曲轴TR法成形的三维有限变形弹塑性有限元模拟

 摘要：大型曲轴的全纤维成形工艺是保证曲轴能够在复杂的应力状态下正常工作的一种有效的工艺方案。由于其成形过程复杂，变形过程中的应力场和应变场很难用实验方法确定。本文基于ANSYS工作平台，利用开发的三维有限变形弹塑性有限元程序，并利用开发的三维网格重划功能模块，模拟了曲轴的TR法成形过程，得到了曲轴在成形全过程中的应力场、应变场以及载荷位移曲线，为制定合理的成形工艺方案，优化模具设计，提高成形质量，以及提高模具寿命提供了可靠的依据。

关键词：TR法曲轴弯曲镦锻；3-D有限变形弹塑性有限元；3-D网格重划

一、前言

     目前对于大型曲轴成形过程的研究，主要包括试验研究和数值模拟研究。国内外在这方面做的工作很多，但从仅有的一些文章来看，这些工作仅仅局限在对根据生产过程中产生的缺陷的陈述，同时提出一些关于改进这些问题的工艺方案的建议。这对于系统地优化工艺方案，提高产品质量，节约原材料等生产的实际需要有很大的差距。产生这一现象的主要原因是不能够准确确定曲轴在成形过程中应力和应变的场分布，因此不能够从曲轴变形的力学机理上找到解决问题的办法。

1.大型曲轴试验研究的主要问题

     (1)对于大型曲轴的直接实验模拟是不现实的，因此只能根据生产的实际情况，设计出相应的实验模拟模型，通过对该模型的研究，反推出适用于实际生产需要的结论，然后再根据生产的实际情况修正实验模型。这种方法对于确定具体准确的成形工艺方案以及合理的模具设计是有一定的误差的。

     (2)目前对于象曲轴这些需要经历复杂的成形过程的变形，即使对于实验模型，还不具备较好的实验方法测定其变形过程中复杂的应力和应变状态分布，只能是近似地测定某些特殊区域的部分场变量值，因此很多方案的改进是根据实际生产的经验确定的，但是，这些经验数据对于系统的工艺优化是比较困难的，同时，也很难确定原有工艺方案的优缺点。

     (3)对于大型锻件的实验模拟需要耗费较多的科研经费。

2.曲轴有限元模拟的主要问题

     (1)在成形过程中，边界条件比较复杂：坯料的预锻温度约为1200℃，在成形时，温度在1100℃左右，终锻温度约为1000℃以上，模具的预热温度约为200℃。因此，确定坯料在此温度下采用何种物理模型非常关键。另外，在成形过程中，坯料的自由边界和与模具接触的接触边界的范围都非常大，使得由于接触而产生的非线性变化比较复杂。

     (2)大型曲轴镦锻时，坯料承受水平载荷和垂直弯曲载荷的同时作用，从原始的台阶形简单形状转变成具有复杂形状的终锻曲轴，其间经历复杂的变形过程，使得原始的有限元网格在成形过程中变化量较大，极易发生畸变。另外，在整个成形过程中，其应变的计算应该采用有限变形理论，传统的小变形应变计算理论是不合适的，因此需要考虑几何非线性的影响，这样使得应变的计算复杂。

     (3)在曲轴的成形过程中，应力场和应变场的分布复杂，很难用平面应力、平面应变或轴对称的二维模型进行简化，因此，三维的有限元模拟是合适的。目前，对于金属成形的大变形有限元模拟，特别是关于网格重划的处理，是许多学者正在从事研究的工作，因此，这方面的工作还很不完善。

     (4)关于开发的有限元数值模拟软件的实用性准确性可靠性，需要试验研究做进一步的验证和改善。

3.曲轴成形有限元数值模拟研究过程

     (1)开发具有通用性的适合于金属成形要求的三维有限变形弹塑性有限元软件及网格重划系统，同时对实验模型进行数值模拟。 #p#分页标题#e#

     (2)对实验模型进行实验模拟，将实验模拟和数值模拟的结果进行比较验证，修正并改善数值模拟的能力和算法。

     (3)将此有限元软件用于实际生产的模拟，并根据实际生产产生的具体现象验证模拟产生的结果，同时进一步完善和优化数值模拟模型。

     根据以上关于目前曲轴等大型锻件试验研究和数值模拟研究的难点的分析，可以看出有限元数值模拟的发展，作为数值模拟的一个重要方法，必将在不远的将来在这方面发挥重要的作用。但是对于有限元软件的实用性、可靠性以及计算精度和通用性，需要通过一定的实验加以验证和修正。

二、TR法弯曲镦锻技术

     曲轴的TR法弯曲镦锻技术是一种全纤维的曲轴成形工艺，是1963年在波兰波兹南金属压力加工研究所，由T.Rut博士发明的，并按照发明人的姓名的第一个字母命名［4］。

1.TR法弯曲镦锻技术的原理

     首先将圆棒料车削加工成多个凸台状的坯料，或将坯料分段锻出不同直径的中间坯，然后在专用的镦弯模内将两侧拐颈部分镦出，并将拐颈错移，弯曲成拐柄。其工作过程是：通过肘杆机构，把压力机的压力分解为垂直弯曲力和水平镦粗力。在TR法镦锻过程中，随着肘杆倾角的逐渐减小，水平镦粗力逐渐加大。到达镦锻终点时，水平分力达到最大值，其值可达到压力机公称压力的2～3倍。力的这种分配比较合理，因为水平分力的这种变化趋势和曲臂成形阻力的变化规律相吻合。在水平力施加的同时，在中间还施加垂直弯曲力。水平镦粗力使棒料镦粗成曲臂，中间垂直力弯曲错下形成曲柄销。一拐完成后，坯料转动一个曲柄夹角，再镦锻相邻的曲拐。

2.TR法全纤维弯曲镦锻曲轴的优点

     (1)TR法利用肘杆机构将垂直力分解为水平力，在加压过程中，肘杆的倾角不断减小，使得水平力不断增加，而水平力的增加与变形抗力的增加相适应。

     (2)TR法的模具水平移动距离长，在液压机横梁提升时，使模具具有较大的开档。在开始时夹紧毛坯，上肘杆处于垂直位置，保证了最大夹紧力，因此有可能直接使用圆棒料做毛坯，而不一定先将毛坯预制成“糖葫芦”状。

     (3)TR法不仅可以在锻造液压机，也可用于机械压力机。在锻造曲轴时，可以按曲拐扭角设计定位模膛。一次加热出几个曲拐，可以一火锻出。一拐完成后，更换适当的定位模块，继续镦锻另一拐。

三、TR法曲轴成形的有限元模拟分析

     根据曲轴TR法成形过程中，工件在水平挤压和垂直弯曲载荷的同时作用下，产生了复杂的变形过程。根据其变形特点，开发了适用于有限变形的弹塑性有限元软件，并建立了相应的网格重划模块。关于这两部分的理论以及软件的实用性和可靠性，在文献［1，2］中有详细的论述。

图1有限元分析网格模型

     由于曲轴TR法在实际生产中的成形是单拐依次成形，因此在建立有限元几何模型时，考虑到单拐成形的对称性，以单拐的四分之一加以研究。模具及坯料的有限元网格划分方式如图1所示，模具所用材料为5CrMnMo,曲轴所用材料为35CrMoA，其应力应变关系如图2所示。摩擦系数为0.2，模拟过程的载荷位移曲线如图3所示。从载荷位移曲线上可以看到，在到达镦锻终点时，水平分力最大，其值约为垂直载荷的3倍以上，这是与实际生产的结论相一致的。同时，水平载荷在加载过程始终增加，垂直弯曲载荷在坯料与下斜块接触后，产生了向下的减小，而水平载荷在此刻有了明显的增加，这说明了下斜块对于水平载荷力和垂直载荷力的影响。#p#分页标题#e#

图2材料应力应变关系

图3载荷位移曲线

     图4和图5是网格经过一次重划后，网格形状的比较，以及传递前后场量分布的比较，比较的结果说明了网格重划保证了新旧网格间的场量分布精度，证明了开发的三维网格重划的系统的功能，能够满足计算要求。

(a)重划前            (b)重划后

图4网格重划前后单元形状的比较

 

(a)重划前   (b)重划后

图5网格重划前后等效塑性应变场量分布的比较

     图6和图7是终锻时曲轴的等效塑性应变分布和等效应力的分布。从等效塑性应变的分布上，可以看到TR法曲轴成形保证了曲轴径变形后产生较大的强度和刚度，这样保证了在应用时承受复杂的应力载荷的要求。同时应力区和应变区的分布是相对应的，符合理论预测的要求。

图6终锻时的等效塑性应变分布

图7终锻时的等效应力分布

四、结论

     通过对大型曲轴TR法成形过程的模拟，证明了开发的三维有限变形弹塑性有限元及三维网格重划系统能满足象曲轴等大型锻件复杂成形的数值模拟的要求，同时提供这些锻件的成形过程应力场和应变场等信息，为工艺优化和合理的模具设计提供理论依据。从模拟结果来看，TR法全纤维镦锻成形工艺能够保证锻件在复杂工作环境下所需要的强度和刚度。