近年來，隨著世界造船業(yè)的快速發(fā)展，對大型柴油機曲軸的質量要求越來越高,而且需求量也越來越大。對于特大型船舶用柴油機，無法通過一次成形得到整根曲軸，其生產方法采用半組合法,即先成形出各個曲臂鍛件，經機加工后組合成整根曲軸，因此，本文采用 DEFORM-3D軟件,以某大型柴油機曲軸曲臂鍛件成形為例對此工藝方法成形過程進行模擬研究。

某大型柴油機曲軸尺寸屬于特大型曲軸，采用半組合式生產方法制造。本文采用全纖維鍛造 RR 法(大型曲軸彎曲鐓鍛法)對大型曲臂鍛件的鍛造過程進行模擬分析。RR 法應用一種特殊的曲軸鍛裝置，其工作原理為：沖頭垂直下壓,使坯料發(fā)生彎曲,左右模具相互靠近對坯料進行鐓粗,模鍛得到一個曲拐 。由于 RR 上鍛法所要求的水平鐓粗力太大，本模擬采用兩套模具，為預鍛和終鍛的兩步模鍛成形方法。預鍛成形鍛件主體尺寸，終鍛采用局部鐓粗成形。

 有限元模型的建立

各模具經 UG 軟件造型，導入到 DEFORM-3D 軟件中。在預鍛工序中，凹模內部的凹孔用于容納及定位坯料，凹模兩端均開設毛邊槽。終鍛時，坯料與模具平放，在凹模內插入墊板,將預鍛件凹槽填實,模具其余尺寸與預鍛凹模一致。

模擬工藝參數設定

預鍛階段，定義環(huán)境溫度為20℃，坯料溫度為1 150 ℃，模具溫度為300℃；左右模速度為10 mm/s，行程均為1250 mm，水平相向運動；上、下沖頭速度為9.6 mm/s，行程為1200 mm，垂直下壓；坯料材料為S34MnV，直徑為755 mm，長度為3500 mm；模具和坯料間的摩擦因數取0.7，傳熱系數為10J/(mm·s·℃)。坯料單元網格數為 80000。

終鍛階段，坯料溫度為1000 ℃，環(huán)境和模具溫度為300℃；上、下模速度為5mm/s，行程均為200 mm，垂直相向運動，墊板靜止不動；模具和坯料間的摩擦因數和傳熱系數都與預鍛相同。坯料單元網格數為80000。

對大型曲臂鍛件模型進行模擬計算后,對其成形效果圖、應力場、應變場材料流動趨勢及時間載荷曲線等數據進行了分析。大型曲臂鍛件的成形，模擬曲臂鍛件已飽滿成形，成形過程未出現折疊。

大型曲臂鍛件的成形過程

首先將加熱的坯料放入模具中，在沖頭和凹模共同作用下坯料中部因沖頭作用向下流動，兩端坯料在左、右模作用下向中間流動；隨著成形過程的進行,材料與模具接觸面積逐漸增大,中部的坯料繼續(xù)在沖頭的作用下向下運動，兩側的坯料在沖頭和凹模作用下產生鐓粗效果，逐步成形出曲臂；預鍛最后階段，曲臂預鍛件下部充滿模具型腔，達到預鍛尺寸要求，上部型腔未充滿，留待終鍛成形時由預鍛件凸臺部分的材料繼續(xù)填充。

終鍛局部鐓粗成形過程。成形開始階段模具僅與預鍛件凸臺部分接觸:隨著成形過程的進行，凸臺被逐漸壓縮，逐漸接近曲臂尺寸;模具與鍛件接觸面積逐漸增大,金屬材料向左流動,充填型腔并開始出現毛邊；終鍛末期，鍛件飽滿成形并擠出毛邊。

場量分析

由預鍛等效應力、等效應變和溫度可知，鍛件內部應力總體分布均勻，最大應力出現在凸臺與模具接觸部位及鍛件尖角處，其最大值為114 MPa,該值處在模具能承受的范圍內，不會損傷模具，鍛件需設計較大的圓角,使材料流動順暢，避免折疊缺陷。鍛件曲臂部位應變較大，為主要變形區(qū)，原因是此部位材料受到沖頭和左、右模雙重作用，材料大變形流動，則應變較大。鍛件內部高溫區(qū)約為1000 ℃℃，低溫區(qū)約為700 ℃，總體平均溫度約為850 ℃，此溫度在S34MnV的終鍛溫度以上，能保證大型曲臂鍛件獲得良好的內部組織和較小的變形抗力；鍛件外表面與模具接觸部位溫度較低，是因為這些接觸部位發(fā)生熱傳導，降溫幅度較大，但是這些低溫部分不會對鍛件成形造成影響。

終鍛鍛件內部應力場和溫度場由于終鍛為局部徽粗變形，形變較小，因此不分析應變場。鍛件內部應力分布較為均勻，最大應力出現在凸臺與模具接觸部位及鍛件尖角處，為92.6 MPa，該值在模具能承受的范圍內。

鍛件內部高溫區(qū)約為 980 ℃,低溫區(qū)約為760 ℃平均溫度約為870℃，此溫度在S34MnV的終鍛溫度以上，能保證大型曲臂鍛件獲得良好的內部組織和較小的變形抗力，終鍛件表面的低溫層不會對成形過程造成影響。

在鍛件成形過程中，成形載荷是選擇設備噸位的主要依據，也是確定模具結構、校核模具強度和剛度的重要參考依據。

鍛造的初始階段模具和沖頭載荷均呈

較緩慢的線性增長趨勢，原因是該階段坯料產生較小的變形，且與沖頭和模具接觸面積較小，正壓力與摩擦力均較小，坯料的溫度未出現明顯降低，變形抗力較小；隨著沖頭、模具與坯料之間的接觸面積逐漸增加。正壓力與摩擦力逐漸增大，變形抗力增大，沖頭和模具的載荷增大速度較快；最后階段,模具和沖頭載荷增大較為劇烈，此時模具下部已充滿型腔，只有模具上部曲臂處仍未充滿，由于模具接近閉合，接觸面積大，此時需要很大的載荷才能完成曲臂上部的充填，沖頭最大載荷為1.62×10N，模具載荷最大為5.33×10N.處于較合理的范圍。

通過對大型曲臂鍛件的預鍛一終鍛兩步成形方法進行有限元模擬，得到以下結論：①采用預鍛一終鍛兩步成形方法模鍛成形大型曲臂鍛件，模擬成形飽滿，金屬流動合理，鍛造流線完整，生成毛邊量較少；②采用該方法生產特大型曲軸，經模擬計算，其曲臂部分在預鍛過程中，沖頭垂直載荷為1.62萬噸，凹模水平合模力為5.33萬噸，終鍛最大合模力為6.86萬噸，因此，能夠在8萬噸水壓機上采用模鍛方法對單拐曲臂整體成形；③采用預鍛一終鍛的模鍛方法生產大型曲臂鍛件，屬全纖維鍛造，可大幅提高鍛件質量和精度，節(jié)約材料和機加工工時，縮短生產周期，降低生產成本。此研究為大型曲臂鍛件模鍛成形工藝的制定提供理論依據。

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