第一章 绪论
1.1课题的研究意义
随着汽车产量每年不断增长，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。
随着高功率、低油耗、低排放的要求，发动机的爆发压力从 8-9Mpa 上升到12Mpa，甚至 14Mpa，球墨铸铁曲轴难以承受，所以，今年来国内外铸造曲轴的比2例在下降，而锻造曲轴的比例在上升[2]。据统计，我国 2009 年曲轴市场的总产量在 1300 万件左右，其中，铸造曲轴大约占 40%，其余全部为锻钢曲轴[3]。国内最大的曲轴生产厂家天润曲轴，曲轴产品的毛利率在 30%左右。所以研究曲轴的锻造工艺具有重要的社会、经济价值。我国近几年掀起了投资曲轴锻造的热潮，2009 年 1 月广西桂林福达集团有限公司投资 4.5 亿元，分布别和俄罗斯伏龙涅什重型机械压力机股份有限公司（TMP）以及中国二重集团公司签订了 4 条大型锻造线的购买合同，成为全球锻造行业一次性投资最多的企业。2009 年 3 月，中国重汽集团公司投资 2.5 亿元从德国引进两条大型热模锻压力机生产线，主要生产 150kg 以下曲轴；2009 年 5 月湖北三环集团以及文登天润曲轴分别和德国米勒万家顿签订了 PZS900 型 16000t 电动螺旋压力机的购买合同，主要生产 250kg 以下的重型锻钢曲轴；2009 年 9 月，辽宁五一八内燃机配件有限公司正式宣布从俄罗斯 TMP 公司购买了两条大型热模锻压力机曲轴生产线。上述锻造生产线全部是采用 PROFIBUS-DP 网络单元和工业以太网组成的总线控制的自动化曲轴生产线，生产节拍在 15-45s 之间，每条生产线采用6-7 台自动化工业机器人来完成全部生产动作，现场基本实现无人化作业，辅机配置大都选用国产设备，其中有部分全部从国外引进，几乎代表了当今曲轴锻造的最高水平。
自动化技术在生产中的应用是近两年锻造行业发展的一个热点，由于传统生产线主要是以人工操作为主，劳动强度大、效率低，采用自动化技术可以最大限度地减小人为因素的影响，实现无人化操作。生产中的过程监控和安全监控全部由总线系统控制，有专门的总控室，采用分区域启动、分区域控制的方法来完成整个生产线的控制，总线控制系统完成整个生产线的自动控制和生产数据的统计记录，负责整条生产线的自动控制，协调、保障整条锻造生产线安全、可靠、高效运行，这就是自动化锻造生产线的特点。和传统生产线比较，自动化生产线可以极大地提高生产效率，提升企业市场竞争力，是今后曲轴锻造生产线的重点发展方向。在锻造技术领域，由模具的磨损带来的模具损失费用在锻件成本中占有非常高的比例。所以各种以提高模具寿命、降低生产成本为目标的措施就越来越为人们所重视，如新型模具钢材料使用、成型毛坯锻造和模具润滑状态优化等。由于在锻造过程中，模具要承受很高的热机械负荷(毛坯温度约为 1200°C，模具约为 200°C)，所以到目前为止，人们普遍仅把模具的吹风和冷却时间作为影响模具寿命的最重要的参数。而采用 PK 系列高速锻造压力机来锻造钢锻件的实践表明，焖模时间即锻件在锻造力作用下成形时在模具中停留的时间，对模具寿命的影响还要大。因此，提高生产节拍，对于降低锻造成本,提高企业盈利具有重要意义。
1.2曲轴锻造工艺介绍
曲轴是发动机的关键零件, 曲轴形状复杂, 横断面沿轴线方向变化急剧, 应力分布极不均匀, 特别是平衡块至轴颈的过渡圆角处及润滑油孔附近应力集中现象比较严重, 在交变应力作用下很可能引起曲轴的疲劳破坏。一旦损坏, 可能造成车辆等的重大事故, 因而对曲轴的抗疲劳性、耐磨性和高强度性等都有极高的要求。按锻件复杂程度来说，大部分曲轴的最大横截面积与连杆轴颈横截面积之比>5，形状复杂系数小于 3.2，属较复杂锻件。表示曲轴锻件基本结构分散，金属流动距离较长，成形难度较大，而对曲面分模曲轴，更增加锻造难度。
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。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。
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：
第三章 800-06-001 曲轴成形工艺............................ 44-54
3.1 引言............................ 44
3.2 800-060-001 曲轴工艺............................ 44-51
3.2.1 曲轴终锻件设计 ............................45-46
3.2.2 曲轴预锻件设计............................ 46-49
3.2.4 曲轴原材料规格选择 ............................49-51
3.3 模具设计研究 ............................51-53
3.3.1 辊锻模具设计............................ 51
3.3.2 终锻模设计............................ 51-52
3.3.3 预锻模设计............................ 52-53
3.4 本章小结 ............................53-54
第四章 成形过程的数值模拟............................ 54-70
4.1 引言............................ 54-55
4.2 800-06-001 曲轴成形工艺............................ 55-56
4.3 辊锻过程数值模拟............................ 56-58
4.4 模锻过程数值模拟............................ 58-68
4.4.1 预锻过程数值模拟............................ 58-63
4.4.2 终锻过程数值模拟............................ 63-68
4.5 锻模应力分析............................ 68
4.6 本章小结 ............................68-70
第五章 试验验证............................ 70-75
5.1 引言............................ 70
5.2 生产准备............................ 70-71
5.3 试验验证............................ 71-72
5.4 试验结果及分析 ............................72-73
5.5 本章小结............................ 73-75
结论
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。