1、太原科技大学毕业设计（论文）太原科技大学毕 业 设 计（论 文）题目：基于光棒毛坯的曲轴成型研究姓名： 学院（系）：材料科学与工程学院专业：材料成型及控制工程（锻压）年级：2011 级指导教师： 2015 年 6 月 16 日太原科技大学毕业设计（论文）I目录目录 .II摘要 .VAbstract.VI第一章 绪论 .11.1 引言 .11.2 大型多拐曲轴锻件和锻造工艺介绍 .11.2.1 自由锻造法 .11.2.2 弯曲镦锻法 .21.3 研究的主要内容 .4第二章 成型工艺原理分析及有限元模拟依据和 Deform软件介绍 .52.1 工艺运动原理分析 .52.1.1 RR 法运动分析 .
2、52.1.2 NRR 法运动分析 .52.1.3 NTR 法运动分析 .52.2 有限元模拟理论依据 .62.2.1 塑性成型模拟分析方法分类 .62.2.2 刚塑性有限元法 .72.3 刚塑性有限元模拟软件 Deform .72.3.1 Deform 软件介绍 .72.3.2 Deform 软件的模块组成 .7第三章 曲轴弯曲镦锻成型工艺研究 .93.1 引言 .93.2 12v140 曲轴 RR 法工艺及模拟分析 .93.2.1 12v140 曲轴工艺分析 .93.2.2 12v140 成型模拟 .93.3 模拟结果分析 .11太原科技大学毕业设计（论文）II3.3.1 金属流动分析 .1
3、13.3.2 塑性变形区和等效应变分析 .133.3.3 温度场分布 .133.3.4 模腔填充分析 .14第四章 NRR 法的成型结论和曲轴成型工艺的新方法的引用 .164.1 基于光棒的 NRR 法成型 .164.1.1 NRR 法工艺分析 .164.1.2 光棒的采用.174.1.3 模具的选用 .174.1.4 运动关系 .174.1.5 模拟初始设定 .174.2 NRR 法成型过程 .184.2.1 金属流动分析 .184.2.2 等效应变分析 .214.2.3 模腔填充分析及原因分析 .234.3 NRR 法的工艺方案修改 .244.3.1 第一镦粗比和错锻角对成型的影响 .25
4、4.3.2 对金属流动的影响 .304.3.3 摩擦系数的影响 .314.4 12v240 曲轴 NRR 法模拟总结和模具改进方案 .334.4.1 模拟结论 .324.4.2 模具改进方案 .33第五章 新工艺条件下的模具改进及参数优化 .345.1 新的模具设计 .345.2 新模具条件下的数值模拟 .355.2.1 模拟初始条件设定 .355.2.2 工艺参数设定 .355.3 模拟结果分析 .355.3.1 模腔填充情况分析 .35太原科技大学毕业设计（论文）III5.3.2 金属流动分析 .385.3.3 成型结果的三位视图 .405.3.4 等效应力应变分析 .405.3.5 锻造
5、力的分析 .41第六章 结论 .44参考文献 .45致谢 .46附录：英文翻译 .47太原科技大学毕业设计（论文）IV基于光棒毛坯的曲轴镦锻研究摘要大型曲轴是大型内燃机的关键部件之一，目前，大型曲轴采用的锻造工艺主要为自由锻造法和全纤维弯曲镦锻法，由于全纤维镦锻工艺使曲轴的疲劳强度大大提高，并且有效的减小了加工余量，提高尺寸精度所以曲轴弯曲镦锻成型技术的 RR 法和 TR 法现已经被国内外广泛应用。然而无论是 RR 法还是 TR 法由于工艺本身结构的限制无法根据金属填充情况优化弯曲镦锻的速度参数。现有的国内的技术仍采用阶梯形毛坯，这造成了曲轴的纤维仍有部分被切断的，材料利用率低，不能很好的满足
6、国内对高品质曲轴的需求。因此，对曲轴全纤维镦锻技术进行研究分析具有重要意义。采用 deform 软件对国内某厂现在使用过的 RR 法锻造工艺的成型缺陷进行评价分析（1）将现有的 RR 结构改变成 NRR 结构使得水平速度和竖直速度相互独立，同时采用预镦粗错锻终锻三步成型工艺对光棒坯料进行模拟填充分析。在多次模拟后通过分析模拟结果发现第一镦粗比和错锻角以及摩擦系数是影响曲肩成型主要影响因素。（2）在 NRR 的研究基础上对模具和毛坯参数进行优化，再次经过改变错锻角和镦粗比得到基于光棒毛坯的曲轴成型方案。关键词：全纤维曲轴 光棒毛坯 NRR 三步法太原科技大学毕业设计（论文）VStudy on t
7、he upsetting theory and experiment of the full fabric crankshaft formed by bare rod blankAbstractHeavy crankshaft is one of the key parts of internal combustion engine, at present, the use of large crankshaft forging process is mainly for free forging method and the fiber bending upsetting method, d
8、ue to the fiber upsetting process has the crankshaft fatigue strength greatly improved, and effectively reduce the machining allowance, improve the dimensional precision so the crankshaft bending upsetting forming technology of the RR and TR method has been widely used at home and abroad now. Howeve
9、r, whether the RR and TR method as a result of the limitation of technology itself structure cant according to the metal filling speed of bending upsetting parameters optimized condition. Existing domestic technologies still adopts stepped blank, which caused the fiber is still part of the crankshaf
10、t is cut off, the material utilization rate is low, cannot be very good to meet domestic demand for high quality of the crankshaft. Therefore, study of all fiber upsetting crankshaft technology analysis is of great significance.Using deform software to a factory now used by the domestic RR method to
11、 evaluate the forming defects of forging process analysis(1) changing the existing RR structure into NRR structure makes the horizontal velocity and vertical velocity are independent of each other, At the same time we analyzed the simulated filling of light bar billet which adapted the three steps m
12、ethod of preupset-staggered forgingfmishforging forming process . After multiple simulations we find key by analysising the results of simulation , the first upsetting ratio and misforging angle and friction coefficient are main factors which affecting impact curve shoulder shape.(2) optimizing the
13、die and blank parameters on the basis of studying the NRR method, after changing misforging angle of forging again to get the crankshaft forming scheme which based on bare rod blank.Keywords: full fiber crankshaft ;bare rod blank; NRR; three-step method太原科技大学毕业设计（论文）0第一章 绪论1.1 引言大型多拐曲轴是大型内燃机的重要组成部分，
14、主要应用于船舶和机车等的发动机中。曲轴是发动机的主要传递扭矩的部件，同时也是工作环境较差的部件：它不仅要将连杆传递来的力转化为扭矩同时因为它的结构复杂所以在工作过程中它将承受周期性的弯曲应力，扭转应力，惯性力和震动产生的附加应力的作用 1 。因此合格的曲轴具备良好的强度，刚度，耐磨，耐疲劳，抗冲击等良好的综合机械性能，并且还要求有良好的内部组织，表面的内部的缺陷尽可能的少，组织纤维要尽可能的分布合理，而这些性能又与材料的本身特性和加工工艺有着密切的关系。大型曲轴的锻造方法主要分为自由锻造法和弯曲镦锻法，自由锻造法因为产品质量和生产经济性的原因已经逐渐被淘汰，而弯曲镦锻法已经在国内被广泛应用。目
15、前比较成熟的全纤维曲轴锻造 RR 法和 TR 法但是在工艺上还需要进一步的改进。RR 采用斜面传力，由于斜面倾角的限制致使在锻造前期要进行棒料的预预锻和少量的机加工使坯料成为阶梯轴，这种加工方式会切断金属纤维影响曲轴纤维的流畅性影响其性能。TR 法是采用肘杆传力虽然较 RR 法有力的分配上合理些，但是仍然是采用阶梯轴为配料在某些方面和 RR 法有同样的缺陷 2 。以光棒作为坯料较阶梯轴更有利于曲轴的最终的性能，同时减少工序节约成本。本文将以光棒为坯料对现有的的几种镦锻方法进行分析比较.着重分析以光棒为坯料的成型过程。1.2 大型多拐曲轴锻件和锻造工艺介绍 3-101.2.1 自由锻造法自由锻造
16、法只能锻造出单拐曲轴，然后在组装成多拐曲轴。单拐曲轴的自由锻工艺是：先将毛坯自由锻造成与曲轴相似的方块，然后在用机加工和起切等方法切除多余材料。图 1-1 是自由锻造曲轴的基本过程。从图上我们可以直观的看出自由锻造曲轴有以下几个缺陷：1.曲轴颈是切割或者机加工出来的，致使金属纤维被切断同时内部质量差的组织将暴露在曲轴表面，这将是曲轴的机械性能降低，寿命简短。2.材料利用率低，工序复杂，经济效益差。目前，由于该方法工艺落后已经逐步的淘汰故此在本文中将不在进行分析。太原科技大学毕业设计（论文）11.2.2 弯曲镦锻法弯曲镦锻法的主要原理是先将毛坯制成阶梯轴的形状，然后上压机进行压制。半径小的地方成
17、为主轴颈和曲拐颈，半径大的地方成为曲肩。多拐曲轴在锻造过程需要逐个的锻出单拐然后旋转规定的角度再锻下一个曲拐。相较于自由锻造法弯曲镦锻法有明显的优势：首先弯曲镦锻能够较好的保证金属纤维的连续完整性，并且纤维流向与曲轴的轮廓相符合；这个特性能够使得曲轴的综合性能得到提升安全性能也得到提高。其次弯曲镦锻法生产的曲轴尺寸精度高这将大幅减少机加工，节约材料节约成本。弯曲镦锻法根据装置原理的不同可以简单的分为 RR 法和 TR 法，在这两种方法的基础上又升级开发出了 NRR 法和 NTR 法。下面将对这几种方法进行简单介绍。（1）RR 法RR 法是法国工程师 R.Rorder 20 世纪三十年代提出的
18、“大型曲轴全纤维弯曲镦锻法”简称 RR 法。其工作原理是:水压机对上活动横梁施加力，上冲头安装在模架上随横梁运动；由于两侧滑块的作用水压机的竖直力将会分解成水平的镦粗力图 1.1 为 RR 法结构简图。图 1.1RR 法结构简图（2）NRR 法NRR 法是上世纪 80 年代日本制钢所根据 RR 改进而来的。其和 RR 法主要的不同点是冲头位置加装了单独设立的油缸可以独立的控制弯曲过程;从而实现了“预锻错锻终锻”三步锻造法。该方法解决了弯曲过程不可控制的问题，成型效果良好锻件质量高而且可以用光棒直接成型。太原科技大学毕业设计（论文）2图 1.2NRR 法结构简图(3)TR 法是波兰工程师 T.R
19、ut 上个世界 60 年代研制成功的装置，它也是一种在 RR 法装置改良而来的另一种弯曲镦锻装置，简称 TR。TR 法的工作原理是利用肘杆将水压机的竖直力分解为水平的镦粗力和竖直的弯曲力，肘杆的角度是随时间而变化的，这使得水平力由小到大而弯曲力和压紧力是不变的。图 1.3TR 结构简图（4）NTR 法NTR 法是根据 RR 法 TR 法的不足而提出来的一种全新的曲轴弯曲镦锻的方法，它是将 TR 法进行改进，改变以往的弯曲力和镦粗力都由水压机提供的的模式，而是和 NRR法一样将弯曲部分的运动进行分离，设立单独的弯曲缸；镦粗部分的运动仍然和 TR 法相太原科技大学毕业设计（论文）3似。图 1.3
20、为其机构简图从图上可以看出该装置大体上和 TR 法的装置一样，在工作的时候主油缸推动横梁向下运动，在肘杆的作用下这个运动将会分解为左右模块的向内侧的镦粗力和压紧坯料的力。弯曲缸的独立使得可以控制上冲头的运动，可以自由的调节弯曲工艺。1.3 研究的主要内容本文将以 12V240 曲轴为研究对象，对其进行模拟研究。根据现有的问题，以光棒为坯料进行全纤维的“三步法”弯曲镦锻模拟;对曲轴成型的几个关键技术，即锻造工艺分析，工艺方案优化，成型过程变形分析，各种参数对曲轴成型的影响等进行理论研究。本次研究是在给定零件几何形状和刘建生教授对 12V140 曲轴模具改进的基础上利用Pro E 完成模具造型，另
21、外采用 Deform 有限元分析软件，利用光棒为坯料，对曲轴进行全纤维的“三步法” 弯曲镦锻工艺进行模拟成型，通过数据的更改以的到最优的成型数据。主要的研究的内容包括以下几个方面：1.利用三维造型软件对曲轴的单拐的毛坯和模具进行设计构建数值模拟模型2.根据刚粘性有限元基本原理，利用数值模拟软件 Dfrom 对锻件的成型进行模拟仿真。3.研究曲轴成型过程中金属的流动规律，温度场分布，应力、应变分布规律，确定各锻造工步速度、变形量，复合成型工艺的成型过程中的镦粗比、错锻角等工艺参数。4.分析成形先后顺序、变形量等对模具充填情况影响，分析 NR-R 法和 NT-R 法的优缺点，改善模具结构。1.4 研究目的这次的课题研究对曲轴成型过程的仿真实验的目的如下：1.对已学的知识进行系统的运用，在模拟试验中提升分析实际问题的能力和利用用已学的知识解决问题的能力。2.研究曲轴在成形过程中的金属流动、应力应变和温度的分布规律，理解曲轴成型时变性规律，预测成形过程中可能出现的问题。3.基于 deform 平台对阶梯轴坯料和光棒为坯料进行成型对比确定最优成型方案。
