高峰,林軍

(1.北方通用發(fā)動機有限公司,山西大同037036; 2.國防科技工業(yè)精密塑性成形技術研究應用中心,重慶400039; 3.西南技術工程研究所,重慶400039)

高功率密度發(fā)動機連桿熱模鍛工藝模擬與優(yōu)化

高峰1,林軍2,3

(1.北方通用發(fā)動機有限公司,山西大同037036; 2.國防科技工業(yè)精密塑性成形技術研究應用中心,重慶400039; 3.西南技術工程研究所,重慶400039)

目的 研究某高功率密度發(fā)動機連桿的鍛造工藝。方法 首先采用傳統(tǒng)設計方法設計了連桿模鍛工藝,再通過有限元模擬分析優(yōu)化工藝。結果 根據(jù)有限元模型,分析了傳統(tǒng)設計方法下的毛坯充型效果,直觀地再現(xiàn)了終鍛成形過程中的坯料外形演變和容易出現(xiàn)成形缺陷,在此基礎上,優(yōu)化了毛坯尺寸,滿足了終鍛充型要求。結論 通過工藝試驗進一步驗證了模擬結果,獲得的鍛件沒有出現(xiàn)缺肉、折疊等缺陷,微觀組織較均勻,能夠滿足技術要求。

連桿;缺陷;數(shù)值模擬;工藝優(yōu)化

連桿主要功能是將內(nèi)燃機各缸的往復功傳遞到曲軸上,通過回轉(zhuǎn)運動將能量傳遞出去。由于工況復雜,工作負荷大,承受著周期性變化的彎曲應力、扭轉(zhuǎn)應力及慣性力、振動產(chǎn)生的附加應力等,因此連桿為I類功能鍛件,應嚴格確保其質(zhì)量[1]。

連桿的塑性成形工藝主要有傳統(tǒng)模鍛[2—3]和閉塞擠壓[4]兩類,傳統(tǒng)模鍛的典型工藝為錘上模鍛[5]。該工藝是小批量中小型連桿鍛件的最佳成形工藝[6],其常用鍛造流程為:拔長→滾擠→拍扁→預鍛→終鍛[2]。雖然一些連桿鍛造工藝設計采用了優(yōu)化方法來優(yōu)選工藝參數(shù),如BP神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化[7]、正交試驗優(yōu)化[8]和其他一些優(yōu)化方法[9—10],都是針對單工序優(yōu)化,同時模擬次數(shù)多,設計效率較差。根據(jù)高功率密度發(fā)動機連桿批量小,同時兼顧連桿質(zhì)量,縮短工藝流程,減少試模次數(shù),文中首先通過傳統(tǒng)經(jīng)驗計算獲得預制坯幾何形狀,再通過有限元模擬對連桿鍛造全過程進行模擬分析[11—12],再進行工藝試驗,使鍛件質(zhì)量得到保證。

1 連桿鍛件工藝設計

1.1 飛邊槽設計與設備選擇

某軍用發(fā)動機連桿鍛件為連桿體和連桿蓋2件一體合鍛成形(如圖1所示),材質(zhì)為34CrNiMo6鋼,其化學成分見表1,該鋼在高溫下變形抗力約為45鋼的1.5倍[3]。連桿鍛件在分模面上投影面積 F1= 283.2 cm2,周邊長度L=79.6 cm,長度31.3 cm,初步選定5 t模鍛錘,因此選用基本型式I的飛邊槽[2,5],考慮到飛邊槽對充型效果的影響[14—16],其尺寸設計為:h=4 mm,h1=6 mm,b=12 mm,b1=50 mm,r=2 mm,如圖2所示。那么飛邊平均寬度=b+b1/2=37 mm,飛邊投影面積F2=(b+b1/2)L=295 cm2,則包含飛邊在內(nèi)的鍛件水平投影面積為F=F1+F2=578.2 cm2,那么所需要模鍛錘質(zhì)量[5]為m=6×578.2/1000 =3.5 t。按計算,選定的5 t模鍛錘滿足設計要求。

圖1 連桿鍛件Fig.1 Forging of connecting rod

表1 34CrNiMo6鋼化學成分Tab le 1 Chem ical com position of 34CrNiMo6 steel in w t%

圖2 終成形飛邊槽Fig.2 Dimension of flash for finish forging process

1.2 預制坯設計

圖3 鍛件預制坯尺寸設計Fig.3 Design of preform

圖4 預制坯尺寸參數(shù)及其三維模型Fig.4 Dimension Parameters of preform and 3D model

根據(jù)1.1章節(jié)給出的飛邊槽尺寸,將圖1中連桿鍛件大頭的通孔部分補上輔料,那么含有飛邊的鍛件三維模型如圖3左上所示。根據(jù)連桿鍛件三維模型,鍛件沿著長度方向截面積分布如圖3右上所示。將圖3右上的截面積轉(zhuǎn)為坯料直徑分布,繪制于圖3左下內(nèi)。為了方便制坯成形,將圖3左下中的坯料尺寸補料后設計的坯料直徑分布如圖3右下所示,具體尺寸及三維模型如圖4所示。從錘上模鍛工藝角度來看,圖4所示坯料成形工序適合拔長+滾擠制坯[5]。

1.3 毛坯尺寸設計

由于采用拔長+滾擠模膛制坯,制坯過程中連桿大頭不變形,所以毛坯尺寸首先要滿足連桿大頭截面積要求,根據(jù)等體積換算可以得出毛坯坯料尺寸為φ79 mm×206 mm,考慮到加熱過程的料耗(定為1.5%),實際坯料尺寸初步定為為:φ80 mm×209 mm。

1.4 工序設計

根據(jù)毛坯和預制坯幾何形狀,以及鍛件批量等角度出發(fā),設計的鍛造工序如下。

1)輕拍。由于加熱后的毛坯表面帶有氧化皮,因此在鍛造之前,在錘鍛模光滑平面上輕拍一下,去除表面氧化鐵皮。

2)制坯。采用夾鉗夾住大頭坯料,拔長并滾擠桿部和小頭,其尺寸由模具保證,翻轉(zhuǎn)坯料錘擊共3～5次,制坯工步就結束。

3)拍扁。制坯結束后,坯料外形近似為回轉(zhuǎn)體,置于終鍛模腔內(nèi)將會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動,因此需要拍扁坯料,拍扁后的坯料尺寸應該盡量滿足均勻變形的要求[4]。

4)終鍛。預鍛和終鍛采用同樣一個模腔成形。將坯料在終鍛模型內(nèi)的成形分為兩步:第一步,預成形,由于拍扁后毛坯大頭部分截面面積與鍛件大頭截面面積不完全相同,需要對坯料在鍛件長度方向再一次分配,彌補制坯工步的不足,一般采用2次較輕的錘擊;第二步,終成形,采用全能量錘擊,完成型腔充型。

2 工藝模擬試驗

2.1 連桿錘上模鍛工藝幾何模型設計

在1.4章節(jié)的工序設計中,工序2獲得的坯料尺寸如圖4a所示,三維模型如圖4b所示。為了確保在終鍛時變形程度一致,拍扁型腔尺寸設計如圖5所示。終鍛模型腔采用圖3左上所示的三維模型進行設計。

圖5 拍扁型腔的幾何尺寸Fig.5 Geometric dimension of press cavity

2.2 連桿錘上模鍛模擬模型控制參數(shù)設計

34CrNiMo6鋼材料模型來自文獻[6],坯料初始溫度為1150℃,模具溫度為300℃,選用剪切摩擦模型,摩擦因數(shù)取0.25;坯料與模具之間的熱傳導系數(shù)為5 W/(m·K)。鍛錘為5 t模鍛錘,假定上滑塊質(zhì)量為5.5 t(含上模),最大打擊能量為125 kJ,最大打擊效率為0.45,每錘間隔為4 s。拍扁工序采用2次打擊,首次打擊能量為最大打擊能量的60%,考慮到錘頭下降速度對打擊效率的影響,打擊效率為0.40,第2次為100%,效率為0.45;終鍛打擊次數(shù)為4次,首次為最大打擊能力的50%,打擊效率為0.35,第2次為60%,效率為0.40,第3次和第4次采用最大打擊能量的100%,打擊效率為0.45。

2.3 模擬結果分析

2.3.1 拍扁工序結果分析

圖4預制坯經(jīng)過拍扁后的尺寸參數(shù)如圖6所示,其長度為316 mm,最大寬度為107 mm,恰好能夠放入終鍛型腔內(nèi)。

圖6 拍扁后的坯料外形尺寸及其溫度分布Fig.6 Dimension and temperature distribution ofbilletafter press process

2.3.2 初步設計的預制坯充型效果與尺寸優(yōu)化

將拍扁工序獲得的坯料導入終鍛成形模擬模型中,再經(jīng)過終鍛4次錘擊后,坯料高度為48.6 mm(熱態(tài)),坯料在模具型腔內(nèi)的充型效果如圖7所示,由于在圖7的A處沒有形成飛邊,導致了在大頭4個尖角處不能充型。對圖3b的截面積分布圖進一步分析后,須將大頭部分坯料增長4 mm,再一次進行模擬。

3.2.3 優(yōu)化后坯料充型效果

采用優(yōu)化后坯料的模擬結果如圖8所示,從圖8中可以看出,由于B處形成飛邊,使得連桿大頭端部的4個尖角完全充型。在終鍛工序中,四次打擊完成后坯料溫度場分布如圖9所示,從圖9可以看出,鍛件飛邊上的最大溫度為1250℃ 以上,而本體溫度低于1150℃,滿足材料的最大允許溫度。終鍛成形過程的打擊力及打擊能量如圖10所示,從圖10可以看出,最大打擊力為3300 t,4次打擊恰好滿足終成形需求。

圖7 初步設計坯料在終鍛工序下的充型效果Fig.7 Filling effect after finishing forging process by using the initial preform

圖8 優(yōu)化后的坯料在終鍛中的充型效果Fig.8 Filling effect after finishing forging process by using the optimized preform

圖9 終鍛過程鍛件幾何外形演變及溫度分布Fig.9 Geometry evolution and temperature distribution of billet during finishing forging process

圖10 終鍛四次錘擊成形力及成形能量曲線Fig.10 Curves of forging force and energy for finishing forging process

3 工藝試驗

根據(jù)模擬結果,設計了模具,在5 t模鍛錘上進行了工藝試驗。坯料加熱溫度為1150℃,模具預熱溫度為300℃,采用水基石墨潤滑。試驗獲得的鍛件和調(diào)質(zhì)后典型區(qū)域微觀組織如圖11所示。從圖11中可以看出,經(jīng)過有限元分析與優(yōu)化后,鍛件沒有塌角、折疊等缺陷,微觀組織均勻性好,滿足產(chǎn)品技術要求。

圖11 試驗獲得連桿鍛件及其典型位置微觀組織(調(diào)質(zhì)態(tài), 500×)Fig.11 Connecting rod obtained by experimental work and its typicalmicrostructure

4 結論

1)對采用傳統(tǒng)方法設計的毛坯和預制坯,進行有限元模擬驗證,優(yōu)化了毛坯幾何尺寸,改善了鍛件在終鍛型腔內(nèi)的充型效果,終鍛件與毛坯的體積比為87.5%,大大降低了材料成本。

2)通過有限元模擬進一步減少了試鍛次數(shù),從而節(jié)省時間和費用。

3)為了保證連桿鍛件的組織一致性,連桿各區(qū)域在終鍛部分變形程度一致,有效控制了鍛件組織一致性。

[1]李志廣,安文忠,劉振杰.396柴油機連桿模鍛成形工藝研究[J].鍛壓技術,2013,38(2):17—20. LI Zhi-guang,AN Wen-zhong,LIU Zhen-jie.Research on Forming Technology for 396 Diesel Engine Connecting Rod Die Forging[J].Forging&Stamping Technology,2013,38 (2):17—20.

[2]黃虹,陳元芳,王昶.中小型連桿錘上模鍛優(yōu)化設計[J].鍛壓機械,2002(2):28—30. HUANG Hong,CHEN Yuan-fang,WANG Chang.Optimaled Design for Forging Die of Small and Medium Connecting Rod for Forging Hammer[J].Metalforming Machinery,2002 (2):28—30.

[3]楊振恒,陳鏡清.鍛造工藝學[M].西安:西北工業(yè)大學出版社,1985. YANG Zhen-heng,CHEN Jing-qing.Forging Technology [M].Xi'an:Northwest Polytechnic University Press,1985.

[4]馬斌.6061鋁合金連桿閉塞鍛造成形過程的數(shù)值分析與實驗研究[D].重慶:重慶大學,2009. MA Bin.Numerical Analysis and Experimental Research on Forming Process of 6061 Aluminum Alloy Connecting Rods Closed-die Forging[D].Chongqing:Chongqing University, 2009.

[5]呂炎.鍛模設計手冊[K].北京:機械工業(yè)出版社,2005. LYU Yan.Handbook of Forging Die Design[K].Beijing: Mechanical Industry Press,2005.

[6]康鳳,楊鄂川,林軍,等.曲軸用34CrNiMo6高強結構鋼熱變形行為研究[J].材料導報,2013,27(2):49—50. KANG Feng,YANG E-chuan,LIN Jun,et al.Study on Hot Deformation Behavior of High Strength Construction Steel 34crnimo6 for Crankshafts[J].Materials Review,2013,27 (2):49—50.

[7]吳旭.連桿鍛造成形數(shù)值模擬及工藝參數(shù)優(yōu)化[D].南京:南京理工大學,2014. WU Xu.Forging Process Numerical Simulation and Parameters Optimization of Connecting Rod[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2014.

[8]劉雅輝,劉淑梅,于秋華,等.基于立體正交試驗的連桿熱鍛模優(yōu)化設計[J].上海工程技術大學學報,2015(1): 14—18. LIU Ya-hui,LIU Shu-mei,YU Qiu-hua,et al.Optimization Design of Connecting Rod Forging Die Based on Cubic Orthogonal Test[J].Journal of Shanghai University of Engineering Science,2015(1):14—18.

[9]萬亞飛.發(fā)動機連桿預鍛過程數(shù)值模擬與工藝優(yōu)化[D].長春:長春理工大學,2014. WAN Ya-fei.Numerical Simulation and Optimization of Engine Connecting Rod Pre-forging Process[D].Changchun: Changchun University of Science and Technology,2014.

[10]楊兆偉,崔曉萍,孫康嶺.摩托車連桿鍛造過程的數(shù)值模擬[J].熱加工工藝,2010,39(17):101—103. YANG Zhao-wei,CUI Xiao-ping,SUN Kang-ling.Numerical Simulation of Forging Process for Motorcycle Connecting Rod [J].HotWorking Technology,2010,39(17):101—103.

[11]王建國,馮州鵬,黃引平,等.柴油機連桿鍛造成形工藝的數(shù)值模擬[J].熱加工工藝,2008,37(23):70—72. WANG Jian-guo,FENG Zhou-peng,HUANG Yin-ping,et al.Numerical Simulation of Forging Technology for Diesel Engine Rod[J].Hot Working Technology,2008,37(23): 70—72.

[12]趙新海,趙國群,王廣春,等.鍛造預成形多目標優(yōu)化設計的研究[J].機械工程學報,2002,38(4):61—65. ZHAO Xin-hai,ZHAO Guo-qun,WANG Guang-chun,et al. Multiple Objective Optimal Preform Die Shape Design in Metal Forging[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2002,38(4):61—65.

[13]趙祖德,陳學文,陳軍,等.基于近似模型和數(shù)值模擬的連桿熱鍛成形工藝設計優(yōu)化[J].上海交通大學學報, 2008,42(5):748—751. ZHAO Zu-de,CHEN Xue-wen,CHEN Jun,et al.The Design Optimization for Hot Forging Process of Connecting-rod Based on Approximate Model and Numerical Simulation [J].Journal of Shanghai Jiaotong University,2008,42(5): 748—751.

[14]葉煥君.熱模鍛模具的飛邊槽優(yōu)化設計[J].鍛壓技術, 2008,33(1):90—92. YE Huan-jun.Optimized Design of Die Flash Groove for Hot Die Forging[J].Forging&Stamping Technology,2008,33 (1):90—92.

[15]管婧,王廣春,趙國群.飛邊槽結構形式對模鍛成形的影響[J].熱加工工藝,2002,31(5):40—41. GUAN Jing,WANG Guang-chun,ZHAOGuo-qun.Influence of Different Type of Flash on the Open-die Forging[J].Hot Working Technology,2002,31(5):40—41.

[16]劉永熙.普通飛邊槽與楔形飛邊槽成形阻力的比較和選用[J].合肥工業(yè)大學學報,1983,6(2):71—76. LIU Yong-xi.Comparison of Forming Resistance and Choice Between Common Flash and Wedged Flash[J].Journal of Hefei University of Technology,1983,6(2):71—76.

Hammer Forging Process Simulation and Optim ization of Connecting Rod of High-Power-Density Engine

GAO Feng1,LIN Jun2,3
(1.Norththern General Dynamic Group Ltd.,Datong 037036,China; 2.National Research and Application Center of Precise Forming,Chongqing 400039,China; 3.Southwest Technology and Engineering Research Institute of China,Chongqing 400039,China)

The aim of this studywas to investigate the hammer forging process of connecting rod ofone high-power-density engine.The classical process designmethod was employed to design the hammer forging process,and the finite element method was used to analyze the process.By using numerical simulation,the filled effectwas analyzed,the geometricalevolution of preform and defectwere shown in numerical simulation results,and the geometry of preform and hammer process were optimized.Experimentalwork verified the accuracy ofnumerical simulation results.The obtained forging of connecting rod has homogeneousmicrostructure without any defects,which can satisfy all the technical requirements.

connecting rod;defect;numerical simulation;process optimization

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.04.014

TG316.3

:A

:1674-6457(2015)04-0066-05

2015-04-13

高峰(1982—),男,山西五臺人,工程師,主要研究方向為精密機械制造。