更明显，当镦粗比达到39时除去毛边以外整个曲肩全部充满。从这种比较中可以看出，在错锻角小的时候如25，30在这个区间内，第一镦粗比对模腔的充满影响不大，当错锻角增大到35的时候能明显的看到随着第一镦粗比的增大曲肩非毛边部分充满情况良好，特别是离曲拐颈近的那一侧；另外对比同错锻角的下模的情况时可以发现随着第一镦粗比的增大毛刺一直存在，下模腔始终处于充满状态，这说明直径为245MM的棒料提高第一镦粗比对下模腔的充满影响不大。3）错锻角的影响图中有三组对照，虽然在同第一镦粗比时错锻角的取值间隔有20但是不影响最后的分析结果。从ABC三组的对比结果来看在第一镦粗比确定的情况下错锻角的增大有利于曲肩上部的填充并且这种情况配合第一镦粗比增大表现的更明显，这个可以从B1B2与C1C2这两组的对照上可以看出。从下部分来看错锻角的改变对三组的模腔填充没有大影响，只是随着错锻角的增大毛刺的现象更明显，错锻角越大毛刺范围和长度越大，这说明错锻角对下模填充的影响也不足应大幅度的改变模腔充满情况，但是能对曲肩上部有较明显的影响。4）结论分析按前文所说改变第一镦粗比和错锻角的配合能改善冲模情况，但是从模拟的结果来看增大第一镦粗比不能的改善上部的充满情况并且会带来毛刺的增大。增大错锻角能够明显的改善上部的填充情况小错锻角毛刺范围小长度小大错锻角的毛刺范围大也更长。经过对多组其他的模拟结果来看当第一镦粗比大于35时只要错锻角大于25成型的效果都是比较好的，这其中镦粗比为35错锻角为39时效果最好。432对金属流动的影响在前面就第一镦粗比和错锻角的改变对模腔填充进行分析，虽然得出了相关的结论但是那只是从宏观上体现了这两个变量对成型的影响，为了说明影响的成因就必须对充模的过程进行分析。在观察完所有的模拟后发现随着错锻角和第一镦粗比的改变坯料的流动有较大的改变，而这种改变又对型腔的填充有大的影响。在分析中发现错锻角30是金属流动形态改变的一个转折点（镦粗比大转折点越靠近30，镦粗比小转折点靠近35），当错锻锻角小于35时在弯曲镦锻过程中曲肩上部的那一部分材料（从其高度上来看）基本为水平的，在终锻时由于是可以看成是一个镦粗过程所以是中部先接触上模然后再填充两侧（优先充满靠近曲拐颈侧），这也就是上部分充满不好的原因。当错锻角大于30时由于弯锻过程中镦粗向曲肩转移的金属过多而下模的移动速度过小曲肩下部分将处于限制成型下侧模腔外的材料流动加剧，同时曲肩上部分靠近上模的金属将在镦粗的作用下向上流动，这样就形成了一平行四边形截面致使在终锻过程中靠近曲拐颈侧充满良好。MA）2520B）2535C）3539图47不同第一镦粗比和错锻角下的金属流动433摩擦系数的影响本次模拟所得到的结果较其他人（太原科技大学张学忠）所做的研究的结果有一定的出入，主要体现在改变镦粗比没有像预期那样可以下模过于充满的现象；究其原因应该是此次选择的坯料为245MM即使通过增大镦粗比来增大鼓形区的材料但是增大鼓形区又会使得上部过早的接触到上模，上模将被限制靠近主轴颈的那一侧的将会被影响以至于两侧角落缺肉造成缺陷，同时过大的错锻角会使下部分的毛刺过大过小又不能使得上部分得到满意的填充，鉴于这些原因所以必须利用其他的因素来进一步改进模拟。由于下部分毛刺的产生是因为在闭模前靠近主轴颈的曲肩下部分材料流动过多而成的如图47C，所以若减小这一部分的流动应该能达到消除毛刺的目的。从在前面的模拟中知道可以棒料和模具间为滑动摩擦，所以改变摩擦因子可以对下部金属流动进行限制。前面的实验所选用的摩擦因子为03，根据实验的目的是减少下部金属增加上部金属，故要增大与下模和侧模的系数减小与上模的系数，所以摩擦系数时按表42进行设置表42侧模上模下模锻件070307因为在前面的所有模拟在镦粗比为35时是比较好的，所以令的镦粗比35错锻比定为203539将这三组的摩擦系改变。从最终的充模情况来看，改变摩擦系数达到了预期的效果。摩擦系数的增大使曲肩下部的流动得到部分的限制，对比图可以看到毛刺基本没有了，同时在截面中金属在X方向受到限制能改善下部分过于充满的情况从而将部分金属转移到上部改善上部分充模情况。所以在合适的第一镦粗比和错锻角的情况下继续改变摩擦因子能进一步提高充模情况以得到合格的锻件。A）3520B）3535C）3539图48改变摩擦系数后的填充视图4412V240曲轴NRR法模拟总结和模具改进方案441模拟结论从上面通过改变第一镦粗比，错锻角和摩擦系数等得到的模拟结果可以得到这样的规律当错锻角大的时候（30左右）第一镦粗比的增大才有利于曲肩上部的充满，错锻角的增大也能有利于曲肩上部的充满，同时减小坯料与上模的摩擦系数增大坯料与侧模下模间的摩擦系数能下侧飞边减小上侧填充改善。在这个过程中通过多次的模拟最终确定当第一镦粗比定位35错锻角为39（可以增大至396去除终锻阶段这样更符合实际）侧模下模摩擦系数07上模为03时对成型最有利。442模具改进方案在前面一节对不同的错锻角和第一镦粗比的情况下的金属流动情况从做过分析。从中得到过这样的结论当错锻角小于30（当镦粗比小的时候这个数会大于30）的情况下曲肩是中部先接触上模然后再向两侧填充当错锻角大于30的时候曲肩上侧是先充满靠近曲拐颈那一侧然后在向主轴颈侧填充。鉴于这两种金属流动规律可以给出两种修改方案。1）利用小错锻角（30左右）进行成型在这种情况下优先考虑曲肩中部先充满的这一特点，将分模面设置在曲肩和曲拐颈的结合面上。这种设计将会导致在成型过程中曲肩面和曲拐颈面间距过大而产生的坯料和曲肩接触点偏移，所以要在分模面上设置飞边槽以产生足够的金属流动阻力，同时还要扩大下部飞边槽的面积以缓解下部先充满的情况。这种设计方法的优点是在分模面移动后可以将曲肩这一部分的型腔设计成与零件图有相似轮廓的型腔，可以减少材料。2）利用大于30的错锻角进行成型在这种情况下才从前面的实验来看通过增大摩擦系数现有的模具能够锻出合格的锻件需要修改的只是飞边槽部分。从前面的终锻图上可以看到在原先的模具上虽然也设置了飞边槽但是起到了容纳多余金属的作用并没有能产生较大的阻力，所以新的模具必须有改进飞边槽以限制下侧填充情况考虑到最终的终锻是闭式模锻，所以可以考虑按照模锻的方法设置飞边槽，将现有的飞边仓改成飞边槽这样能产生更大的飞边阻力使得现有的缺陷得到改善。第五章新工艺条件下的模具改进及参数优化51新的模具设计在前文中给出了模具改进的两种方案。方案一要将现有的模具进行彻底的改进，它的优点是能够在保证产品性能的情况下大幅的节约材料。方案二是要在现有的模具上做出小的修改，这种改进难度不大效果也不错但是这会使得材料的利用率较低。随着科技的发展，工艺的进步，为了适应市场的竞争，增强企业的市场竞争力，高效率，低成本成了企业的追求目标。节约原材料，实现精密锻造，提高材料利用率成为目前生产企业的首要问题。国内外很多企业都在尽量减少锻件的加工余量。所以两个方案相比较方案一更符合加工要求。本章将会按照方案一设计新的模具，并且通过多次模拟得出新的技术参数。图51模具图52新模具条件下的数值模拟521模拟初始条件设定本次实验是在上一章的模拟基础上改进而来