大型船用曲軸曲拐彎鍛過程的計(jì)算機(jī)模擬與工藝優(yōu)化研究.doc

《大型船用曲軸曲拐彎鍛過程的計(jì)算機(jī)模擬與工藝優(yōu)化研究.doc》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、冶金之家網(wǎng)站大型船用曲軸曲拐彎鍛過程的計(jì)算機(jī)模擬與工藝優(yōu)化研究董曉亮，呂宏偉，高揚(yáng)(鞍鋼重型機(jī)械有限責(zé)任公司，鞍山114021)摘要：采用計(jì)算機(jī)模擬和試驗(yàn)手段研究了傳統(tǒng)工藝曲拐彎鍛的過程，指出了傳統(tǒng)工藝的不足和鍛造過程容易出現(xiàn)的各種典型缺陷。采用逆推法確定了改進(jìn)工藝后預(yù)成形毛坯形狀，優(yōu)化了毛坯的形狀因子，有針對(duì)性地提出了解決各種缺陷的措施。在此基礎(chǔ)上對(duì)改進(jìn)的工藝進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，模擬結(jié)果表明，改進(jìn)后的工藝能夠消除喇叭口、裂紋、“細(xì)腰”、減薄等缺陷；毛坯變形抗力為傳統(tǒng)工藝的72％；毛坯截面積減小，可節(jié)省原材料約15％。最后對(duì)改進(jìn)的工藝

2、進(jìn)行了試驗(yàn)，得到了合格的曲拐毛坯鍛件，驗(yàn)證了模擬的準(zhǔn)確性。所建立的模型和研究方法為進(jìn)一步優(yōu)化鍛壓工藝和今后開發(fā)其它型號(hào)的大型曲軸曲拐產(chǎn)品提供理論指導(dǎo)和技術(shù)保障。關(guān)鍵詞：曲拐；彎鍛；模擬；優(yōu)化1引言大型半組合式船用曲軸是低速大馬力柴油發(fā)動(dòng)機(jī)最核心的部件之一，是大型船舶的“心臟”。曲軸的制備過程涉及鋼水純凈化冶煉、鋼錠澆注、鍛造、紅套組裝和精加工等，整個(gè)過程十分復(fù)雜，技術(shù)含量較高，是一項(xiàng)集成化的制造技術(shù)。半組合式曲軸由曲拐、主軸頸、推力軸、輸出端幾部分紅套組成，其中曲拐是曲軸上性能要求最高的部分，其成形過程也十分復(fù)雜，是制備大型船用曲軸

3、的核心技術(shù)。目前曲拐毛坯可采用鑄造和鍛造方法制造，Kubo等[1]回順了神戶制鋼近年來大型船用曲軸的材料研制、工藝優(yōu)化、曲拐局部碾壓加工強(qiáng)化等方面的技術(shù)發(fā)展，并預(yù)測了今后的技術(shù)研究方向，Mori等[2]總結(jié)了神戶制鋼制造鑄鋼半組合式曲軸的發(fā)展歷史，認(rèn)為鑄造曲軸是今后發(fā)展的趨勢，Yoshida等[3]對(duì)鑄造半組合式曲軸所用高強(qiáng)度鋼S18NiVF等鋼種進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)了碳當(dāng)量對(duì)機(jī)械性能的影響，F(xiàn)ukaya等[4]對(duì)整體式曲軸用鋼34CrNiMo6和40CrMo8的機(jī)械性能進(jìn)行了研究，分析了各種元素的作用，再此基礎(chǔ)上提出了一種高強(qiáng)度低

4、合金化的鋼種。從現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展情況看，鑄造曲拐雖然工藝流程短，成本低，前景看好，但對(duì)冶煉和澆注過程夾雜物的控制等方面要求很高，產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性較難控制；模鍛曲拐雖然鍛件成形情況好，加工余量小，但由于每種模具只能生產(chǎn)特定型號(hào)的曲拐鍛件，并且模具的制造費(fèi)用高，每次鍛壓前均需對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱，更換模具操作流程復(fù)雜，在實(shí)際生產(chǎn)中很少采用，因此目前絕大部分曲拐采用彎曲鍛造方法制造。2半組合式曲拐的彎鍛工藝研究概述曲拐整個(gè)彎鍛成形過程需要4～6火，工藝流程如圖1所示。首先將鋼錠鐓粗拔長，鍛成帶凸臺(tái)的預(yù)成形方坯，然后放在特制的彎曲下模上，將坯料、模具

5、擺好對(duì)中后，用專用上模以30～50mm／s的速度將坯料壓彎，當(dāng)坯料的底部與下模接觸時(shí)停止彎曲，然后將坯料卸下，更換模具，插入舌板，用平砧將坯料從頭到尾反復(fù)精整壓扁，直至將毛坯鍛成工藝要求的尺寸。冶金之家網(wǎng)站在曲拐彎曲成形工藝中，塑性變形集中在曲臂與曲柄銷連接的拐角部位，在該位置容易造成“縮腰”、減薄、“喇叭口”、折疊裂紋等多種缺陷產(chǎn)生[5]，影響產(chǎn)品質(zhì)量。Hanawa等[6]采用有限元和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法對(duì)曲軸曲拐工作狀態(tài)下的應(yīng)力狀況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)曲臂與曲柄銷連接部位是曲軸工作時(shí)承受最大交變載荷的區(qū)域，因此，必須合理地控制預(yù)成形毛坯的

6、尺寸因子，才能有效減少曲拐內(nèi)開檔的缺陷，延長曲軸的使用壽命。由于曲拐體積大，變形工序較為復(fù)雜，單憑鍛造經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)工藝往往會(huì)使鍛件肥頭大耳，鍛壓火次增多，內(nèi)開檔出現(xiàn)缺陷，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致鍛件報(bào)廢，因此，必須采用計(jì)算機(jī)模擬對(duì)整個(gè)塑性成形過程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，尋求最佳的鍛造工藝方案，然后再進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，這樣不但可以降低損失，提高成品率，而且可以從更深的層次去理解鍛件的變形機(jī)制，進(jìn)一步掌握工藝的設(shè)計(jì)原則。Ochi[7]和Yoshida[8]等分別采用有限元和實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)鑄造曲軸曲拐轉(zhuǎn)角位置的變形強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行了研究，Kakimoto等[9]采用有

7、限元方法對(duì)RR法鍛造整體式曲軸進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了預(yù)成形毛坯的最佳形狀，王仲仁等[10]采用有限元模擬對(duì)6160型曲軸彎曲鐓鍛過程的塑性流動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了研究，王紀(jì)武等[11]采用彈塑性有限元方法對(duì)曲軸的TR成型方法進(jìn)行了研究，宋士丹等[12]按1：2的比例對(duì)L60型曲軸曲拐自由彎鍛過程做了實(shí)驗(yàn)研究。以上部分研究工作雖然提出了改進(jìn)工藝，但僅是對(duì)新工藝的成形過程進(jìn)行分析，均未對(duì)新工藝的提出思路進(jìn)行詳細(xì)闡述。本研究首先采用計(jì)算機(jī)模擬和試驗(yàn)手段研究了傳統(tǒng)工藝彎鍛曲拐的過程，總結(jié)出鍛造曲拐容易出現(xiàn)的典型缺陷，充分分析了傳統(tǒng)成形工藝的不足。在此

8、基礎(chǔ)上，采用逆推法改進(jìn)了毛坯的形狀因子，確定了優(yōu)化的預(yù)成形毛坯形狀。3曲拐鍛造工藝模擬及優(yōu)化曲拐的鍛造屬于多火次成形過程，采用自由鍛造方法。在計(jì)算機(jī)模擬中應(yīng)相應(yīng)地采用多步驟模擬，并且在計(jì)算過程中需要根據(jù)坯料的狀態(tài)不斷調(diào)整初始條件和邊界