船用發動機曲軸單拐的塑性成形仿真分析

劉培培, 何朝聰, 張春麗

(上海師范大學 信息與機電工程學院,上海 200234)

?

船用發動機曲軸單拐的塑性成形仿真分析

劉培培, 何朝聰, 張春麗

(上海師范大學 信息與機電工程學院,上海 200234)

以船用發動機曲軸單拐為研究對象,通過SolidWorks軟件建立曲軸單拐鍛造過程中毛坯、模具的三維模型,在金屬塑性成形CAE軟件DEFROM-3D平臺上進行模擬仿真,以探究不同應變速率、溫度下金屬塑性變形過程中的金屬內部流變應力與外部變形條件之間的關系,并對所得的數據進行了科學分析.分析結果表明:當應變速率為定值時,預設溫度越高,應力-應變曲線則相對降低;當毛坯溫度一定時,應變速率越高則試樣內部流變應力越大,抗疲勞強度越差.該結果也為下一步的優化設計提供理論依據.

曲軸單拐; 塑性成形; 應力; 應變

0　引　言

圖1　曲軸實體圖

大型曲軸是船用發動機的關鍵零部件,起著傳遞與輸出動力的作用.圖1所示為大型四拐船用曲軸,其結構復雜,重量較大,加工精度、韌度和強度要求較高,工作環境又比較惡劣,制造比較困難,加工工序又比較繁瑣,長期制約著我國船舶工業的發展,長期依賴進口,由此船用曲軸的加工制造一直以來被作為我國重點研究、發展對象.

船舶壽命一般為15～30年,使用壽命期內又不能更換發動機曲軸.由于船用發動機曲軸在周期性變化的氣體壓力、往復和旋轉運動引起的慣性力以及它們的彎矩和扭矩共同作用下工作,呈現出既彎曲又扭轉的復合運動狀態,故而曲軸由于抗疲勞強度引起的疲勞失效是其常見的破壞方式.曲軸加工過程中工件極易產生塑性變形,金屬內部產生流變應力并隨著預設溫度、應變速率的不同而對工件疲勞強度產生不同的影響.故而曲軸加工過程中需對溫度、應變速率進行分析研究,找出其中最優條件,對流變應力進行有效控制,從而達到提高疲勞強度的目的.傳統的加工工序往往是在加工完成幾個試驗品后再進行各項綜合性能的檢驗,在此基礎上再進行工藝的修改和完善,這不僅效率低下,也造成了大量的浪費,早已被淘汰.而本文作者采用的金屬塑性成形CAE應用軟件DEFORM-3D則在最大化還原金屬塑性成形加工工藝各項環境的情況下,為設計者提供了很好的仿真平臺,該平臺以計算機技術為基礎,生產的是虛擬產品,但可以實際生產提供有力依據.

1　曲軸單拐的彎曲鐓鍛成形

大型船用發動機曲軸的加工多采用整體式全纖維鍛造方法,即彎曲鐓鍛.曲軸彎曲鐓鍛工藝是一種彎曲變形與鐓粗變形同時進行的復合成形工藝,其主要工作原理是先把曲軸鍛件毛坯加工出水平鐓粗用的定位槽.其中,曲軸毛坯直徑大的部分形成曲軸的曲柄臂,直徑小的部分形成曲軸的主軸頸.大型船用曲軸由于為多拐曲軸,且加工過程中是單拐依次成形,鍛造加工過程中需要進行加熱,加熱采用專用的加熱爐進行局部加熱.每當加熱好一個曲拐并進行鐓鍛好后,該曲拐則會被放入事先設定好的定位模中,并成為下一曲拐鐓鍛過程中的定位導向,以此類推,直至鍛造出整個全纖維曲軸,故工藝設計部分只研究單曲拐的加工工藝即可.

圖2所示為Solidworks平臺下生成的曲軸單拐三維實體圖,曲軸單拐的鍛造多采用彎曲鐓鍛法中的NTR法,簡易裝置由上、下彎曲模具和水平鐓粗模具組成,且毛坯被固定在水平鐓粗模中.其主要工作原理是,毛坯同時收到垂直與水平兩個方向的作用力,并同時發生彎曲與鐓粗兩個變形,其中,水平鐓粗力作用是使毛坯坯料變形成為曲軸曲柄臂,垂直彎曲變形則鐓出錯拐,在兩個力的作用下,曲拐初步成形.圖3所示即為彎鍛過程中單拐模具圖.單拐的彎鍛成形過程可以在有限元分析軟件DEFORM-3D中得到很好的塑性成形仿真并進行加工過程中各項因素的分析,為實際生產作鋪墊.

圖2　曲軸單拐實體

圖3　單拐模具

總體來說,船用發動機曲軸單拐的塑性成形仿真可以分為3個過程:一是建立合理的有限元模型;二是設置合理的模擬參數及環境;三是鐓鍛成型及后處理.

1.1曲軸有限元模型的建立

在DEFORM-3D中,不能直接建立三維的幾何模型,必須通過其他CAD/CAE軟件建模后導入到系統中.該過程是在SolidWorks開發環境下實現的,建好曲軸的毛坯及模具后以STL格式導入到DEFORM-3D中.如圖4、5所示分別為Solidworks平臺開發出的船用發動機曲軸單拐彎鍛成形過程中的模具及毛坯三維實體圖及導入DEFORM-3D軟件后單拐塑性成形仿真的毛坯、模具相對位置的有限元模型.

圖4　單拐毛坯、模具實體圖

圖5　單拐塑性成形仿真有限元模型

1.2曲軸單拐塑性成形仿真的參數及環境的設置

該階段是在DEFORM-3D環境下進行的,主要發生在預處理階段,設置好毛坯與模具的基本參數后,主要分3個工序進行分析.

(1) 模擬10 s內毛坯從爐子到模具的熱傳遞.這是從爐子里拿出來進行鍛造之前,工件與空氣之間進行的熱交換.

(2) 對毛坯停留于下模的2 s時間進行模擬.

(3) 進行熱傳遞和鍛造工藝共同進行的耦合分析過程,即熱鍛成型.

1.2.1毛坯及模具的基本參數的設置

毛坯材料選擇材料庫中牌號為AISI-1045,設置為塑性體,網格采用四面體單元,初始網格數量數為3.0×105,最小單元尺寸為0.04;模具都選擇牌號為AISI-L6,初始網格數毛坯為3.0×105,水平鐓粗模為3.2×105,上、下彎曲模具為分別為1.2×105、1.0×105.

1.2.2毛坯與空氣的熱傳遞

圖6　毛坯與空氣熱交換前后溫度變化范圍

該階段模擬控制中模擬步數設置為50步,分析用時間控制,每一步的時間為0.2 s.其中工件溫度分別設置為:1 050、1 100、1 150、1 200 ℃(圖6為1 200 ℃時毛坯與空氣進行熱交換前后的溫度變化范圍對比).

1.2.3毛坯與下彎曲模具的熱傳遞

由于毛坯與下彎曲模具的熱傳遞是在室溫下進行的,故該階段下彎曲模具的溫度設置為300 ℃,環境溫度設置為20 ℃.

1.2.4熱鍛成型工序

本過程不僅進行熱傳遞,同時也進行鍛壓成型,模擬控制步數設置為40步,每步長為1 m.該過程要進行鍛壓成型,所以要設置模具速度,根據NTR法工作原理采取水平鐓粗模具水平運動,上、下模具以相同速度和運動方式夾住毛坯右端向下運動的形式.且水平鐓粗模速度為250 mm/s,定位方向為+Y,彎曲模具速度為180 mm/s,定位方向為-z,干涉方法都為自動干涉,干涉值為0.0001;摩擦采取剪切摩擦,摩擦系數為0.3.應變速率ε分別取0.05,0.1,0.5,1.

1.3曲軸的彎鍛成型及后處理

預處理階段設置好曲軸單拐鍛造成型的各項參數后進行模擬,模擬完成即進入到后處理階段.DEFORM-3D軟件具有FLOWNET和點跡示蹤、變形、云圖、矢量圖、力行程曲線等后處理功能.在后處理該階段可以很形象地看到曲軸單拐彎曲鐓鍛過程中的每一步毛坯和模具的位置和狀態以及各項參數的變化,如溫度、損壞、應力、應變等.如圖7～9分別為后處理模塊觀測到的塑性成形仿真結束后,毛坯與模具當前狀態的相對位置和整個單拐的等效應力、應變值的分布圖,以及在不同的溫度及應變速率條件下反映出來的單拐塑性成形過程中的應力-應變曲線.

2　結　論

為提高船用發動機曲軸的抗疲勞強度,通過使用有限元分析軟件DEFORM-3D對船用發動機曲軸單拐進行的塑性成形仿真,并對影響曲軸抗疲勞強度的不同溫度及應變速率下的應力—應變曲線進行分析得出可以得出以下結論:

圖7　單拐鐓鍛結束狀態

圖8　仿真結束后單拐等效應力、應變值分布

曲線從上至下代表溫度依次為:1 050、1 100、1 150、1 200 ℃

(1) 當應變速率為定值時,預設溫度越高,應力—應變曲線則相對降低(金屬內部此時有著較低的流變應力),這是因為金屬的變形抗力隨著變形溫度的增加而有所降低,致使金屬試樣內部出現了較低的流變應力值,抗疲勞強度則越好.此外,從圖9中還可以看出,當應變速率越低時,上述變化趨勢越明顯,說明應變速率越低,該金屬材料對溫度的敏感度越高,抗疲勞強度越差.

(2) 當毛坯溫度一定時,應變速率越高則試樣內部流變應力越大,抗疲勞強度越差,這主要是因為應變速率越高時,金屬已經發生動態回復和動態再結晶的程度就越小,沒有足夠的軟化作用抵消加工硬化造成的金屬強度、硬度的增加.因此,實際制造中多采用毛坯溫度為1 200 ℃,應變速率ε為0.5,此時為最佳,鍛件的抗疲勞強度能力最好.

[1]Hu J J,Li X P.DEFORM-3D plastic forming CAE application tutorial [M].Beijing:Peking University Press,2011.

[2]Li H G.The internal combustion engine crankshaft manufacturing technology at home and abroad situation and development trend [J].Shandong Internal Combustion on Engine,2003(1):9-13.

[3]Yan J J,Zheng J R.Research on microstructure simulation of large marine crank during bending process [J].China Mechanical Engineering,2006,17(19):2024-2028.

[4]He J B.The development and the manufacture technology of engine crankshaft [J].China High Technology Enterprises.2008(14):75.

[5]Xia Y F,Zhou J,Sun X M.Forging process exploration and die design of tiny-automobile crankshaft [J].China Metal Forming Equipment & Manufacturing Technology,2008(1):37-40.

[6]Li J.Study on optimization of precision die forging process of automobile crankshaft [D].Chongqing:Chongqing University,2007.

[7]Yao Z K.Forging technology and die design [M].Xi′an:Northwestern Polytechnical University Press,2013.

[8]Wang A B,Zhang L P.The numerical simulation of die forging formation course for crankshaft [J].Heavy Casting and Forging,2007(5):1-2.

(責任編輯：包震宇)

Plastic forming simulation analysis of marine engine crankshaftsingle-throw

LIU Peipei, HE Chaocong, ZHANG Chunli

(College of Information,Mechanical and Electrical Engineering,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China)

The research object is for marine engine crankshaft single-throw.A 3D model of the crankshaft single-throw blank and die in forging process is established by SolidWorks software,then the 3D model is imported into metal plastic forming CAE software DEFROM-3D to carry on the plastic forming simulation,to verify the relationship between the internal flow stress and the external deformation conditions in the process of metal plastic deformation under different strain rate and temperature,and to carry on the scientific analysis based on the obtained data.The result shows that the preset temperature is higher,the stress-strain curve is relatively lower when the strain rate is constant.Sample internal flow stress will be greater and the resistance to fatigue strength will be poorer at a higher strain rate when the temperature of the blank is constant.The result also provides a theoretical basis for further optimization design.

crankshaft single-throw; plastic forming; stress; strain

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2016.04.005

2015-03-03

張春麗,中國上海市徐匯區桂林路100號,上海師范大學信息與機電工程學院,郵編:200234,E-mail:chunli5268@163.com

TH 162

A

1000-5137(2016)04-0417-05