曲軸TR法成形的三維有限變形彈塑性有限元模擬

1、曲軸TR法成形的三維有限變形彈塑性有限元模擬作者：王紀(jì)武劉莊王本一摘要：大型曲軸的全纖維成形工藝是保證曲軸能夠在復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下正常工作的一種有 效的工藝方案。由于其成形過(guò)程復(fù)雜，變形過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)很難用實(shí)驗(yàn)方法確定。 本文基于ANSYS工作平臺(tái)，利用開(kāi)發(fā)的三維有限變形彈塑性有限元程序，并利用開(kāi)發(fā)的 三維網(wǎng)格重劃功能模塊，模擬了曲軸的TR法成形過(guò)程，得到了曲軸在成形全過(guò)程中的應(yīng) 力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)以及載荷位移曲線(xiàn)，為制定合理的成形工藝方案，優(yōu)化模具設(shè)計(jì)，提高成形 質(zhì)量，以及提高模具壽命提供了可靠的依據(jù)。關(guān)鍵詞：TR法曲軸彎曲鐓鍛；3-D有限變形彈塑性有限元；3-D網(wǎng)格重劃一、前言目前對(duì)于大型

2、曲軸成形過(guò)程的研究，主要包括試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究。國(guó)內(nèi)外在這方面 做的工作很多，但從僅有的一些文章來(lái)看，這些工作僅僅局限在對(duì)根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的 缺陷的陳述，同時(shí)提出一些關(guān)于改進(jìn)這些問(wèn)題的工藝方案的建議。這對(duì)于系統(tǒng)地優(yōu)化工藝 方案，提高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約原材料等生產(chǎn)的實(shí)際需要有很大的差距。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要 原因是不能夠準(zhǔn)確確定曲軸在成形過(guò)程中應(yīng)力和應(yīng)變的場(chǎng)分布，因此不能夠從曲軸變形的 力學(xué)機(jī)理上找到解決問(wèn)題的辦法。大型曲軸試驗(yàn)研究的主要問(wèn)題對(duì)于大型曲軸的直接實(shí)驗(yàn)?zāi)M是不現(xiàn)實(shí)的，因此只能根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出相應(yīng) 的實(shí)驗(yàn)?zāi)M模型，通過(guò)對(duì)該模型的研究，反推出適用于實(shí)際生產(chǎn)需要的結(jié)論，然后再根據(jù)

3、 生產(chǎn)的實(shí)際情況修正實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。這種方法對(duì)于確定具體準(zhǔn)確的成形工藝方案以及合理的模 具設(shè)計(jì)是有一定的誤差的。目前對(duì)于象曲軸這些需要經(jīng)歷復(fù)雜的成形過(guò)程的變形，即使對(duì)于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停€不具備較 好的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定其變形過(guò)程中復(fù)雜的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)分布，只能是近似地測(cè)定某些特殊 區(qū)域的部分場(chǎng)變量值，因此很多方案的改進(jìn)是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)確定的，但是，這些經(jīng) 驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于系統(tǒng)的工藝優(yōu)化是比較困難的，同時(shí)，也很難確定原有工藝方案的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于大型鍛件的實(shí)驗(yàn)?zāi)M需要耗費(fèi)較多的科研經(jīng)費(fèi)。曲軸有限元模擬的主要問(wèn)題在成形過(guò)程中，邊界條件比較復(fù)雜：坯料的預(yù)鍛溫度約為1200 r，在成形時(shí)，溫度在 1100C左右，終鍛溫度約為

4、1000r以上，模具的預(yù)熱溫度約為200r。因此，確定坯料在 此溫度下采用何種物理模型非常關(guān)鍵。另外，在成形過(guò)程中，坯料的自由邊界和與模具接 觸的接觸邊界的范圍都非常大，使得由于接觸而產(chǎn)生的非線(xiàn)性變化比較復(fù)雜。大型曲軸鐓鍛時(shí)，坯料承受水平載荷和垂直彎曲載荷的同時(shí)作用，從原始的臺(tái)階形簡(jiǎn)單 形狀轉(zhuǎn)變成具有復(fù)雜形狀的終鍛曲軸，其間經(jīng)歷復(fù)雜的變形過(guò)程，使得原始的有限元網(wǎng)格 在成形過(guò)程中變化量較大，極易發(fā)生畸變。另外，在整個(gè)成形過(guò)程中，其應(yīng)變的計(jì)算應(yīng)該 采用有限變形理論，傳統(tǒng)的小變形應(yīng)變計(jì)算理論是不合適的，因此需要考慮幾何非線(xiàn)性的 影響，這樣使得應(yīng)變的計(jì)算復(fù)雜。在曲軸的成形過(guò)程中，應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)的分布復(fù)

5、雜，很難用平面應(yīng)力、平面應(yīng)變或軸對(duì) 稱(chēng)的二維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，因此，三維的有限元模擬是合適的。目前，對(duì)于金屬成形的大變 形有限元模擬，特別是關(guān)于網(wǎng)格重劃的處理，是許多學(xué)者正在從事研究的工作，因此，這 方面的工作還很不完善。關(guān)于開(kāi)發(fā)的有限元數(shù)值模擬軟件的實(shí)用性準(zhǔn)確性可靠性，需要試驗(yàn)研究做進(jìn)一步的驗(yàn)證 和改善。曲軸成形有限元數(shù)值模擬研究過(guò)程開(kāi)發(fā)具有通用性的適合于金屬成形要求的三維有限變形彈塑性有限元軟件及網(wǎng)格重劃 系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，將實(shí)驗(yàn)?zāi)M和數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證，修正并改善數(shù) 值模擬的能力和算法。將此有限元軟件用于實(shí)際生產(chǎn)的模擬，并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)生的具體

6、現(xiàn)象驗(yàn)證模擬產(chǎn)生的 結(jié)果，同時(shí)進(jìn)一步完善和優(yōu)化數(shù)值模擬模型。根據(jù)以上關(guān)于目前曲軸等大型鍛件試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究的難點(diǎn)的分析，可以看出有限 元數(shù)值模擬的發(fā)展，作為數(shù)值模擬的一個(gè)重要方法，必將在不遠(yuǎn)的將來(lái)在這方面發(fā)揮重要 的作用。但是對(duì)于有限元軟件的實(shí)用性、可靠性以及計(jì)算精度和通用性，需要通過(guò)一定的 實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證和修正。二、TR法彎曲鐓鍛技術(shù)曲軸的TR法彎曲鐓鍛技術(shù)是一種全纖維的曲軸成形工藝，是1963年在波蘭波茲南金屬壓 力加工研究所，由T.Rut博士發(fā)明的，并按照發(fā)明人的姓名的第一個(gè)字母命名4。TR法彎曲鐓鍛技術(shù)的原理首先將圓棒料車(chē)削加工成多個(gè)凸臺(tái)狀的坯料，或?qū)⑴髁戏侄五懗霾煌睆降闹虚g坯，

7、然后 在專(zhuān)用的鐓彎模內(nèi)將兩側(cè)拐頸部分鐓出，并將拐頸錯(cuò)移，彎曲成拐柄。其工作過(guò)程是：通 過(guò)肘桿機(jī)構(gòu)，把壓力機(jī)的壓力分解為垂直彎曲力和水平鐓粗力。在TR法鐓鍛過(guò)程中，隨 著肘桿傾角的逐漸減小，水平鐓粗力逐漸加大。到達(dá)鐓鍛終點(diǎn)時(shí)，水平分力達(dá)到最大值， 其值可達(dá)到壓力機(jī)公稱(chēng)壓力的23倍。力的這種分配比較合理，因?yàn)樗椒至Φ倪@種變化 趨勢(shì)和曲臂成形阻力的變化規(guī)律相吻合。在水平力施加的同時(shí)，在中間還施加垂直彎曲力。 水平鐓粗力使棒料鐓粗成曲臂，中間垂直力彎曲錯(cuò)下形成曲柄銷(xiāo)。一拐完成后，坯料轉(zhuǎn)動(dòng) 一個(gè)曲柄夾角，再鐓鍛相鄰的曲拐。TR法全纖維彎曲鐓鍛曲軸的優(yōu)點(diǎn)TR法利用肘桿機(jī)構(gòu)將垂直力分解為水平力，在加壓過(guò)程

8、中，肘桿的傾角不斷減小，使 得水平力不斷增加，而水平力的增加與變形抗力的增加相適應(yīng)。TR法的模具水平移動(dòng)距離長(zhǎng)，在液壓機(jī)橫梁提升時(shí)，使模具具有較大的開(kāi)檔。在開(kāi)始 時(shí)夾緊毛坯，上肘桿處于垂直位置，保證了最大夾緊力，因此有可能直接使用圓棒料做毛 坯，而不一定先將毛坯預(yù)制成“糖葫蘆”狀。TR法不僅可以在鍛造液壓機(jī)，也可用于機(jī)械壓力機(jī)。在鍛造曲軸時(shí)，可以按曲拐扭角 設(shè)計(jì)定位模膛。一次加熱出幾個(gè)曲拐，可以一火鍛出。一拐完成后，更換適當(dāng)?shù)亩ㄎ荒K， 繼續(xù)鐓鍛另一拐。三、TR法曲軸成形的有限元模擬分析根據(jù)曲軸TR法成形過(guò)程中，工件在水平擠壓和垂直彎曲載荷的同時(shí)作用下，產(chǎn)生了復(fù)雜 的變形過(guò)程。根據(jù)其變形特點(diǎn)，

9、開(kāi)發(fā)了適用于有限變形的彈塑性有限元軟件，并建立了相 應(yīng)的網(wǎng)格重劃模塊。關(guān)于這兩部分的理論以及軟件的實(shí)用性和可靠性，在文獻(xiàn)】1, 2中 有詳細(xì)的論述。由于曲軸TR法在實(shí)際生產(chǎn)中的成形是單拐依次成形，因此在建立有限元幾何模型時(shí)，考 慮到單拐成形的對(duì)稱(chēng)性，以單拐的四分之一加以研究。模具及坯料的有限元網(wǎng)格劃分方式 如圖1所示，模具所用材料為5CrMnMo,曲軸所用材料為35CrMoA，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖 2所示。摩擦系數(shù)為0.2,模擬過(guò)程的載荷位移曲線(xiàn)如圖3所示。從載荷位移曲線(xiàn)上可以看 到，在到達(dá)鐓鍛終點(diǎn)時(shí)，水平分力最大，其值約為垂直載荷的3倍以上，這是與實(shí)際生產(chǎn) 的結(jié)論相一致的。同時(shí)，水平載荷在加載

10、過(guò)程始終增加，垂直彎曲載荷在坯料與下斜塊接 觸后，產(chǎn)生了向下的減小，而水平載荷在此刻有了明顯的增加，這說(shuō)明了下斜塊對(duì)于水平 載荷力和垂直載荷力的影響。圖1有限元分析網(wǎng)格模型圖2材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖3載荷位移曲線(xiàn)圖4和圖5是網(wǎng)格經(jīng)過(guò)一次重劃后，網(wǎng)格形狀的比較，以及傳遞前后場(chǎng)量分布的比較，比 較的結(jié)果說(shuō)明了網(wǎng)格重劃保證了新舊網(wǎng)格間的場(chǎng)量分布精度，證明了開(kāi)發(fā)的三維網(wǎng)格重劃 的系統(tǒng)的功能，能夠滿(mǎn)足計(jì)算要求。圖4網(wǎng)格重劃前后單元形狀的比較(a)重劃前(b)重劃后圖5網(wǎng)格重劃前后等效塑性應(yīng)變場(chǎng)量分布的比較(a)重劃前(b)重劃后圖6和圖7是終鍛時(shí)曲軸的等效塑性應(yīng)變分布和等效應(yīng)力的分布。從等效塑性應(yīng)變的分布

11、上，可以看到TR法曲軸成形保證了曲軸徑變形后產(chǎn)生較大的強(qiáng)度和剛度，這樣保證了在 應(yīng)用時(shí)承受復(fù)雜的應(yīng)力載荷的要求。同時(shí)應(yīng)力區(qū)和應(yīng)變區(qū)的分布是相對(duì)應(yīng)的，符合理論預(yù) 測(cè)的要求。5G.詢(xún)IC = J .7. &肝 &=5G.詢(xún)IC = J .7. &肝 &=心谷S fll MG F= I id 044 6 & :莢.TM ff= 1明,516 1 = 152. 252B =. 51092C -L S5H3Z =.】說(shuō)Z; = 1.532 f - I Sr36 = N.也N =M 話(huà)!I = & 暗4圖6終鍛時(shí)的等效塑性應(yīng)變分布圖7終鍛時(shí)的等效應(yīng)力分布四、結(jié)論通過(guò)對(duì)大型曲軸TR法成形過(guò)程的模擬，證明了開(kāi)發(fā)的三維有限變形彈塑性有限元及三維 網(wǎng)格重劃系統(tǒng)能滿(mǎn)足象曲軸等大型鍛件復(fù)雜成形的數(shù)值模擬的要求，同時(shí)提供這些鍛件的 成形過(guò)程應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)等信息，為工藝優(yōu)化和合理的模具設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。從模擬結(jié) 果來(lái)看，TR法