近年來，隨著世界造船業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)大型柴油機(jī)曲軸的質(zhì)量要求越來越高,而且需求量也越來越大。對(duì)于特大型船舶用柴油機(jī)，無法通過一次成形得到整根曲軸，其生產(chǎn)方法采用半組合法,即先成形出各個(gè)曲臂鍛件，經(jīng)機(jī)加工后組合成整根曲軸，因此，本文采用 DEFORM-3D軟件,以某大型柴油機(jī)曲軸曲臂鍛件成形為例對(duì)此工藝方法成形過程進(jìn)行模擬研究。

某大型柴油機(jī)曲軸尺寸屬于特大型曲軸，采用半組合式生產(chǎn)方法制造。本文采用全纖維鍛造 RR 法(大型曲軸彎曲鐓鍛法)對(duì)大型曲臂鍛件的鍛造過程進(jìn)行模擬分析。RR 法應(yīng)用一種特殊的曲軸鍛裝置，其工作原理為：沖頭垂直下壓,使坯料發(fā)生彎曲,左右模具相互靠近對(duì)坯料進(jìn)行鐓粗,模鍛得到一個(gè)曲拐 。由于 RR 上鍛法所要求的水平鐓粗力太大，本模擬采用兩套模具，為預(yù)鍛和終鍛的兩步模鍛成形方法。預(yù)鍛成形鍛件主體尺寸，終鍛采用局部鐓粗成形。

 有限元模型的建立

各模具經(jīng) UG 軟件造型，導(dǎo)入到 DEFORM-3D 軟件中。在預(yù)鍛工序中，凹模內(nèi)部的凹孔用于容納及定位坯料，凹模兩端均開設(shè)毛邊槽。終鍛時(shí)，坯料與模具平放，在凹模內(nèi)插入墊板,將預(yù)鍛件凹槽填實(shí),模具其余尺寸與預(yù)鍛凹模一致。

模擬工藝參數(shù)設(shè)定

預(yù)鍛階段，定義環(huán)境溫度為20℃，坯料溫度為1 150 ℃，模具溫度為300℃；左右模速度為10 mm/s，行程均為1250 mm，水平相向運(yùn)動(dòng)；上、下沖頭速度為9.6 mm/s，行程為1200 mm，垂直下壓；坯料材料為S34MnV，直徑為755 mm，長(zhǎng)度為3500 mm；模具和坯料間的摩擦因數(shù)取0.7，傳熱系數(shù)為10J/(mm·s·℃)。坯料單元網(wǎng)格數(shù)為 80000。

終鍛階段，坯料溫度為1000 ℃，環(huán)境和模具溫度為300℃；上、下模速度為5mm/s，行程均為200 mm，垂直相向運(yùn)動(dòng)，墊板靜止不動(dòng)；模具和坯料間的摩擦因數(shù)和傳熱系數(shù)都與預(yù)鍛相同。坯料單元網(wǎng)格數(shù)為80000。

對(duì)大型曲臂鍛件模型進(jìn)行模擬計(jì)算后,對(duì)其成形效果圖、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)材料流動(dòng)趨勢(shì)及時(shí)間載荷曲線等數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。大型曲臂鍛件的成形，模擬曲臂鍛件已飽滿成形，成形過程未出現(xiàn)折疊。

大型曲臂鍛件的成形過程

首先將加熱的坯料放入模具中，在沖頭和凹模共同作用下坯料中部因沖頭作用向下流動(dòng)，兩端坯料在左、右模作用下向中間流動(dòng)；隨著成形過程的進(jìn)行,材料與模具接觸面積逐漸增大,中部的坯料繼續(xù)在沖頭的作用下向下運(yùn)動(dòng)，兩側(cè)的坯料在沖頭和凹模作用下產(chǎn)生鐓粗效果，逐步成形出曲臂；預(yù)鍛最后階段，曲臂預(yù)鍛件下部充滿模具型腔，達(dá)到預(yù)鍛尺寸要求，上部型腔未充滿，留待終鍛成形時(shí)由預(yù)鍛件凸臺(tái)部分的材料繼續(xù)填充。

終鍛局部鐓粗成形過程。成形開始階段模具僅與預(yù)鍛件凸臺(tái)部分接觸:隨著成形過程的進(jìn)行，凸臺(tái)被逐漸壓縮，逐漸接近曲臂尺寸;模具與鍛件接觸面積逐漸增大,金屬材料向左流動(dòng),充填型腔并開始出現(xiàn)毛邊；終鍛末期，鍛件飽滿成形并擠出毛邊。

場(chǎng)量分析

由預(yù)鍛等效應(yīng)力、等效應(yīng)變和溫度可知，鍛件內(nèi)部應(yīng)力總體分布均勻，最大應(yīng)力出現(xiàn)在凸臺(tái)與模具接觸部位及鍛件尖角處，其最大值為114 MPa,該值處在模具能承受的范圍內(nèi)，不會(huì)損傷模具，鍛件需設(shè)計(jì)較大的圓角,使材料流動(dòng)順暢，避免折疊缺陷。鍛件曲臂部位應(yīng)變較大，為主要變形區(qū)，原因是此部位材料受到?jīng)_頭和左、右模雙重作用，材料大變形流動(dòng)，則應(yīng)變較大。鍛件內(nèi)部高溫區(qū)約為1000 ℃℃，低溫區(qū)約為700 ℃，總體平均溫度約為850 ℃，此溫度在S34MnV的終鍛溫度以上，能保證大型曲臂鍛件獲得良好的內(nèi)部組織和較小的變形抗力；鍛件外表面與模具接觸部位溫度較低，是因?yàn)檫@些接觸部位發(fā)生熱傳導(dǎo)，降溫幅度較大，但是這些低溫部分不會(huì)對(duì)鍛件成形造成影響。

終鍛鍛件內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)由于終鍛為局部徽粗變形，形變較小，因此不分析應(yīng)變場(chǎng)。鍛件內(nèi)部應(yīng)力分布較為均勻，最大應(yīng)力出現(xiàn)在凸臺(tái)與模具接觸部位及鍛件尖角處，為92.6 MPa，該值在模具能承受的范圍內(nèi)。

鍛件內(nèi)部高溫區(qū)約為 980 ℃,低溫區(qū)約為760 ℃平均溫度約為870℃，此溫度在S34MnV的終鍛溫度以上，能保證大型曲臂鍛件獲得良好的內(nèi)部組織和較小的變形抗力，終鍛件表面的低溫層不會(huì)對(duì)成形過程造成影響。

在鍛件成形過程中，成形載荷是選擇設(shè)備噸位的主要依據(jù)，也是確定模具結(jié)構(gòu)、校核模具強(qiáng)度和剛度的重要參考依據(jù)。

鍛造的初始階段模具和沖頭載荷均呈

較緩慢的線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，原因是該階段坯料產(chǎn)生較小的變形，且與沖頭和模具接觸面積較小，正壓力與摩擦力均較小，坯料的溫度未出現(xiàn)明顯降低，變形抗力較小；隨著沖頭、模具與坯料之間的接觸面積逐漸增加。正壓力與摩擦力逐漸增大，變形抗力增大，沖頭和模具的載荷增大速度較快；最后階段,模具和沖頭載荷增大較為劇烈，此時(shí)模具下部已充滿型腔，只有模具上部曲臂處仍未充滿，由于模具接近閉合，接觸面積大，此時(shí)需要很大的載荷才能完成曲臂上部的充填，沖頭最大載荷為1.62×10N，模具載荷最大為5.33×10N.處于較合理的范圍。

通過對(duì)大型曲臂鍛件的預(yù)鍛一終鍛兩步成形方法進(jìn)行有限元模擬，得到以下結(jié)論：①采用預(yù)鍛一終鍛兩步成形方法模鍛成形大型曲臂鍛件，模擬成形飽滿，金屬流動(dòng)合理，鍛造流線完整，生成毛邊量較少；②采用該方法生產(chǎn)特大型曲軸，經(jīng)模擬計(jì)算，其曲臂部分在預(yù)鍛過程中，沖頭垂直載荷為1.62萬噸，凹模水平合模力為5.33萬噸，終鍛最大合模力為6.86萬噸，因此，能夠在8萬噸水壓機(jī)上采用模鍛方法對(duì)單拐曲臂整體成形；③采用預(yù)鍛一終鍛的模鍛方法生產(chǎn)大型曲臂鍛件，屬全纖維鍛造，可大幅提高鍛件質(zhì)量和精度，節(jié)約材料和機(jī)加工工時(shí)，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。此研究為大型曲臂鍛件模鍛成形工藝的制定提供理論依據(jù)。

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