船用大型组合式曲轴曲柄锻造工艺的数值模拟及实验研究

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1、摘要曲轴是大型船用发动机的重要部件，大型船用组合式曲轴的曲柄是组成大型曲轴的关键零件。本文采用有限元数值模拟及实验研究方法，就大型曲柄的弯曲锻造工艺过程进行了研究，提出了“V型弯曲”和“压平”两步成形的工艺方案。本文以6-S60MC—C组合曲轴曲柄为研究对象，以大型非线性有限元软件ANSYS／LS-DYNA为分析平台，采用大变形弹塑性有限元理论，对曲柄弯曲及压平过程作了数值模拟分析。文中分析了弯曲成形中出现的主要缺陷，提出了毛坯形状和尺寸、模具参数对成形质量的影响规律，在此基础上给出了毛坯图和模具图。通过对压平工序的数值模拟分析，找出了砧宽对压平成形质量的影

2、响，给出了合理的砧宽。本文分析了曲柄弯曲成形力的影响因素，给出了弯曲成形力．行程曲线及压平力．行程曲线，为实际生产提供了理论依据。实验研究分别以铅和45#钢为材料，以1：10的比例，进行了两次实验，实验结果与模拟计算结果吻合较好，表明本文给出的工艺方案具有工程应用价值。关键词大型曲轴；曲柄；弯锻法；数值模拟：有限元燕山大学工学硕士学位论文AbstractCrankshaftisaveryimportantcomponentoflargemarineengineanditskeycomponentiscrank．Astudyofthelargecrank’Sb

3、endforgingprocessismadeinthepaperbymeansofFEMnumericalsimulationandexperimentalresearch．Andaprocessplanwith‘'V-typebendforging”and“smashing"’isprovided．Basedontheelasto__plasticityFEMtheorywithlargedeformationandANSYS／LS-DYNAthatisapowerfulFEMprogram，thebendforgingandthesmashingpro

4、cessesofthecrankusedin6-S60MC·Ccombinedcrankshaftareanalyzedthroughnumericalsimulation．Theformingdefectofthebendforgingandtheinftuenceofblankanddieshapeparametersarestudied．Inaddition，the。properwidthofbickironisfoundbasedonthenumericalsimulationofthesmashingprocess．Thebendingforce-

5、hauldistanceandthesmashingforce-hauldistancerelationcalvesalealsogiven．Alloftheseprovidetheoreticalbasisforpractice．Twoexperimentswithascaleof1：10aledonebyusingleadand45#steel．Experimentalresultsareingoodagreementwithsimulationresults，whichconfirmsthattheprocessplanestablishedinthe

6、paperispractical．Keywordslargecrankshaft；crank；numericalsimulation；bendfo搿ngmethod；FEMTl第1章绪论1．1发动机曲轴锻造工艺概述曲轴广泛应用于机车和船舶内燃机上，足内燃机中的关键零件之一。它的主要功能是将连杆传来的压力转变为扭矩，作为动力输出而做功。曲轴几何形状复杂，受力情况复杂，主要承受周期变化的弯曲应力、扭转应力及惯性力、振动产生的附加应力等作用，所以对刚度、疲劳强度、耐磨性等综合机械性能有较高要求，并要求有良好的内部组织11j。曲轴毛坯的制造方法很多，由曲轴的大小、结

7、构、材料、生产批量和制造厂的具体条件决定。曲轴按其制造方法可分为锻造或铸造的整体式曲轴、由锻造或铸造的曲柄组装的组合、半组合式曲轴。曲轴毛坯的制造方法如图l一】所示f。⋯。图1一I曲轴毛坯的制造方法Fig1—1Themanufaeluringrnelthodofcrankshaff1燕山大学工学硕士学位论文一般地说，锻造曲轴的形状复杂程度不如铸造的曲轴，但是铸造曲轴的内部组织和机械性能却不能与锻造曲轴相提并论两1。图1．2反映了曲轴特征尺寸与锻造方式的关系[7J。韬椒删嚣100200300400500600700800曲轴特征尺寸图1-2曲轴特征尺寸与锻造方

8、式圈Fig．t-2Crankshaftcharact