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摘要： 以船用发动机曲轴单拐为研究对象，通过SolidWorks软件建立曲轴单拐锻造过程中毛坯、模具的三维模型，在金属塑性成形CAE软件DEFROM3D平台上进行模拟仿真，以探究不同应变速率、温度下金属塑性变形过程中的金属内部流变应力与外部变形条件之间的关系，并对所得的数据进行了科学分析.分析结果表明：当应变速率为定值时，预设温度越高，应力-应变曲线则相对降低；当毛坯温度一定时，应变速率越高则试样内部流变应力越大，抗疲劳强度越差.该结果也为下一步的优化设计提供理论依据.
关键词： 曲轴单拐； 塑性成形； 应力； 应变
中图分类号： TH 162文献标志码： A文章编号： 10005137（2016）04041705
0引言
大型曲轴是船用发动机的关键零部件，起着传递与输出动力的作用.图1所示为大型四拐船用曲轴，其结构复杂，重量较大，加工精度、韧度和强度要求较高，工作环境又比较恶劣，制造比较困难，加工工序又比较繁琐，长期制约着我国船舶工业的发展，长期依赖进口，由此船用曲轴的加工制造一直以来被作为我国重点研究、发展对象.
船舶寿命一般为15～30年，使用寿命期内又不能更换发动机曲轴.由于船用发动机曲轴在周期性变化的气体压力、往复和旋转运动引起的惯性力以及它们的弯矩和扭矩共同作用下工作，呈现出既弯曲又扭转的复合运动状态，故而曲轴由于抗疲劳强度引起的疲劳失效是其常见的破坏方式.曲轴加工过程中工件极易产生塑性变形，金属内部产生流变应力并随着预设温度、应变速率的不同而对工件疲劳强度产生不同的影响.故而曲轴加工过程中需对温度、应变速率进行分析研究，找出其中最优条件，对流变应力进行有效控制，从而达到提高疲劳强度的目的.传统的加工工序往往是在加工完成几个试验品后再进行各项综合性能的检验，在此基础上再进行工艺的修改和完善，这不仅效率低下，也造成了大量的浪费，早已被淘汰.而本文作者采用的金属塑性成形CAE应用软件DEFORM3D则在最大化还原金属塑性成形加工工艺各项环境的情况下，为设计者提供了很好的仿真平台，该平台以计算机技术为基础，生产的是虚拟产品，但可以实际生产提供有力依据.
1曲轴单拐的弯曲镦锻成形
大型船用发动机曲轴的加工多采用整体式全纤维锻造方法，即弯曲镦锻.曲轴弯曲镦锻工艺是一种弯曲变形与镦粗变形同时进行的复合成形工艺，其主要工作原理是先把曲轴锻件毛坯加工出水平镦粗用的定位槽.其中，曲轴毛坯直径大的部分形成曲轴的曲柄臂，直径小的部分形成曲轴的主轴颈.大型船用曲轴由于為多拐曲轴，且加工过程中是单拐依次成形，锻造加工过程中需要进行加热，加热采用专用的加热炉进行局部加热.每当加热好一个曲拐并进行镦锻好后，该曲拐则会被放入事先设定好的定位模中，并成为下一曲拐镦锻过程中的定位导向，以此类推，直至锻造出整个全纤维曲轴，故工艺设计部分只研究单曲拐的加工工艺即可.
图2所示为Solidworks平台下生成的曲轴单拐三维实体图，曲轴单拐的锻造多采用弯曲镦锻法中的NTR法，简易装置由上、下弯曲模具和水平镦粗模具组成，且毛坯被固定在水平镦粗模中.其主要工作原理是，毛坯同时收到垂直与水平两个方向的作用力，并同时发生弯曲与镦粗两个变形，其中，水平镦粗力作用是使毛坯坯料变形成为曲轴曲柄臂，垂直弯曲变形则镦出错拐，在两个力的作用下，曲拐初步成形.图3所示即为弯锻过程中单拐模具图.单拐的弯锻成形过程可以在有限元分析软件DEFORM3D中得到很好的塑性成形仿真并进行加工过程中各项因素的分析，为实际生产作铺垫.
总体来说，船用发动机曲轴单拐的塑性成形仿真可以分为3个过程：一是建立合理的有限元模型；二是设置合理的模拟参数及环境；三是镦锻成型及后处理.
1.1曲轴有限元模型的建立
在DEFORM3D中，不能直接建立三维的几何模型，必须通过其他CAD/CAE软件建模后导入到系统中.该过程是在SolidWorks开发环境下实现的，建好曲轴的毛坯及模具后以STL格式导入到DEFORM3D中.如图4、5所示分别为Solidworks平台开发出的船用发动机曲轴单拐弯锻成形过程中的模具及毛坯三维实体图及导入DEFORM3D软件后单拐塑性成形仿真的毛坯、模具相对位置的有限元模型.
1.2曲轴单拐塑性成形仿真的参数及环境的设置
该阶段是在DEFORM3D环境下进行的，主要发生在预处理阶段，设置好毛坯与模具的基本参数后，主要分3个工序进行分析.
（1） 模拟10 s内毛坯从炉子到模具的热传递.这是从炉子里拿出来进行锻造之前，工件与空气之间进行的热交换.
（2） 对毛坯停留于下模的2 s时间进行模拟.
（3） 进行热传递和锻造工艺共同进行的耦合分析过程，即热锻成型.
1.2.1毛坯及模具的基本参数的设置
毛坯材料选择材料库中牌号为AISI1045，设置为塑性体，网格采用四面体单元，初始网格数量数为3.0×105，最小单元尺寸为0.04；模具都选择牌号为AISIL6，初始网格数毛坯为3.0×105，水平镦粗模为3.2×105，上、下弯曲模具为分别为1.2×105、1.0×105.
1.2.2毛坯与空气的热传递
该阶段模拟控制中模拟步数设置为50步，分析用时间控制，每一步的时间为0.2 s.其中工件温度分别设置为：1 050、1 100、1 150、1 200 ℃（图6为1 200 ℃时毛坯与空气进行热交换前后的温度变化范围对比）.
1.2.3毛坯与下弯曲模具的热传递
由于毛坯与下弯曲模具的热传递是在室温下进行的，故该阶段下弯曲模具的温度设置为300 ℃，环境温度设置为20 ℃.
1.2.4热锻成型工序 本过程不仅进行热传递，同时也进行锻压成型，模拟控制步数设置为40步，每步长为1 m.该过程要进行锻压成型，所以要设置模具速度，根据NTR法工作原理采取水平镦粗模具水平运动，上、下模具以相同速度和运动方式夹住毛坯右端向下运动的形式.且水平镦粗模速度为250 mm/s，定位方向为+Y，弯曲模具速度为180 mm/s，定位方向为-z，干涉方法都为自动干涉，干涉值为0.0001；摩擦采取剪切摩擦，摩擦系数为0.3.应变速率ε分别取0.05，0.1，0.5，1.
1.3曲轴的弯锻成型及后处理
预处理阶段设置好曲轴单拐锻造成型的各项参数后进行模拟，模拟完成即进入到后处理阶段.DEFORM3D软件具有FLOWNET和点迹示踪、变形、云图、矢量图、力行程曲线等后处理功能.在后处理该阶段可以很形象地看到曲轴单拐弯曲镦锻过程中的每一步毛坯和模具的位置和状态以及各项参数的变化，如温度、损坏、应力、应变等.如图7～9分别为后处理模块观测到的塑性成形仿真结束后，毛坯与模具当前状态的相对位置和整个单拐的等效应力、应变值的分布图，以及在不同的温度及应变速率条件下反映出来的单拐塑性成形过程中的应力-应变曲线.
2结论
为提高船用发动机曲轴的抗疲劳强度，通过使用有限元分析软件DEFORM3D对船用发动机曲轴单拐进行的塑性成形仿真，并对影响曲轴抗疲劳强度的不同温度及应变速率下的应力—应变曲线进行
分析得出可以得出以下结论：
（1） 当应变速率为定值时，预设温度越高，应力—应变曲线则相对降低（金属内部此时有着较低的流变应力），这是因为金属的变形抗力随着变形温度的增加而有所降低，致使金属试样内部出现了较低的流变应力值，抗疲劳强度则越好.此外，从图9中还可以看出，当应变速率越低时，上述变化趋势越明显，说明应变速率越低，该金属材料对温度的敏感度越高，抗疲劳强度越差.
（2） 当毛坯温度一定时，应变速率越高则试样内部流变应力越大，抗疲劳强度越差，这主要是因为应变速率越高时，金属已经发生动态回复和动态再结晶的程度就越小，没有足够的软化作用抵消加工硬化造成的金属强度、硬度的增加.因此，实际制造中多采用毛坯温度为1 200 ℃，应变速率ε为0.5，此时为最佳，鍛件的抗疲劳强度能力最好.
参考文献：
[1]Hu J J，Li X P.DEFORM3D plastic forming CAE application tutorial [M].Beijing：Peking University Press，2011.
[2]Li H G.The internal combustion engine crankshaft manufacturing technology at home and abroad situation and development trend [J].Shandong Internal Combustion on Engine，2003（1）：9-13.
[3]Yan J J，Zheng J R.Research on microstructure simulation of large marine crank during bending process [J].China Mechanical Engineering，2006，17（19）：2024-2028.
[4]He J B.The development and the manufacture technology of engine crankshaft [J].China High Technology Enterprises.2008（14）：75.
[5]Xia Y F，Zhou J，Sun X M.Forging process exploration and die design of tinyautomobile crankshaft [J].China Metal Forming Equipment & Manufacturing Technology，2008（1）：37-40.
[6]Li J.Study on optimization of precision die forging process of automobile crankshaft [D].Chongqing：Chongqing University，2007.
[7]Yao Z K.Forging technology and die design [M].Xi′an：Northwestern Polytechnical University Press，2013.
[8]Wang A B，Zhang L P.The numerical simulation of die forging formation course for crankshaft [J].Heavy Casting and Forging，2007（5）：1-2.
Plastic forming simulation analysis of marine engine crankshaft
singlethrow
LIU Peipei， HE Chaocong， ZHANG Chunli
（College of Information，Mechanical and Electrical Engineering，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China）
Abstract：
The research object is for marine engine crankshaft singlethrow.A 3D model of the crankshaft singlethrow blank and die in forging process is established by SolidWorks software，then the 3D model is imported into metal plastic forming CAE software DEFROM3D to carry on the plastic forming simulation，to verify the relationship between the internal flow stress and the external deformation conditions in the process of metal plastic deformation under different strain rate and temperature，and to carry on the scientific analysis based on the obtained data.The result shows that the preset temperature is higher，the stressstrain curve is relatively lower when the strain rate is constant.Sample internal flow stress will be greater and the resistance to fatigue strength will be poorer at a higher strain rate when the temperature of the blank is constant.The result also provides a theoretical basis for further optimization design.
Key words：
crankshaft singlethrow； plastic forming； stress； strain
（责任编辑：包震宇）
关键词： 曲轴单拐； 塑性成形； 应力； 应变
中图分类号： TH 162文献标志码： A文章编号： 10005137（2016）04041705
0引言
大型曲轴是船用发动机的关键零部件，起着传递与输出动力的作用.图1所示为大型四拐船用曲轴，其结构复杂，重量较大，加工精度、韧度和强度要求较高，工作环境又比较恶劣，制造比较困难，加工工序又比较繁琐，长期制约着我国船舶工业的发展，长期依赖进口，由此船用曲轴的加工制造一直以来被作为我国重点研究、发展对象.
船舶寿命一般为15～30年，使用寿命期内又不能更换发动机曲轴.由于船用发动机曲轴在周期性变化的气体压力、往复和旋转运动引起的惯性力以及它们的弯矩和扭矩共同作用下工作，呈现出既弯曲又扭转的复合运动状态，故而曲轴由于抗疲劳强度引起的疲劳失效是其常见的破坏方式.曲轴加工过程中工件极易产生塑性变形，金属内部产生流变应力并随着预设温度、应变速率的不同而对工件疲劳强度产生不同的影响.故而曲轴加工过程中需对温度、应变速率进行分析研究，找出其中最优条件，对流变应力进行有效控制，从而达到提高疲劳强度的目的.传统的加工工序往往是在加工完成几个试验品后再进行各项综合性能的检验，在此基础上再进行工艺的修改和完善，这不仅效率低下，也造成了大量的浪费，早已被淘汰.而本文作者采用的金属塑性成形CAE应用软件DEFORM3D则在最大化还原金属塑性成形加工工艺各项环境的情况下，为设计者提供了很好的仿真平台，该平台以计算机技术为基础，生产的是虚拟产品，但可以实际生产提供有力依据.
1曲轴单拐的弯曲镦锻成形
大型船用发动机曲轴的加工多采用整体式全纤维锻造方法，即弯曲镦锻.曲轴弯曲镦锻工艺是一种弯曲变形与镦粗变形同时进行的复合成形工艺，其主要工作原理是先把曲轴锻件毛坯加工出水平镦粗用的定位槽.其中，曲轴毛坯直径大的部分形成曲轴的曲柄臂，直径小的部分形成曲轴的主轴颈.大型船用曲轴由于為多拐曲轴，且加工过程中是单拐依次成形，锻造加工过程中需要进行加热，加热采用专用的加热炉进行局部加热.每当加热好一个曲拐并进行镦锻好后，该曲拐则会被放入事先设定好的定位模中，并成为下一曲拐镦锻过程中的定位导向，以此类推，直至锻造出整个全纤维曲轴，故工艺设计部分只研究单曲拐的加工工艺即可.
图2所示为Solidworks平台下生成的曲轴单拐三维实体图，曲轴单拐的锻造多采用弯曲镦锻法中的NTR法，简易装置由上、下弯曲模具和水平镦粗模具组成，且毛坯被固定在水平镦粗模中.其主要工作原理是，毛坯同时收到垂直与水平两个方向的作用力，并同时发生弯曲与镦粗两个变形，其中，水平镦粗力作用是使毛坯坯料变形成为曲轴曲柄臂，垂直弯曲变形则镦出错拐，在两个力的作用下，曲拐初步成形.图3所示即为弯锻过程中单拐模具图.单拐的弯锻成形过程可以在有限元分析软件DEFORM3D中得到很好的塑性成形仿真并进行加工过程中各项因素的分析，为实际生产作铺垫.
总体来说，船用发动机曲轴单拐的塑性成形仿真可以分为3个过程：一是建立合理的有限元模型；二是设置合理的模拟参数及环境；三是镦锻成型及后处理.
1.1曲轴有限元模型的建立
在DEFORM3D中，不能直接建立三维的几何模型，必须通过其他CAD/CAE软件建模后导入到系统中.该过程是在SolidWorks开发环境下实现的，建好曲轴的毛坯及模具后以STL格式导入到DEFORM3D中.如图4、5所示分别为Solidworks平台开发出的船用发动机曲轴单拐弯锻成形过程中的模具及毛坯三维实体图及导入DEFORM3D软件后单拐塑性成形仿真的毛坯、模具相对位置的有限元模型.
1.2曲轴单拐塑性成形仿真的参数及环境的设置
该阶段是在DEFORM3D环境下进行的，主要发生在预处理阶段，设置好毛坯与模具的基本参数后，主要分3个工序进行分析.
（1） 模拟10 s内毛坯从炉子到模具的热传递.这是从炉子里拿出来进行锻造之前，工件与空气之间进行的热交换.
（2） 对毛坯停留于下模的2 s时间进行模拟.
（3） 进行热传递和锻造工艺共同进行的耦合分析过程，即热锻成型.
1.2.1毛坯及模具的基本参数的设置
毛坯材料选择材料库中牌号为AISI1045，设置为塑性体，网格采用四面体单元，初始网格数量数为3.0×105，最小单元尺寸为0.04；模具都选择牌号为AISIL6，初始网格数毛坯为3.0×105，水平镦粗模为3.2×105，上、下弯曲模具为分别为1.2×105、1.0×105.
1.2.2毛坯与空气的热传递
该阶段模拟控制中模拟步数设置为50步，分析用时间控制，每一步的时间为0.2 s.其中工件温度分别设置为：1 050、1 100、1 150、1 200 ℃（图6为1 200 ℃时毛坯与空气进行热交换前后的温度变化范围对比）.
1.2.3毛坯与下弯曲模具的热传递
由于毛坯与下弯曲模具的热传递是在室温下进行的，故该阶段下弯曲模具的温度设置为300 ℃，环境温度设置为20 ℃.
1.2.4热锻成型工序 本过程不仅进行热传递，同时也进行锻压成型，模拟控制步数设置为40步，每步长为1 m.该过程要进行锻压成型，所以要设置模具速度，根据NTR法工作原理采取水平镦粗模具水平运动，上、下模具以相同速度和运动方式夹住毛坯右端向下运动的形式.且水平镦粗模速度为250 mm/s，定位方向为+Y，弯曲模具速度为180 mm/s，定位方向为-z，干涉方法都为自动干涉，干涉值为0.0001；摩擦采取剪切摩擦，摩擦系数为0.3.应变速率ε分别取0.05，0.1，0.5，1.
1.3曲轴的弯锻成型及后处理
预处理阶段设置好曲轴单拐锻造成型的各项参数后进行模拟，模拟完成即进入到后处理阶段.DEFORM3D软件具有FLOWNET和点迹示踪、变形、云图、矢量图、力行程曲线等后处理功能.在后处理该阶段可以很形象地看到曲轴单拐弯曲镦锻过程中的每一步毛坯和模具的位置和状态以及各项参数的变化，如温度、损坏、应力、应变等.如图7～9分别为后处理模块观测到的塑性成形仿真结束后，毛坯与模具当前状态的相对位置和整个单拐的等效应力、应变值的分布图，以及在不同的温度及应变速率条件下反映出来的单拐塑性成形过程中的应力-应变曲线.
2结论
为提高船用发动机曲轴的抗疲劳强度，通过使用有限元分析软件DEFORM3D对船用发动机曲轴单拐进行的塑性成形仿真，并对影响曲轴抗疲劳强度的不同温度及应变速率下的应力—应变曲线进行
分析得出可以得出以下结论：
（1） 当应变速率为定值时，预设温度越高，应力—应变曲线则相对降低（金属内部此时有着较低的流变应力），这是因为金属的变形抗力随着变形温度的增加而有所降低，致使金属试样内部出现了较低的流变应力值，抗疲劳强度则越好.此外，从图9中还可以看出，当应变速率越低时，上述变化趋势越明显，说明应变速率越低，该金属材料对温度的敏感度越高，抗疲劳强度越差.
（2） 当毛坯温度一定时，应变速率越高则试样内部流变应力越大，抗疲劳强度越差，这主要是因为应变速率越高时，金属已经发生动态回复和动态再结晶的程度就越小，没有足够的软化作用抵消加工硬化造成的金属强度、硬度的增加.因此，实际制造中多采用毛坯温度为1 200 ℃，应变速率ε为0.5，此时为最佳，鍛件的抗疲劳强度能力最好.
参考文献：
[1]Hu J J，Li X P.DEFORM3D plastic forming CAE application tutorial [M].Beijing：Peking University Press，2011.
[2]Li H G.The internal combustion engine crankshaft manufacturing technology at home and abroad situation and development trend [J].Shandong Internal Combustion on Engine，2003（1）：9-13.
[3]Yan J J，Zheng J R.Research on microstructure simulation of large marine crank during bending process [J].China Mechanical Engineering，2006，17（19）：2024-2028.
[4]He J B.The development and the manufacture technology of engine crankshaft [J].China High Technology Enterprises.2008（14）：75.
[5]Xia Y F，Zhou J，Sun X M.Forging process exploration and die design of tinyautomobile crankshaft [J].China Metal Forming Equipment & Manufacturing Technology，2008（1）：37-40.
[6]Li J.Study on optimization of precision die forging process of automobile crankshaft [D].Chongqing：Chongqing University，2007.
[7]Yao Z K.Forging technology and die design [M].Xi′an：Northwestern Polytechnical University Press，2013.
[8]Wang A B，Zhang L P.The numerical simulation of die forging formation course for crankshaft [J].Heavy Casting and Forging，2007（5）：1-2.
Plastic forming simulation analysis of marine engine crankshaft
singlethrow
LIU Peipei， HE Chaocong， ZHANG Chunli
（College of Information，Mechanical and Electrical Engineering，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China）
Abstract：
The research object is for marine engine crankshaft singlethrow.A 3D model of the crankshaft singlethrow blank and die in forging process is established by SolidWorks software，then the 3D model is imported into metal plastic forming CAE software DEFROM3D to carry on the plastic forming simulation，to verify the relationship between the internal flow stress and the external deformation conditions in the process of metal plastic deformation under different strain rate and temperature，and to carry on the scientific analysis based on the obtained data.The result shows that the preset temperature is higher，the stressstrain curve is relatively lower when the strain rate is constant.Sample internal flow stress will be greater and the resistance to fatigue strength will be poorer at a higher strain rate when the temperature of the blank is constant.The result also provides a theoretical basis for further optimization design.
Key words：
crankshaft singlethrow； plastic forming； stress； strain
（责任编辑：包震宇）