大型全纤维曲轴TR法成形工艺及动态再结晶模拟研究

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大型曲轴是大型内燃机的关键部件。由于内燃机在工作时,大型曲轴的工况极具恶劣,曲轴的制造质量对柴油机性能和可靠性影响很大。近年来,随着世界造船、石油、发电、内燃机车的快速发展,对大中型柴油机曲轴质量要求越来越高,国内外市场对大中型全纤维曲轴需求很大。曲轴在内燃机中主要是将连杆传来的气体压力转变为扭矩,作为动力而输出做功。目前由于大型内燃机曲轴尺寸大、吨位大、外形复杂、变形工序难,采用闭式模锻很难生产这种大型号的曲轴。自由锻造和弯曲镦锻法是目前大型全纤维曲轴的主要锻造工艺。全纤维弯曲镦锻工艺大大改善了曲轴疲劳强度,提高了金属材料的利用率,降低了生产成本,其成形工艺明显优于自由锻造法。按装置原理和结构的不同,有RR法、TR法以及后来在RR、TR法基础上改进的NRR、NTR法和卧式十字正交专机锻造法。目前国内外RR法、TR法曲轴锻造工艺运用较多,但在工艺上存在一些固有的问题待解决。本文以南车资阳机车有限公司的3600吨水压机配备的TR装置为例,用有限元数值模拟方法对TR法成形工艺进行了研究。针对该公司新开发的DN8330型号大型全纤维曲轴,利用DEFORM-3D软件对该曲轴的成形过程进行数值模拟仿真,分析了TR法弯曲镦锻过程中典型成形缺陷的成因,提出了一系列避免缺陷的有效措施,优化了关键工艺参数和模具结构;提出“约束翼”新型结构,对曲柄臂严重缺料的情况下,在不增加锻件的下料尺寸,成形质量良好的曲轴锻件;基于BP神经网络算法对成形力进行了优化研究,通过采用合理的工艺参数,降低了曲轴成形载荷;鉴于曲轴强度和刚度要求较高,对优化后的曲轴成形工艺进行动态再结晶组织演变模拟,探讨了曲轴锻造工艺对改善材料微观组织性能的影响。通过本课题的研究,把TR法曲轴成形过程、塑性有限元、数值模拟仿真技术、及模具CAD技术结合起来,缩短了产品的开发制造周期、降低了企业的生产成本,为企业带来了良好的经济效益。本课题的研究成果对同类曲轴的生产、新型号曲轴成形工艺的开发以及模具设计提供技术支持和设计依据,并可将研究成果直接用于企业生产。
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