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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(tài)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(fā)的三維有限變形彈塑性有限元程序，并利用開發(fā)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(yōu)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(jù)。
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(shù)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(jù)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(tǒng)地優(yōu)化工藝方案，提高產品質量，節(jié)約原材料等生產的實際需要有很大的差距。產生這一現(xiàn)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(xiàn)實的，因此只能根據(jù)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(jù)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(tài)分布，只能是近似地測定某些特殊區(qū)域的部分場變量值，因此很多方案的改進是根據(jù)實際生產的經驗確定的，但是，這些經驗數(shù)據(jù)對于系統(tǒng)的工藝優(yōu)化是比較困難的，同時，也很難確定原有工藝方案的優(yōu)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(fā)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(tǒng)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(fā)的有限元數(shù)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(shù)值模擬研究過程

(1)開發(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格重劃系統(tǒng)，同時對實驗模型進行數(shù)值模擬。

(2)對實驗模型進行實驗模擬，將實驗模擬和數(shù)值模擬的結果進行比較驗證，修正并改善數(shù)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(jù)實際生產產生的具體現(xiàn)象驗證模擬產生的結果，同時進一步完善和優(yōu)化數(shù)值模擬模型。

根據(jù)以上關于目前曲軸等大型鍛件試驗研究和數(shù)值模擬研究的難點的分析，可以看出有限元數(shù)值模擬的發(fā)展，作為數(shù)值模擬的一個重要方法，必將在不遠的將來在這方面發(fā)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(fā)明的，并按照發(fā)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(guī)律相吻合。