摘要：利用UG 软件建立了轿车发动机曲轴的实体模型，并进行了相应的模具设计。利用DEFORM 3D 软件进行曲轴成形过程的数值模拟。通过改变上模的下压量，得到了不同的飞边厚度。在比较分析了不同飞边厚度的折叠后，发现飞边厚度6 mm 比较合适，这能为曲轴的设计以及实际生产提供参考。

     关键词：曲轴；DEFORM 3D； 数值模拟； 飞边厚度； 折叠角

     曲轴是汽车发动机的重要零件之一， 在工作时受力复杂多变，始终承受交变应力，除此之外还要承受自身旋转所引起的惯性力和离心力。为了保证发动机的正常工作， 曲轴应当具有非常好的强度、硬度、抗冲击韧性、耐磨性、抗腐蚀性等。而曲轴作为大型复杂难变形锻件，在成形过程中会出现折叠、充不满、裂纹、变形、凹坑等问题[1-2]。

    本文利用UG 软件建立轿车发动机曲轴的实体模型，并利用DEFORM-3D 软件进行轿车发动机曲轴成形数值模拟。通过改变压下量来改变锻造后的飞边厚度， 得到不同的模拟结果。通过比较分析不同飞边厚度下的折叠情况，确定合适的飞边厚度[3]。

    1 、曲轴的选材及实际生产工艺流程

    本文研究的06d02 曲轴(如图1 所示)源于上海爱知锻造有限公司，采用非调质钢38MnVS6(表1)。通过在碳钢中加入一些合金或非合金元素，未经过调质处理(淬火+ 高温回火)而能达到调质处理后钢性能的钢种称为非调质钢。该钢种是在碳锰钢的基础上加入了钒、硫等元素，使其在加热过程中溶于奥氏体后而以细小的碳化物、氮化物形式在先析出的铁素体和珠光体中析出，析出相与母相保持共格，使钢强化。

    
  
     图1 曲轴的实物图

                               表1 38MnVS6 的材料特性

     曲轴的工艺流程一般包括以下步骤：下料，中频感应加热，预锻、终锻，热切边、热校正，可控冷却，检测(包括了探伤和硬度的检测)，机加工[4]。本文所研究的就是曲轴的热锻(预锻与终锻)过程。

     2 、曲轴建模和成形过程的模拟

     首先，采用UG 软件建立曲轴几何模型，并设计相应的模具， 然后利用DEFORM3D 对曲轴热锻成形过程进行模拟。
 
 
     2.1 几何模型的建立

     通过UG 的建模功能完成的曲轴几何模型如图2 所示。该曲轴是一个直列四缸曲轴，5 个主轴颈直径64mm，4 个连杆颈直径53.5mm， 曲柄臂厚度约在34mm 左右，中心距为47mm[5-6]。

     图2 曲轴的几何模型

     2.2 曲轴成形过程的数值模拟

     试件尺寸为准100mm×410mm，利用DEFORM3D 软件对曲轴的散热、预锻、终锻过程进行数值模拟。在散热过程中仅发生了热交换， 这一过程虽然形状没有发生变化， 但是对后续晶粒度的演变有一定的影响，影响后续的动态再结晶、亚动态再结晶、静态再结晶、晶粒长大等。散热过程约2s 左右，取步长0.1s，共20 步，将圆棒坯料料所有表面设置为热交换面，其散热结果如图3 所示。

     图3 曲轴散热过程的模拟结果(℃)

    在预锻和终锻的过程中将模具当做刚体处理，试件与模具接触面摩擦系数取0.3，模拟初始温度为1220℃，热传导系数为11W/(m2·K)。先将圆坯棒料导入，设置其相应参数(包括温度、材料等)，划分网格，显示最小网格为1.74142mm，则步长取最小网格的1/3 约为0.6mm，设置预锻步数为145 步，终锻步数为10 步。

     图4 为模拟曲轴的热锻变形过程。由图可以看出，曲轴成形过程中形状变化的过程，图4(a)是坯料导入后划分了120000 网格之后的状态，此时网格单元比较细小、均匀。图4(b)～(d)是曲轴形状变换的过程，与实际生产中的情况较为相符[7]。可以明显看出部分网格正慢慢变大，且网格大小不均匀。

     图4 曲轴变形过程的模拟结果

     3、 曲轴成形的模拟结果分析

     3.1 曲轴的充填情况及行程载荷分析

     如图5 所示，在成形结束时，显示坯料与模具的接触情况，点状区域表示坯料与模具接触区域。由图可知，在预锻终了时坯料并没有完全充满模膛，终锻结束时坯料完全填满，充填效果较好。

     图5 锻造后的锻件填充情况

     图6 为曲轴预锻成形载荷—时间曲线。由图可知， 最大载荷为22.6MN， 未超过压力机许用的63MN。在前2s 载荷保持不变，这是因为在前2s 模拟的是散热过程， 无载荷的变化， 只发生简单的热交换；在2 s 之后，载荷随时间的增加而不断呈指数上升趋势， 这是因为在2s 之后上模开始向下运动，与坯料接触开始锻造过程。图6 中曲线较为光滑，说明加载过程较为平稳。随着时间的增减，上模与坯料的接触面积增大，上模下压时所受的阻力也随之增大，接近行程终了时，面积达到最大值，相应的阻力也达到峰值，成形就越困难。

     图6 预锻成形载荷—时间曲线

     终锻载荷与预锻相仿，最大载荷有所增加，达到46.8MN。这是因为预锻时坯料未充满模膛，终锻需要更大的力来充满。

     3.2 不同飞边厚度模拟结果的分析

     图7为终锻飞边厚度为10mm 时的折叠。如图所示，在连杆轴颈圆角P1 处，飞边P2、P3，主轴颈圆角P4 处产生折叠。P1 处的折叠角度为358°，P2 处的折叠角度为289°，P3 处的折叠角度为274°，P4 处的折叠角度为309°。当折叠角度超过270°时，金属流线可能出现汇流，即出现折叠。在飞边P2、P3 处的折叠对曲轴的质量无影响，因为在后序加工中飞边将予以切除，但是在P1、P4 处的折叠在曲轴的后序加工和使用中可能会形成裂纹源，导致裂纹的扩展以致曲轴断裂。

     图7 终锻飞边厚度10 mm 时的折叠(°)

     图8 为终锻飞边厚度8mm 时的折叠。由图可知，在平衡块圆角P1 处和连杆轴颈圆角P2 处出现了折叠，P1 处的折叠角度为336°，P2 处的折叠角度为279°，同样也可能会对后续加工和使用带来恶劣的影响。

     图8 终锻飞边厚度8 mm 时的折叠(°)

     图9 终锻飞边厚度6 mm 时的折叠(°)

     图9 为终锻飞边厚度6mm 时的折叠。由图可知，在飞边处出现了折叠，在后序加工中飞边将予以切除，故对曲轴的质量无太大影响。

     图10 为终锻飞边厚度4mm 时的折叠。由图可知，在主轴圆角P1 处和连杆轴颈圆角P2 处出现了折叠，P1 处的折叠角为293° ，P2 处的折叠角为307°。这可能在后序加工和使用中产生裂纹并扩展。

     图10 终锻飞边厚度4 mm 时的折叠

     综上所述，当飞边厚度为6mm 时，折叠出现在飞边处，而飞边在后序加工中将进行切除，不会影响后序质量，而在飞边厚度为10、8、4mm 时在连杆轴颈圆角处等关键部位都出现了折叠， 在后序加工和使用中可能产生裂纹源， 随时间的推移裂纹源会扩展导致曲轴的断裂。因此在实际生产中可以将飞边厚度选为6mm。

   
      4 、结论

     (1) 利用UG 软件建立了轿车06d02 曲轴的实体模型， 并利用DEFORM3D 对该非调质钢曲轴进行了成形模拟。
 
     (2) 观察模拟结果，发现模拟的成形过程与实际基本相符。观察载荷曲线发现行程载荷曲线随时间的增加而呈指数上升趋势， 这是由于随着时间的增加，坯料与模具的接触面积增大，阻力增大的缘故。
 
     (3) 分析折叠情况， 发现当飞边厚度取6mm 时仅在飞边区域出现折叠，而在飞边取10、8、4mm 时在连杆轴颈圆角处等关键部位都出现了折叠， 因此选取飞边厚度6mm 是比较合适的。