萇曉兵

(常州機電職業(yè)技術學院，江蘇常州 213164)

曲軸類鍛件TR法單拐鐓鍛技術由1963年波蘭波茲南金屬壓力加工研究所鍛工部T.Rut博士發(fā)明，并按發(fā)明人姓名的第一個字母命名。其工作原理為:先將棒料車削加工成多個凸臺狀的坯料，或將坯料分別鍛出不同直徑的中間坯，然后在專用的鐓彎模內將曲臂部分鐓出，并將曲柄銷錯移，彎曲成拐柄［1］。通過肘桿機構，把壓力機的壓力分解成垂直彎曲分力和水平鐓粗分力，力的分配比較合理，能夠獲得比RR法更大的水平鐓粗力。TR鐓粗隨著肘桿傾角的逐漸減小，水平方向鐓粗力逐漸增大，到達鐓粗終點時，水平分力最大，其值可達壓力機公稱壓力的1.2倍。水平分力這種變化趨勢和曲臂成形阻力的變化規(guī)律相吻合。

TR法鐓粗曲軸在南車資陽內燃機車廠和武漢重工鍛鑄有限責任公司得到了應用，并取得了明顯的社會經濟效益。本文利用ANSYS二次開發(fā)的大變形彈塑性有限元分析軟件對其變形規(guī)律進行研究，分析了水平方向鐓粗力和垂直方向錯移力的變化規(guī)律，并探索了二個載荷同時加載的變形規(guī)律。

1 TR法鐓鍛過程有限元模型的構造

由于曲軸鐓鍛變形較復雜，為降低鐓鍛成形過程分析的難度，將其簡化成平面變形來分析。采用ANSYS分析大變形問題的方法構造有限元模型，即把模型劃分為模具單元、工件單元和接觸單元，對工件和模具同時進行分析。工件采用了彈塑性單元，進行了彈塑性分析，模具采用了彈性單元，只進行彈性分析，模擬計算所用有限元模型如圖1所示。

2 TR法鐓鍛成形過程的模擬

［2］中的ND5曲軸TR鐓鍛工藝參數，材料選取35CrMoA，坯料尺寸見圖2所示。坯料加熱溫度為1 100℃，模具溫度為200℃，在4 500 t水壓機上鐓鍛成形，水壓機速度為0.01 m/s，水平鐓粗位移60 mm(單邊)，錯移量133.5 mm。模擬過程中考慮了溫度的變化，共進行了3次網格重新劃分。

曲軸單拐鐓鍛成形過程如圖3所示。先用模具夾緊主軸頸和曲柄銷，使它們不因曲臂鐓粗而變粗，模擬中通過施加位移約束實現，然后水平移動夾持主軸頸的模具，鐓粗曲臂，同時，夾持曲柄銷的模具在垂直方向錯移半個曲軸沖程的距離。由于曲臂變形劇烈，而主軸頸和曲柄銷基本上沒有什么變形，所以在模擬過程中，要對曲臂部分劇烈變形的網格進行重劃，保證模擬的精度。曲軸單拐鐓鍛成形過程的速度場如圖4所示，由圖4可知主軸頸和曲柄銷部分的速度場非常均勻，說明它們只做剛性平移，而曲臂部分的速度場則不均勻，說明曲臂部分變形很不均勻。工件等效應變分布見圖5，由圖可知變形主要在曲臂部分，曲臂部分變形很不均勻，應變值相差很大，變形集中在施加錯移力與對側被夾緊的主軸頸的連線上，同時向兩側擴展。

變形結束時工件與模具的溫度場分布如圖6所示。工件在變形過程中，一方面要與空氣進行對流換熱和輻射換熱，另一方面與模具接觸產生傳導換熱，這兩方面導致工件表面溫度低、內部溫度高，同時工件在變形過程中的塑性功要轉化成熱能，使得工件的溫度又略微上升，變形越大的地方，塑性功轉化的熱就越多。溫度場的變化，直接影響到金屬的變形抗力和流動特性，在模擬分析中一定要考慮溫度場。由于模具與工件接觸產生傳導換熱，其溫度也上升很多。

水平方向鐓粗的載荷與行程之間的關系如圖7所示。水平鐓粗位移為0～2 mm時，載荷上升很快，達到1 000 t;水平鐓粗位移為2～60 mm時，載荷上升比較緩慢，最后達到3 700 t。垂直方向錯移的載荷與行程之間的關系如圖8所示。錯移量為0～2 mm時，載荷上升很快，達到750 t;錯移量為2～75 mm時，載荷上升比較緩慢，達到2 050 t;錯移量為75～133.5 mm時，載荷變化不大，最后達到2 150 t。在行程載荷曲線上出現了3處小的振蕩，是由于模擬過程中網格重劃及決定迭代求解收斂性的失衡力殘差引起的［3］。

水平方向鐓粗力及垂直方向錯移力與時間之間的關系如圖9所示，水平方向鐓粗力總是比垂直方向錯移力大。0～0.1 s時，兩條載荷曲線基本重合;0.1～3.5 s時，兩條載荷曲線上升比較均勻;3.5～6 s時，垂直錯移力變化不大，而水平方向鐓鍛力仍保持0.1～3.5 s時的變化趨勢。由圖9中的曲線可以看出，在此期間內，水平方向鐓粗力與垂直方向錯移力的差值逐漸增大，最后差值達1 400 t。

3 結語

通過對曲軸類鍛件TR法單拐鐓鍛成形過程的模擬分析，可以得到如下結論:(1)模擬分析可以獲得常規(guī)試驗方法難以獲得的水平方向鐓粗力和垂直方向錯移力行程載荷曲線、應變場、溫度場、金屬流動速度場等信息，揭示了TR法單拐鐓鍛的變化規(guī)律，為選取設備，制訂工藝提供了理論依據。(2)金屬的變形主要在曲臂上，而且集中在施加錯移力與對側被夾緊的主軸頸的連線上，同時向兩側擴展。(3)水平方向鐓粗力比垂直方向錯移力大得多，選取設備時應考慮水平方向鐓粗力，同時兼顧垂直方向錯移力。

參考文獻

［1］張志文.鍛造工藝學［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1983.

［2］夏寅蓀.ND5型內燃機車(上)［M］.北京:中國鐵道出版社，1988.

［3］陳欣如，胡忠民.塑性有限元法及其在金屬成形中的應用［M］.重慶:重慶大學出版社，1989.