摘要：大型曲軸的全纖維成形工藝是保證曲軸能夠在復雜的應力狀態下正常工作的一種有效的工藝方案。由于其成形過程復雜，變形過程中的應力場和應變場很難用實驗方法確定。本文基于ANSYS工作平臺，利用開發的三維有限變形彈塑性有限元程序，并利用開發的三維網格重劃功能模塊，模擬了曲軸的TR法成形過程，得到了曲軸在成形全過程中的應力場、應變場以及載荷位移曲線，為制定合理的成形工藝方案，優化模具設計，提高成形質量，以及提高模具壽命提供了可靠的依據。

關鍵詞：TR法曲軸彎曲鐓鍛；3-D有限變形彈塑性有限元；3-D網格重劃

一、前言

     目前對于大型曲軸成形過程的研究，主要包括試驗研究和數值模擬研究。國內外在這方面做的工作很多，但從僅有的一些文章來看，這些工作僅僅局限在對根據生產過程中產生的缺陷的陳述，同時提出一些關于改進這些問題的工藝方案的建議。這對于系統地優化工藝方案，提高產品質量，節約原材料等生產的實際需要有很大的差距。產生這一現象的主要原因是不能夠準確確定曲軸在成形過程中應力和應變的場分布，因此不能夠從曲軸變形的力學機理上找到解決問題的辦法。

1.大型曲軸試驗研究的主要問題

     (1)對于大型曲軸的直接實驗模擬是不現實的，因此只能根據生產的實際情況，設計出相應的實驗模擬模型，通過對該模型的研究，反推出適用于實際生產需要的結論，然后再根據生產的實際情況修正實驗模型。這種方法對于確定具體準確的成形工藝方案以及合理的模具設計是有一定的誤差的。

     (2)目前對于象曲軸這些需要經歷復雜的成形過程的變形，即使對于實驗模型，還不具備較好的實驗方法測定其變形過程中復雜的應力和應變狀態分布，只能是近似地測定某些特殊區域的部分場變量值，因此很多方案的改進是根據實際生產的經驗確定的，但是，這些經驗數據對于系統的工藝優化是比較困難的，同時，也很難確定原有工藝方案的優缺點。

     (3)對于大型鍛件的實驗模擬需要耗費較多的科研經費。

2.曲軸有限元模擬的主要問題

     (1)在成形過程中，邊界條件比較復雜：坯料的預鍛溫度約為1200℃，在成形時，溫度在1100℃左右，終鍛溫度約為1000℃以上，模具的預熱溫度約為200℃。因此，確定坯料在此溫度下采用何種物理模型非常關鍵。另外，在成形過程中，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，使得由于接觸而產生的非線性變化比較復雜。

     (2)大型曲軸鐓鍛時，坯料承受水平載荷和垂直彎曲載荷的同時作用，從原始的臺階形簡單形狀轉變成具有復雜形狀的終鍛曲軸，其間經歷復雜的變形過程，使得原始的有限元網格在成形過程中變化量較大，極易發生畸變。另外，在整個成形過程中，其應變的計算應該采用有限變形理論，傳統的小變形應變計算理論是不合適的，因此需要考慮幾何非線性的影響，這樣使得應變的計算復雜。

     (3)在曲軸的成形過程中，應力場和應變場的分布復雜，很難用平面應力、平面應變或軸對稱的二維模型進行簡化，因此，三維的有限元模擬是合適的。目前，對于金屬成形的大變形有限元模擬，特別是關于網格重劃的處理，是許多學者正在從事研究的工作，因此，這方面的工作還很不完善。

     (4)關于開發的有限元數值模擬軟件的實用性準確性可靠性，需要試驗研究做進一步的驗證和改善。

3.曲軸成形有限元數值模擬研究過程

     (1)開發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格重劃系統，同時對實驗模型進行數值模擬。 #p#分頁標題#e#

     (2)對實驗模型進行實驗模擬，將實驗模擬和數值模擬的結果進行比較驗證，修正并改善數值模擬的能力和算法。

     (3)將此有限元軟件用于實際生產的模擬，并根據實際生產產生的具體現象驗證模擬產生的結果，同時進一步完善和優化數值模擬模型。

     根據以上關于目前曲軸等大型鍛件試驗研究和數值模擬研究的難點的分析，可以看出有限元數值模擬的發展，作為數值模擬的一個重要方法，必將在不遠的將來在這方面發揮重要的作用。但是對于有限元軟件的實用性、可靠性以及計算精度和通用性，需要通過一定的實驗加以驗證和修正。

二、TR法彎曲鐓鍛技術

     曲軸的TR法彎曲鐓鍛技術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博士發明的，并按照發明人的姓名的第一個字母命名［4］。

1.TR法彎曲鐓鍛技術的原理

     首先將圓棒料車削加工成多個凸臺狀的坯料，或將坯料分段鍛出不同直徑的中間坯，然后在專用的鐓彎模內將兩側拐頸部分鐓出，并將拐頸錯移，彎曲成拐柄。其工作過程是：通過肘桿機構，把壓力機的壓力分解為垂直彎曲力和水平鐓粗力。在TR法鐓鍛過程中，隨著肘桿傾角的逐漸減小，水平鐓粗力逐漸加大。到達鐓鍛終點時，水平分力達到最大值，其值可達到壓力機公稱壓力的2～3倍。力的這種分配比較合理，因為水平分力的這種變化趨勢和曲臂成形阻力的變化規律相吻合。在水平力施加的同時，在中間還施加垂直彎曲力。水平鐓粗力使棒料鐓粗成曲臂，中間垂直力彎曲錯下形成曲柄銷。一拐完成后，坯料轉動一個曲柄夾角，再鐓鍛相鄰的曲拐。

2.TR法全纖維彎曲鐓鍛曲軸的優點

     (1)TR法利用肘桿機構將垂直力分解為水平力，在加壓過程中，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。

     (2)TR法的模具水平移動距離長，在液壓機橫梁提升時，使模具具有較大的開檔。在開始時夾緊毛坯，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制成“糖葫蘆”狀。

     (3)TR法不僅可以在鍛造液壓機，也可用于機械壓力機。在鍛造曲軸時，可以按曲拐扭角設計定位模膛。一次加熱出幾個曲拐，可以一火鍛出。一拐完成后，更換適當的定位模塊，繼續鐓鍛另一拐。

三、TR法曲軸成形的有限元模擬分析

     根據曲軸TR法成形過程中，工件在水平擠壓和垂直彎曲載荷的同時作用下，產生了復雜的變形過程。根據其變形特點，開發了適用于有限變形的彈塑性有限元軟件，并建立了相應的網格重劃模塊。關于這兩部分的理論以及軟件的實用性和可靠性，在文獻［1，2］中有詳細的論述。

圖1有限元分析網格模型

     由于曲軸TR法在實際生產中的成形是單拐依次成形，因此在建立有限元幾何模型時，考慮到單拐成形的對稱性，以單拐的四分之一加以研究。模具及坯料的有限元網格劃分方式如圖1所示，模具所用材料為5CrMnMo,曲軸所用材料為35CrMoA，其應力應變關系如圖2所示。摩擦系數為0.2，模擬過程的載荷位移曲線如圖3所示。從載荷位移曲線上可以看到，在到達鐓鍛終點時，水平分力最大，其值約為垂直載荷的3倍以上，這是與實際生產的結論相一致的。同時，水平載荷在加載過程始終增加，垂直彎曲載荷在坯料與下斜塊接觸后，產生了向下的減小，而水平載荷在此刻有了明顯的增加，這說明了下斜塊對于水平載荷力和垂直載荷力的影響。#p#分頁標題#e#

圖2材料應力應變關系

圖3載荷位移曲線

     圖4和圖5是網格經過一次重劃后，網格形狀的比較，以及傳遞前后場量分布的比較，比較的結果說明了網格重劃保證了新舊網格間的場量分布精度，證明了開發的三維網格重劃的系統的功能，能夠滿足計算要求。

(a)重劃前            (b)重劃后

圖4網格重劃前后單元形狀的比較

 

(a)重劃前   (b)重劃后

圖5網格重劃前后等效塑性應變場量分布的比較

     圖6和圖7是終鍛時曲軸的等效塑性應變分布和等效應力的分布。從等效塑性應變的分布上，可以看到TR法曲軸成形保證了曲軸徑變形后產生較大的強度和剛度，這樣保證了在應用時承受復雜的應力載荷的要求。同時應力區和應變區的分布是相對應的，符合理論預測的要求。

圖6終鍛時的等效塑性應變分布

圖7終鍛時的等效應力分布

四、結論

     通過對大型曲軸TR法成形過程的模擬，證明了開發的三維有限變形彈塑性有限元及三維網格重劃系統能滿足象曲軸等大型鍛件復雜成形的數值模擬的要求，同時提供這些鍛件的成形過程應力場和應變場等信息，為工藝優化和合理的模具設計提供理論依據。從模擬結果來看，TR法全纖維鐓鍛成形工藝能夠保證鍛件在復雜工作環境下所需要的強度和剛度。