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曲轴TR法成形三维有限变形弹塑性有限元模拟

曲轴TR法成形三维有限变形弹塑性有限元模拟 2011： 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。 (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

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