非调质钢曲轴毛坯铸锻复合成形工艺的数值模拟研究

发布时间：2020-06-17 05:42

【摘要】：曲轴是汽车发动机中的核心部件,目前常用的曲轴主要有锻钢曲轴和球墨铸铁曲轴。锻钢曲轴的金属纤维流线保存比较完整,所以锻钢曲轴具有较高的弯曲疲劳强度。球墨铸铁曲轴制造成本比锻钢曲轴低,但是球墨铸铁曲轴的性能一般,缩松、缩孔和晶粒粗大等缺陷使其抗疲劳性能降低。锻钢曲轴成本高的主要原因是模锻时材料利用率低,生产耗时长,并且模锻的模具成本较高,设备吨位较大。本文在借鉴曲轴目前先进生产工艺的同时,进行大胆创新,形成一种新的生产曲轴的工艺方法:非调质钢曲轴毛坯铸锻复合成形的工艺方法。铸锻复合成形工艺综合了铸造工艺和锻造工艺优点的同时使零件达到成形和改性的目的。通过锻造可以消除铸件内部的缩松和缩孔等铸造缺陷,使晶粒细化,金属组织致密,铸件内部的铸态组织转变为锻态组织,并保留完整的金属纤维流线。本文利用有限元数值模拟技术对曲轴的成形过程进行模拟分析,验证了铸锻复合成形工艺的优越性。本文所研究的非调质钢曲轴是近年来刚发展起来的新钢种曲轴。非调质钢是指在中碳锰钢中添加V、Nb、Ti等合金元素,提高钢的强度。非调质钢的优点是可省去后序的调质处理工艺,简化工艺的同时改善切削加工性能,同时减少环境污染,被称为“绿色钢材”。本文主要的研究内容如下:1.曲轴预锻毛坯铸件是终锻前的预制坯。曲轴预锻毛坯铸件结构形状是影响曲轴成形质量的关键因素。本文设计了三种曲轴预锻毛坯铸件结构形状方案,利用DEFORM-3D软件对三种方案的锻造成形工艺过程进行数值模拟分析,最终确定方案三为最佳方案。2.曲轴预锻毛坯铸件连杆轴颈和主轴颈内侧圆角大小是影响曲轴质量的关键因素。本文设计的圆角半径分别为5、7.5和10 cm,并利用DEFORM-3D软件对锻造成形工艺过程进行数值模拟分析,得到了不同圆角半径的载荷-行程曲线、应力应变分布图、温度场分布图、金属流动状况图、材料受损分布图以及折叠情况图等。综合分析得出当圆角半径为10 cm时成形效果最好。3.模锻温度对曲轴锻件的成形过程影响很大。本文利用DEFORM-3D软件分别对以1050、1080、1110、1130和1150℃为模锻温度的各方案的锻造成形工艺过程进行数值模拟分析,得到了不同模锻温度方案下的载荷-行程曲线、应力应变分布图、温度场分布图、金属流动状况图及材料受损分布图等。综合分析模拟结果,得出在1130℃的模锻温度下锻造成形效果最理想。4.对曲轴预锻毛坯铸件可能的铸造成型工艺进行分析比较,利用AnyCasting软件对铸造成型过程进行数值模拟优化,最终确定采用铁型覆砂铸造工艺。本文设计出中间注入式和阶梯注入式两种浇注方案,并计算出两种方案下的浇注系统尺寸、冒口尺寸和冷铁大小等。利用AnyCasting软件进行充型和凝固过程分析,确定中间注入式浇注系统方案更适合非调质钢曲轴预锻毛坯铸件的浇注方案。5.不仅铸造工艺对铸件质量有影响,浇注速度和浇注温度对其也有较大的影响。本文设计了1510、1520、1540、1560、1580、1600、1620、1640、1660和1680℃的10个不同浇注温度方案,并利用AnyCasting软件对上述浇注温度方案进行铸造成型过程数值模拟分析。设计了1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7和1.8 m/s的七个不同浇注速度方案,并利用AnyCasting软件对七个不同浇注速度方案进行铸造过程数值模拟分析。通过模拟不同浇注速度和不同浇注温度方案下的铸件成型过程,并对凝固后的缺陷分布分析,最后得出:金属液以1640℃的浇注温度进行浇注,铸造成型的曲轴预锻毛坯铸件的缩松缩孔等铸造缺陷最少,因此确定最佳浇注温度为1640℃;金属液以1.6 m/s的浇注速度进行浇注时,铸造成型的曲轴预锻毛坯铸件的缩松缩孔缺陷最少,由此确定最佳浇注速度为1.6 m/s,对应的浇注时间为4.20s。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U466
【图文】：

图 1.1 工艺流程图Fig. 1.1 Process flow chart不仅能够模拟各类实验过程，了解材料性能变化，并且模拟实验比实物实验更铸造和锻造过程中的各种缺陷，可以在应用于工程领域的一种数值计算方法，方法。因此本文也采用有限元数值模拟曲轴简介燃料的不同可分为汽油机、柴油机和以轴向外传出动力。因此，曲轴工作时要

图 1.2 某型汽车发动机示意图ig. 1.2 Schematic diagram of automobile eng境极其恶劣，工作时会受到弯曲、拉压、剪轴质量，是当前最重要的任务之一。究现状工艺研究现状前，铸铁曲轴与锻钢曲轴地位相当；2000-202 年铸铁曲轴成为新取向；2013 年-至今，铸的最先生产方法为粘土砂手工造型、气冲造

【参考文献】

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本文编号：2717158