在現實生產中曾出現過曲軸鍛件質量不穩(wěn)定 、材料利用率不高等問題 ，為此上海重型機器廠與高校合作研究，對曲軸鍛件在生產過程中現的問題建立數學模型 ，模擬分析曲臂件的生產過程 ，并針對問題進行分析 ，改變現有的工藝技術 ，消除產生缺陷的不穩(wěn)定因素 ，形成適合我廠的工藝技術 ，為下階段曲軸的大批量生產提供了保障通過對曲軸數值模擬得到了彎鍛過程的應力應變場，將曲拐的變形分為3個區(qū)域 ，并研究了曲軸的塑性流動機理 ，分析了曲軸“細腰形”缺陷的形成過程和原陶，以及各工步的曲軸鍛造過程變形情況與裂紋傾向。 同時基于數值模擬技術，對曲軸結構形狀和新工藝模具進行了優(yōu)化設計。 

 一 曲軸鍛造工藝模擬分析與優(yōu)化

曲軸鍛件作為傳遞動力的傳動件，是驅動大型船體的重要核心部分。大型船用曲軸采用半組合式的方法制造，其中曲拐是曲軸生產的關鍵。隨著柴油發(fā)動機率的增大 ，船用曲軸的規(guī)格也發(fā)生著變化 ，其特點是曲臂長度增加 、厚度減薄 、曲柄銷部位變小。采用閉式模鍛很難生產這種大型號的船用曲軸 ，因此曲軸均采用自由彎曲鍛造的方法制造。

由于曲拐尺寸大 ，變形工序較為復雜 ，因此有必要采用數值模擬對其成形過程進行仿真計算 ，以預測曲軸的最終形狀和尺寸 ，進而優(yōu)化工藝 。對于厚板彎曲成形問題 ，國內外存金屬變形機制 、起皺 ，以及坯料 、模具形狀對變形過程的影響等方面已有較多研究 ，但曲軸變形較為復雜 ，不能簡化為平面或軸對稱等簡單問題來近似處理 。曲軸成形過中 ，既存在材料非線性 ，又存在幾何非線性 ，同時還存在邊界條件非線性 ，變形機制十分復雜 ，且接觸邊界和摩擦邊界較難描述 。

曲拐彎曲部位的金屬流動曲軸彎曲結束后的應力應變的分布情況。在彎曲過程中，曲軸鍛件的塑性流動大致分為3個區(qū)域 ，即曲臂末端、曲臂與曲柄銷的連接處、曲柄銷曲臂末端隨著上模的下移而自由旋轉，變形量很小；曲柄銷受到上模的壓緊作用 ，隨上模向下運動 ，除與上模接觸的一小部分外 ，其余基本為無變形的剛體運動 ；曲臂與曲柄銷的連接處則是上述兩剛性區(qū)的過渡 ，它產生側向彎曲和橫向鐓粗的復合變形。 該區(qū)域中間位置的彎曲程度最大，內表面和外表面分別受壓應力和拉應力作用 ；兩側受臨近材質的擠壓 ，此應變量最大：金屬流動較劇烈的區(qū)域集中在內表面彎曲部位 ，以及外表面發(fā)生拉伸的部位 。曲臂外側貼模部位溫度下降較大 ，造成材質塑性下降 ，產生應力集中。

“細腰形 ”缺陷的產生給曲軸外表而沿曲臂方向的應力分情況 、由此可見，彎曲過程中，由于曲臂與下模之間存在較大的摩擦力，使得外表面沿曲臂方向伸長 ，其形過程類似單向拉伸試驗． 塑性變形較大時 ，在中間部位發(fā)生頸縮 ，曲臂外表面受兩向或三向拉力作用，這佯就形成了“細腰形 ”缺陷，“細腰”部位是曲軸塑性變形最大的位置。這種缺陷存外表面表現最為嚴重 ，向內逐漸減輕 。

各工步變形及裂紋傾向分析是曲拐彎鍛第一工步變形過程應變的變化情況隨著下量的增大 ，變形增大且主要集中在根部

通過與高校合作 ，我們掌握了熱塑性加丁金屬變形特征，利用材料本構模型和微觀組織演化模型 ，掌握了大鍛件加工過程中的流變和晶粒尺寸的演變行為 ，為曲軸大鍛件鍛造熱力參數的合理制定與挎制提供了依據 。

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