大型船用曲轴曲拐弯锻过程的计算机模拟与工艺优化研究

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1、冶金之家网站大型船用曲轴曲拐弯锻过程的计算机模拟与工艺优化研究董晓亮，吕宏伟，高扬(鞍钢重型机械有限责任公司，鞍山114021)摘要：采用计算机模拟和试验手段研究了传统工艺曲拐弯锻的过程，指出了传统工艺的不足和锻造过程容易出现的各种典型缺陷。采用逆推法确定了改进工艺后预成形毛坯形状，优化了毛坯的形状因子，有针对性地提出了解决各种缺陷的措施。在此基础上对改进的工艺进行了计算机模拟，模拟结果表明，改进后的工艺能够消除喇叭口、裂纹、“细腰”、减薄等缺陷；毛坯变形抗力为传统工艺的72％；毛坯截面积减小，可节省原材料约15％。最后对改进的工艺进行了试验

2、，得到了合格的曲拐毛坯锻件，验证了模拟的准确性。所建立的模型和研究方法为进一步优化锻压工艺和今后开发其它型号的大型曲轴曲拐产品提供理论指导和技术保障。关键词：曲拐；弯锻；模拟；优化1引言大型半组合式船用曲轴是低速大马力柴油发动机最核心的部件之一，是大型船舶的“心脏”。曲轴的制备过程涉及钢水纯净化冶炼、钢锭浇注、锻造、红套组装和精加工等，整个过程十分复杂，技术含量较高，是一项集成化的制造技术。半组合式曲轴由曲拐、主轴颈、推力轴、输出端几部分红套组成，其中曲拐是曲轴上性能要求最高的部分，其成形过程也十分复杂，是制备大型船用曲轴的核心技术。目前曲拐

3、毛坯可采用铸造和锻造方法制造，Kubo等[1]回顺了神户制钢近年来大型船用曲轴的材料研制、工艺优化、曲拐局部碾压加工强化等方面的技术发展，并预测了今后的技术研究方向，Mori等[2]总结了神户制钢制造铸钢半组合式曲轴的发展历史，认为铸造曲轴是今后发展的趋势，Yoshida等[3]对铸造半组合式曲轴所用高强度钢S18NiVF等钢种进行了实验研究，总结了碳当量对机械性能的影响，Fukaya等[4]对整体式曲轴用钢34CrNiMo6和40CrMo8的机械性能进行了研究，分析了各种元素的作用，再此基础上提出了一种高强度低合金化的钢种。从现有技术发展情

4、况看，铸造曲拐虽然工艺流程短，成本低，前景看好，但对冶炼和浇注过程夹杂物的控制等方面要求很高，产品性能的稳定性较难控制；模锻曲拐虽然锻件成形情况好，加工余量小，但由于每种模具只能生产特定型号的曲拐锻件，并且模具的制造费用高，每次锻压前均需对模具进行预热，更换模具操作流程复杂，在实际生产中很少采用，因此目前绝大部分曲拐采用弯曲锻造方法制造。2半组合式曲拐的弯锻工艺研究概述曲拐整个弯锻成形过程需要4～6火，工艺流程如图1所示。首先将钢锭镦粗拔长，锻成带凸台的预成形方坯，然后放在特制的弯曲下模上，将坯料、模具摆好对中后，用专用上模以30～50mm／

5、s的速度将坯料压弯，当坯料的底部与下模接触时停止弯曲，然后将坯料卸下，更换模具，插入舌板，用平砧将坯料从头到尾反复精整压扁，直至将毛坯锻成工艺要求的尺寸。冶金之家网站在曲拐弯曲成形工艺中，塑性变形集中在曲臂与曲柄销连接的拐角部位，在该位置容易造成“缩腰”、减薄、“喇叭口”、折叠裂纹等多种缺陷产生[5]，影响产品质量。Hanawa等[6]采用有限元和实验结合的方法对曲轴曲拐工作状态下的应力状况进行了研究，发现曲臂与曲柄销连接部位是曲轴工作时承受最大交变载荷的区域，因此，必须合理地控制预成形毛坯的尺寸因子，才能有效减少曲拐内开档的缺陷，延长曲轴的

6、使用寿命。由于曲拐体积大，变形工序较为复杂，单凭锻造经验设计工艺往往会使锻件肥头大耳，锻压火次增多，内开档出现缺陷，严重时甚至会导致锻件报废，因此，必须采用计算机模拟对整个塑性成形过程进行优化设计，寻求最佳的锻造工艺方案，然后再进行现场试验，这样不但可以降低损失，提高成品率，而且可以从更深的层次去理解锻件的变形机制，进一步掌握工艺的设计原则。Ochi[7]和Yoshida[8]等分别采用有限元和实验的方法，对铸造曲轴曲拐转角位置的变形强化机理进行了研究，Kakimoto等[9]采用有限元方法对RR法锻造整体式曲轴进行了数值模拟，得到了预成形毛

7、坯的最佳形状，王仲仁等[10]采用有限元模拟对6160型曲轴弯曲镦锻过程的塑性流动机制进行了研究，王纪武等[11]采用弹塑性有限元方法对曲轴的TR成型方法进行了研究，宋士丹等[12]按1：2的比例对L60型曲轴曲拐自由弯锻过程做了实验研究。以上部分研究工作虽然提出了改进工艺，但仅是对新工艺的成形过程进行分析，均未对新工艺的提出思路进行详细阐述。本研究首先采用计算机模拟和试验手段研究了传统工艺弯锻曲拐的过程，总结出锻造曲拐容易出现的典型缺陷，充分分析了传统成形工艺的不足。在此基础上，采用逆推法改进了毛坯的形状因子，确定了优化的预成形毛坯形状。3

8、曲拐锻造工艺模拟及优化曲拐的锻造属于多火次成形过程，采用自由锻造方法。在计算机模拟中应相应地采用多步骤模拟，并且在计算过程中需要根据坯料的状态不断调整初始条件和边界