■ 焉永才

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曲軸是內(nèi)燃機(jī)的重要部件，其質(zhì)量性能穩(wěn)定性直接決定著內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，為獲取優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，全纖維鐓鍛技術(shù)在中速內(nèi)燃機(jī)曲軸鍛造生產(chǎn)過(guò)程中廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在鍛造成形技術(shù)主要為T(mén)R法和RR法，這兩種技術(shù)均是在液壓機(jī)上安裝專用工裝進(jìn)行生產(chǎn)，其中TR法工裝采用肘桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行曲拐成形。全纖維鐓鍛工藝特點(diǎn)為料段局部加熱然后局部成形，這種成形技術(shù)除了受工裝模具、加熱狀態(tài)等因素影響外，變形速度對(duì)成形質(zhì)量也有一定影響，本文根據(jù)TR法技術(shù)通過(guò)采用同樣模具，同樣料段溫度設(shè)置，在不同模具工作速度情況下對(duì)曲拐鐓鍛成形進(jìn)行有限元模擬，以驗(yàn)證不同變形速度對(duì)曲軸彎曲鐓鍛成形的影響。

1. 加熱試驗(yàn)方案及模擬結(jié)果

本研究采用法國(guó)Transvalor公司開(kāi)發(fā)的Forge鍛造模擬軟件中3D cooling功能進(jìn)行溫度的反向操作，即將環(huán)境溫度設(shè)置為加熱溫度，通過(guò)軟件的溫度傳導(dǎo)等模擬功能來(lái)獲取所需要的高溫下的溫度場(chǎng)以用于成形模擬。

針對(duì)鐓鍛曲軸局部加熱的特點(diǎn)，對(duì)坯料變形局域進(jìn)行加熱設(shè)置：加熱區(qū)限制于局部成形區(qū)，加熱區(qū)溫度均設(shè)置為1250℃，其他周圍環(huán)境溫度為20℃，加熱時(shí)間為100min，材質(zhì)為42CrMo4。

通過(guò)加熱模擬獲得如圖1所示的料段加熱溫度結(jié)果。

2. 鐓鍛成形模擬及分析

圖1 料段加熱模擬結(jié)果

曲拐鐓鍛成形模擬采用TR法原理，模具結(jié)構(gòu)及組成如圖2所示，料段溫度繼承前期加熱模擬溫度結(jié)果，成形設(shè)備選擇液壓機(jī)，肘桿成形終止時(shí)與垂直方向角度為68°，根據(jù)變形速度不同確定兩個(gè)成形方案（見(jiàn)表1），方案1的壓力機(jī)滑塊工作速度為7mm/s，方案2的壓力機(jī)滑塊工作速度為20mm/s，兩個(gè)方案的中間模具和水平模具速度如圖3所示，摩擦條件選擇Water+Graphite，熱傳導(dǎo)條件選擇Steel-hot-medium，模具溫度設(shè)定為100℃，成形曲拐的型腔主要設(shè)計(jì)在中間模具中。

（1）速度對(duì)材料溫度影響的分析 通過(guò)模擬可以看到在終鍛結(jié)束后（見(jiàn)圖4），方案1成形曲拐表面和內(nèi)部較大部分區(qū)域溫度均比方案2低，方案1表面最高溫度在1128℃左右，表面最低溫度在240℃左右，內(nèi)部溫度最高在1234℃左右；方案2表面最高溫度在1190℃左右，表面最低溫度在470℃左右，內(nèi)部溫度最高也在1234℃左右 ；方案1曲臂內(nèi)部從主軸頸中心向上的大部分區(qū)域內(nèi)溫度都降到1100℃ 以下；經(jīng)分析這種溫度的差異是由于方案1模具運(yùn)動(dòng)速度低，整個(gè)變形過(guò)程時(shí)間比較長(zhǎng)，為42.797s，坯料與模具接觸時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)由空氣對(duì)流與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換的時(shí)間也長(zhǎng)，所以通過(guò)模具和周圍環(huán)境熱量散失較多；而方案2由于變形時(shí)間短，僅為13.73s，坯料熱量損失相對(duì)少一些，所以溫度降低少些。

表1 速度設(shè)定方案

圖2 模具結(jié)構(gòu)

圖3 模具運(yùn)動(dòng)速度曲線

（2）速度對(duì)填充影響的分析 從圖5可以得到，模擬結(jié)束時(shí)不同方案曲拐成形填充情況，方案1曲拐上部平面與曲臂徑向側(cè)面相交的角部未填充滿，從主軸頸中心向上部位飛邊很少；方案2整個(gè)曲拐全部填充滿，主軸中心向上部位周邊形成一定寬度的飛邊，飛邊要多于方案1。下面在水平變形量相同情況下對(duì)曲拐鐓鍛成形的狀態(tài)進(jìn)行比較分析。

圖6所示模擬的第78步水平預(yù)鐓粗將結(jié)束時(shí)，由于變形區(qū)料段在局部加熱時(shí)中部和兩端溫度不同（見(jiàn)圖1），中部溫度高，兩端溫度低，造成靠中部溫度高的材料塑性比兩端低溫區(qū)材料塑性高，易變形的特點(diǎn)，所以坯料出現(xiàn)中部鐓粗直徑大，而兩端直徑細(xì)的現(xiàn)象。同時(shí)可以看到由于方案2比方案1變形時(shí)間短，坯料與模具接觸部位的溫度都要高于方案1，方案2的坯料與中間模接觸部位由于溫度比方案1高，此部分直徑鐓粗?jǐn)U展也要大于方案1。圖7模擬第170步時(shí)，由于方案2變形時(shí)間比方案1短，模具與坯料接觸時(shí)間短，坯料溫度降低慢，心部大部分材料溫度在1147℃以上，而方案1溫度在1147℃以上的區(qū)域明顯變小，并且上部表面溫度已經(jīng)降到1147℃以下，這種溫度變化的差別，造成方案2靠近與中間模部位的坯料直徑在高溫高塑性情況下徑向尺寸鐓粗后增加量要大于方案1，而此部位正處于中間模具型腔的底部，模具型腔側(cè)壁充分對(duì)鐓粗的材料流動(dòng)進(jìn)行限制，迫使材料向型腔上部流動(dòng)。

從圖7可以看到方案2坯料頂部與型腔頂部距離要小于方案1，而坯料下部材料少于方案1，也就是說(shuō)，方案2坯料上部材料要多于方案1，為曲拐上部成形儲(chǔ)備較多的材料。同時(shí)由于方案2變形時(shí)間短，溫度場(chǎng)相對(duì)于方案1均勻化程度小，由兩端靠近主軸頸低溫度區(qū)材料在彎曲過(guò)程中抵抗材料向下流動(dòng)的能力較強(qiáng)，也使材料易于保持在上部。這就是方案2填充要好于方案1，同時(shí)主軸中心以上飛邊要多于方案1的原因。

圖4 模擬結(jié)束時(shí)坯料表面和內(nèi)部溫度狀態(tài)

圖5 鐓鍛成形模擬結(jié)果

圖6 模擬第78步時(shí)不同方案變形情況及溫度場(chǎng)狀態(tài)

表2 模具受力情況 （kN）

（3）速度對(duì)變形抗力影響的分析 表2為各個(gè)模具受力情況，方案1中間上模和左右上模受力要小于方案2，這是由于雖然溫度降低比方案2大，但方案1曲拐上部未充滿，飛邊小，形成的填充阻力小，而且變形水平投影面積小，所以中間上模和左右上模受到的坯料變形抗力要小些。而方案1的左、右下模水平力大于方案2的原因是由于方案1中主軸中心以下的飛邊較多，變形投影面積較大，而且飛邊溫度較低（見(jiàn)圖8），所以變形抗力增加較大。

（4）速度對(duì)曲臂折疊影響的分析 從圖8可以看到，在曲拐主軸頸外周和連桿頸側(cè)曲臂表面均有環(huán)狀折疊，方案1折疊深度比方案2折疊要深些，長(zhǎng)度要長(zhǎng)些。通過(guò)模擬可以知道這些折疊是料段臺(tái)階處端面與模具接觸時(shí)通過(guò)熱傳導(dǎo)熱量損失較多，溫度降低較多，方案1中局部溫度低于300℃以下（見(jiàn)圖9），造成此處局部一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)材料塑性極低，在坯料鐓粗時(shí)與高溫區(qū)材料變形不一致，當(dāng)坯料高溫部位圓柱表面材料經(jīng)鐓粗?jǐn)U展并與模具表面逐漸接貼合時(shí)，由于端面低溫低塑性區(qū)域變化很小，鄰近的溫度較高變形量較大的材料被迫繞過(guò)此處與模具接觸，在此處形成一個(gè)環(huán)形的溝槽并在成形終止時(shí)形成折疊。而方案2由于模具運(yùn)動(dòng)速度較快，鐓鍛成形時(shí)間較短，料段臺(tái)階處端面與模具接觸時(shí)間相對(duì)較短，溫度和塑性降低區(qū)域較小，所以折疊相對(duì)方案1要輕些。在實(shí)際生產(chǎn)中可以采取將臺(tái)階處倒角的方法（見(jiàn)圖10），通過(guò)倒角可以避免坯料端面從一開(kāi)始就與模具表面進(jìn)行接觸，減少因與模具接觸降低溫的時(shí)間，使坯料端表保持較高的溫度和塑性，從而避免坯料此部位材料因塑性差異而形成溝槽，從而達(dá)到消除折疊的目的。

圖7 模擬第170步時(shí)不同方案溫度場(chǎng)狀態(tài)和模具接觸情況

圖8 曲拐側(cè)面折疊

圖9 坯料局部降溫形成折疊的狀態(tài)

（5）鐓鍛生產(chǎn)過(guò)程中“悶?zāi)！爆F(xiàn)象的分析 由于液壓機(jī)屬于限力的鍛造設(shè)備，在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)變形快到結(jié)束時(shí)，因綜合變形抗力達(dá)到壓力機(jī)設(shè)定的壓力值時(shí)，滑塊會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，如果在此時(shí)開(kāi)模，鍛件往往出現(xiàn)曲拐厚度尺寸偏大，曲臂填充不滿的情況，所以在實(shí)際操作時(shí)，會(huì)在滑塊停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，再保壓維持一段時(shí)間再開(kāi)模，此時(shí)曲拐尺寸會(huì)變小并且填充滿，這種保壓維持一段時(shí)間的現(xiàn)象被稱為“悶?zāi)！薄?/p>

經(jīng)分析認(rèn)為，雖然于液壓機(jī)滑塊在達(dá)到設(shè)定壓力值時(shí)就會(huì)停止，但在繼續(xù)保壓這段時(shí)間內(nèi)，模具并未處于靜止?fàn)顟B(tài)，而是以很低的速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，通過(guò)對(duì)方案1鐓鍛后期當(dāng)水平模具運(yùn)動(dòng)距離終點(diǎn)差1mm時(shí)將滑塊速度調(diào)整為1mm/s來(lái)模擬悶?zāi)，F(xiàn)象，可以發(fā)現(xiàn)，在最后1mm的變形過(guò)程中，隨著變形速度的降低，變形力明顯減小，說(shuō)明了在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中當(dāng)液壓機(jī)達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，滑塊停止運(yùn)動(dòng)后，在保壓狀態(tài)下模具以極低的速度繼續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)金屬材料變形的應(yīng)變速率降低，流動(dòng)應(yīng)力降低的特點(diǎn)，速度突然降低后鐓鍛變形抗力比正常運(yùn)動(dòng)速度時(shí)有明顯降低，降低的變形抗力低于壓力機(jī)設(shè)定值為模具繼續(xù)運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力條件，隨著變形的繼續(xù)，變形抗力會(huì)持續(xù)增加到一定值。“悶?zāi)！爆F(xiàn)象模擬的模具受力曲線如圖11所示。

圖10 坯料倒角方案及折疊消除情況

圖11 “悶?zāi)！爆F(xiàn)象模擬的模具受力曲線

3. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元模擬分析可知，在模具結(jié)構(gòu)和加熱規(guī)范一定的情況下變形速度對(duì)曲軸鐓鍛成形有著較大影響，在較快速度下進(jìn)行鐓鍛成形，整個(gè)成形時(shí)間短，坯料表面和內(nèi)部溫度降低均較小，加熱時(shí)形成的溫度場(chǎng)狀態(tài)變化小。

對(duì)于本文中型腔設(shè)計(jì)在中間模中的模具方案，變形速度快，坯料高溫區(qū)具有較高的塑性，鐓粗過(guò)程中在中間模具型腔中徑向增加量較大，受型腔側(cè)壁控制材料向上流動(dòng)的能力好，有利于曲拐上部的填充。

變形速度慢，變形時(shí)間長(zhǎng)，坯料端面與模具接觸部位熱量損失較多，局部溫度降低較大，造成此局部材料與鄰近高溫區(qū)域材料塑性變形能力有差異，在鐓粗過(guò)程中形成折疊。

由于變形速度對(duì)曲軸鐓鍛成形有影響，所以在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中要合理確定變形速度，保證鐓鍛質(zhì)量，可以在曲拐鐓鍛成形過(guò)程中對(duì)變形速度進(jìn)行控制，先快后慢，變形前期利用模具快速運(yùn)動(dòng)，變形時(shí)間短，坯料降溫小材料向上流動(dòng)性好的特點(diǎn)，使上部積聚成形需要的材料；變形后期利用低變形速度下材料應(yīng)變速率降低，流動(dòng)應(yīng)力降低的特點(diǎn)，減小變形抗力，使材料在型腔內(nèi)充分得到壓制，保證填充和尺寸精度。