探析大曲轴用模具模架如何在大功率热模锻压力

第一章 绪论

1.1 课题的研究意义
曲轴是发动机的主要旋转机件，装上连杆后，可承接连杆的上下(往复)运动变成循环(旋转)运动。曲轴有两个重要部位：主轴颈，连杆颈。主轴颈被安装在缸体上，连杆颈与连杆大头孔连接，连杆小头孔与汽缸活塞连接，是一个典型的曲柄滑块机构。曲轴的旋转是发动机的模具毕业论文动力源，也是整个机械系统的源动力。随着发动机结构的复杂化和强化指标的不断提高，曲轴在工作过程中，由于受到周期性变化的气压力、往复和旋转运动引起的惯性力以及弯矩、扭矩的共同作用，既产生弯曲又出现扭转，这就要求发动机曲轴具有较高的疲劳强度和结构刚度。要达到这些条件，必须从选用高强度的材料和采取提高强度的工艺措施等方面来实现[1]。随着汽车产量每年不断增长，2010 年中国汽车产量达到 1826.47 万辆，曲轴的需求量也不断增长。 曲轴铸改锻的趋势日趋明显。随着载货车向大功率重型载重车发展，轿车向高速、轻量化发展，铸造曲轴不得不面临严峻考验。因为曲轴大部分是由于弯曲疲劳而破坏，锻钢曲轴的最大优点是钢材具有较高的弯曲疲劳强度，而且基本上与抗拉强度成正比。而球墨铸铁曲轴由于存在石墨孔穴、磷化物与合金元素的晶界偏析，因此其疲劳数控毕业论文强度较低，不与抗拉强度成正比。据美国福特汽车公司试验证明，对于同样的曲轴和连杆颈支撑面宽度，铸造曲轴的寿命只有锻造曲轴的一半。

第二章 模架结构分析

2.1 引言
模架是用于紧固模块并传递顶料动作的主要部件，它承受锻造过程中的全部负荷。由于其质量大，一般一副模架重达 1-12t，120MN 热模锻压力机模架重达50t。模架的制造难度大，必须予以充分地重视[37]。模架的结构设计必须考虑锻压机的装模空间、闭合高度、顶杆位置和数量以及锻件类型及工艺要求。热模锻压力机采用整体床身机电毕业论文或有预应力框架式机身，宽偏心轴曲柄或斜楔机构传动导向良好的滑块。行程速度较低（一般在 0.3 到1.5m/s），近似静压成形[38]。本文运用数值模拟技术，以140MN热模锻压力机模架为例，应用ANSYSWorkbench软件针对采用不同导向形式、顶杆形式的模架进行有限元分析，从而为选择合适的模架结构形式提供参考。ANSYS Workbench协同仿真环境作为做为美国ANSYS公司开发的一个新的工程分析平台，集成了ANSYS的多个求解器，继承了ANSYS软件强大的模拟分析功能，除此之外，ANSYS Workbench还有以下特点[39-40]：
1）界面友好，操作方便。所有设置和计算过程都在统一的界面下进行管理和操作。数据交换和处理的过程则封装在后台进行；
2）与CAD软件有很好的双向相关性，与现在主流的CAD软件都有接口，能够与CAD软件实现无缝连接；
3）接触对的自动探测功能，ANSYS Workbench能够自动探测复杂装配体之间的接触，并能够根据经验数据修改探测接触的初始公差值，然后针对实际情况对默认的接触行为参数进行改动。

第二章 模架结构分析.........................................................10
2.1 引言...............................................10
2.2 两种顶杆形式的模架的...........................................11
2.2.1 模架模型的建立................................................................... 11
2.2.2 有限元模型的..............................................13
2.2.3 有限元分析..............................................14
2.2.4 改变具体参数所得..............................................15
2.3 三种模架导向形式的......................................................15
2.3.1 模架模型的建立..............................................15
2.3.2 模架受热载荷...................................................16
2.3.3 模架热-力有限元分析....................................17
第三章 800-06-001 曲轴成形工艺..........................................36
3.1 引言...................................................................................36
3.2 800-060-001 曲轴工艺........................................36
3.3 模具设计研究.........................................................43
第四章 成形过程的数值模拟........................................46
4.1 引言...........................................................................................46
4.2 800-06-001 曲轴成形.................................47
4.3 辊锻过程数值模拟............................................................48

第六章 结论与展望

6.1 总结
本文以 800-06-001 曲轴为研究对象，基于有限元模拟，分别使用ANSYSWorkbench 软件对 140MN 热模锻压力机上曲轴模架进行热-力分析，使用QForm 软件对曲轴的锻造工艺进行模拟，并进行了 800-06-001 曲轴的工艺试验，得出以下结论：
（1）使用 ANSYSWorkbench 软件对大型热模锻压力机模架进行热-力分析，所得结果与现场实际相符，采用花瓣形顶杆有利于降低模架应力，适当增大顶杆孔圆角半径能降低模架应力。
（2）热应力对模架导向部位的应力及位移产生的影响要远远大于模锻压力的影响，采用 X 形导轨模架相对于传统导柱、导套导向结构有利于降低模架导向部位的应力。
（3）使用 QForm 软件对辊锻过程进行模拟，对第 2 道辊锻模进行修改，最终得到合适的辊锻模，并辊出合格的锻件。
（4）使用 QForm 软件对模锻过程进行模拟，得出模锻最大压力为 110MN 左右，选用 140MN 热模锻压力机完全可以满足需要。对曲轴模锻过程的速度场、温度场、应力分布进行分，找到金属流动规律，避免缺陷的发生。3 种规格的坯料中 165mm×950mm, 170mm×900mm 都可以生产出合格的锻件，但是  165mm×950mm材料利用率较高，达到 79.1%，所以生产试制应该选择  165mm×950mm。
（5）使用 QForm 软件对 800-06-001 曲轴锻模进行应力分析。找到曲轴锻模应力最大的部位，以指导锻造生产。
（6）生产试验结果验证了  165mm×950mm, 170mm×900mm 的坯料都可以生产出合格锻件。生产调试一次成功，为企业节省了大量人力、物力以及时间成本。