曲轴模具数控加工工艺设计

摘 要

　　汽车曲轴是发动机中的关键零件，其受力情况复杂、工作条件恶劣、曲轴的模锻成形难度大、模具制造困难，使得曲轴成形工艺倍受关注。近年来，汽车产量的逐年递增，曲轴的产量也随之增加，并且重载、高速和高可靠性的要求不断提出，因此曲轴加工工艺的改进显得尤为重要。CAD/CAM/CAE 技术的应用对曲轴的模锻工艺发展起到了重要的推动作用。

　　本文对国内外生产和研究曲轴模锻成形的现状作了简要介绍，选择 3 拐呈 120?分布，6 个平衡块，形状复杂的中小型曲轴作为研究对象，详细介绍了 CAD/CAM/CAE技术在优化曲轴模锻成形工艺中的应用。首先，在三维造型软件 UG 的 CAD 平台下进行预锻、终锻过程中的曲轴及模具的实体三维造型设计。其次，在 CAM 的平台下进行模具的数控加工，在这个阶段中对模具加工进行了工艺分析，最终选择了合适的工艺参数和切削策略，利用 UG/CAM 模块进行数控编程，优化了加工路线、刀具轨迹、切削方式等工艺参数，得到了高精、高效的 NC 程序。最后，利用有限元数值模拟仿真软件 Deform 3D 对曲轴的成形过程进行数值模拟，通过模拟仿真过程分析了曲轴模锻成形过程中的金属流动情况、模具型腔充填情况、锻件应力应变分布及锻件和模具的温度分布情况等。通过模拟分析，优化了预锻件的坯料及连皮尺寸，达到了优化工艺参数、消除成形缺陷等目的。

　　本课题将曲轴模锻工艺、有限元理论、数值模拟仿真技术及模具 CAD/CAM 技术相结合，达到了缩短产品开发周期、降低材料成本、提高模具寿命等目的。

　　关键词：曲轴；模锻；模具设计；UG CAD/CAM；刚粘塑性有限元法

Abstract

　　The crankshaft of automobile is the key piece in engine, the situation of receiving pressure is complicated and working condition is poor. It is usually formed difficultly in die forging and manufacture of die is also difficult, so that the crankshaft forming process attracted more attention. In recent years, the production of crankshaft increases year after year along with increase of automobile output. The requirements are repeatedly stated about heavy load, high speed and high reliability of crankshaft. So it is very important to improve processing technology of crankshaft, the application of CAD / CAE / CAM has played an important role in promoting the development of the crankshaft forging process.

　　This paper briefly introduces the present conditions to die forging forming of crankshaft in the research and manufacture of domestic and abroad. Choosing a crankshaft has three cylinder sleeve that every one is 120? distributional and has six balance weight as a object of study, introduces the application of CAD/ CAM /CAE technology in optimization of die forging process for crankshaft. First of all, the three-dimensional model of pre-forging and finish-forging crankshaft and die can be set up by the use of the CAD system in UG. Secondly, by using the CAM system in UG, NC machining to die, in this stage, completed the manufacturing craft analysis to the die, ultimately the appropriate manufacturing parameters and cutting strategies were choose. Use UG / CAM NC programming modules, optimized the manufacturing line, tool path, cutting mode parameters and the highly precise and highly effective NC procedures. Finally, simulate the forming processes of crankshaft forge piece by using the finite element numerical simulation soft—DEFORM-3D. Analysis the influence on the metal flow, mould filling, stress and strain distribution of forging part, temperature distribution of forging part and die and others via the simulation. By analyzing the simulation, we optimize the size of blank and wad, which realize the target of optimizing the process parameters and getting rid of the forming defects.

　　In this paper, the precision die forging of crankshaft, finite element theory, numerical simulation, and CAD/ CAM technology of mould are combined. The research results achieve the following purpose: shortening the cycle for product development, reducing the material cost, and improving the die life, etc.

　　Key words: Crankshaft；Die Forging； Die design; UG CAD/CAM； Rigid-plastic finite element method

　　汽车曲轴是发动机中承受冲击载荷的关键零件，有发动机的脊梁骨之称，它的性能优劣直接影响着发动机的可靠性和整体寿命。由于其结构形状、受力情况都相当复杂，并且工作条件也非常恶劣，既承受各部分产生的弯曲、扭转、剪切、拉压等交变应力作高速运转，又传递大的扭矩，一旦损坏就可能产生难以想象的后果。这就要求发动机曲轴有较高的抗拉强度、疲劳强度和结构钢度，要达到这些目的，必须从改进曲轴加工工艺方面来实现。虽然我国锻造业已有很长时间的历史，但是锻造工艺发展速度一直落后于发达国家，我国目前大部分的锻造生产仍然采用传统的锻造工艺，这样很难满足当前的生产要求，对于曲轴生产如不能到达生产和设计等方面的精度要求，在那样恶劣的条件下，作高速度运转，很容易过早的出现严重失效和断裂等现象，导致重大事故的产生。

　　市场经济的持续发展，带动人民生活水平的不断提高，以及生活节奏相应的加快，单一品种、大批量、专业化的生产已经不能满足社会需求，应运而生的是多品种、大中批量、柔软化的加工生产[1]。在曲轴的锻造过程中，对曲轴模锻工艺设计和锻模设计的要求也相应提高，需要建立专业化的模锻生产线，以提高模锻曲轴的强度和精度。

　　汽车曲轴锻造工艺的发展方向是：要有较高的尺寸精度，要有较少的机加工余量，曲轴的平衡板直接靠锻造成型，而不需要后续一系列的机加工。过去由于缺乏系统精确的理论分析手段来进行科学的预测，对塑性成形工艺和模具设计造成很大的困难，要在模具制造后，通过反复调试和修改才能确定一些关键设计参数，不仅周期长、成本高，还不能到达最佳的产品设计要求。此时 CAD/CAE 技术就发挥了巨大作用。

　　锻造模具设计的前提和基础就是必须有完善的三维锻造产品造型，因此，为了满足模具工业的专业性要求，各大软件厂商针对各类模具的特点推出了功能完善、操作简便的 CAD/CAE/CAM 专用系统。而美国 UGS 公司，系统无缝地集成三维机械CAD/CAE/CAM 于系统 UG 中，为用户提供了模具设计环境和工具。模具设计制造周期被明显的缩短，并且带来了显着的经济效益。

　　在锻造曲轴过程中，各种原因会导致产生充不满、裂纹、折叠等锻造缺陷，这些缺陷在曲轴运转过程中，程度将会被扩大，最终会导致曲轴报废。曲轴无论是材料还是制造工艺方面，造价都比较高，一旦报废将会造成很大的经济损失。目前，国际上许多锻造研究机构和生产企业，已将锻造过程计算机数值模拟运用到生产实际中，并将其作为新产品开发的重要前期环节之一。经验证明，分析锻件成形过程使用计算机数值模拟技术进行仿真将成为一种趋势，并且已经被证实能够很有效的预防各种缺陷的产生。这种“计算机上成形”技术的使用，为锻造成形带来许多好处，它从某种程度上缩短了工艺设计时间，并且优化了工艺方案，也可以通过模拟选择合适的设备。

　　目前美国、德国、日本等汽车工业发达国家，主要集中开发绿色环保和高性能的发动机，使得发动机向增压、大功率、高可靠性、低排放的方向发展[2]。各个发动机的生产厂家使用各种方法提高发动机的功率，如将发动机进行增压、扩缸及提高转速等，这样使曲轴一直在较高的压力下作高速转动。曲轴是发动机中的关键零件之一，高要求的发动机将导致对曲轴安全性和可靠性更加关注，传统的曲轴制造方法和材料已经很难达到现在的功能要求。市场也对曲轴的各方面提出了较为严格的要求，包括材料的选用、加工技术和方法的确定、最终曲轴的精度和表面粗糙度等，必须保证每一项要求都达到标准，以免对曲轴的使用寿命和整机的可靠性造成严重的影响。世界的汽车工业发达国家都十分重视曲轴的加工，并在曲轴加工工艺方面不断改进，随着WTO 的加入，我国的曲轴生产厂家已经对曲轴的生产形势有了一定的认识，不断的引进了大量的先进设备和制造技术，希望提高曲轴产品质量，以增强在整个曲轴市场上的竞争力，并且能够大幅提高曲轴的制造技术水平，在近几年来这种趋势的发展更为显着。

　　2001 年全球的锻造钢材用量大幅度的增加，平均的增长程度达到 10%左右，这使许多锻造企业经受很大的冲击。随着世界经济的不断发展，汽车市场已不是简单的卖买双方市场，而进入了多样性、多变性、个性化需求明显的市场，这就使锻造行业面临着新的挑战。

　　大型锻件产业的发展已经成为衡量一个国家总体实力的标志之一。我国对大型锻件制造业的发展十分重视，虽然 40 多年来投入了大量的资金和人力，使得该产业由小到大、水平由低到高都发生了巨大的变化，但是国产大型锻件的制造能力和技术水平与国外相比还有较大差距。所以，开展大型锻件制造关键技术研究，对于提高我国重大成套装备的制造能力有着至关重要的意义[3]。

　　我国市场经济的发展带动汽车制造业快速的发展，一批私营及合资的锻造企业也随之迅速的成长起来。这些锻造企业与原国有企业锻造部门相比竞争实力很强，因为私营企业规模小、经营灵活、适应市场的能力强，而合资企业受到国外资本的支持能够直接采用国外先进的锻造技术，这样给我国锻造市场带来了新气象。2002 年开始，锻造市场进入持续繁荣阶段，特别是大型模锻件更是供不应求；2004 年全国锻件总产量约 326 万吨，其中模锻件产量约 244 万吨，汽车锻件约占模锻件的 65%，约 160 万吨；2007 年锻件出口势头很好[4]。总体来说中国的锻造业这几年发展比较好，但是仍然存在着许多问题。

　　曲轴模具数控加工工艺设计：

起始步和第五十步时坯料上的温度分布

曲轴预锻工步有限元模型

预锻结束时坯料的充填情况

预锻结束时坯料的充填情况

预锻数值模拟行程——载荷曲线

预锻模具温度场分布图

曲轴终锻工步有限元模型

目 录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 课题背景
　　　　1.2 国内外研究现状
　　　　　　1.2.1 曲轴的发展现状
　　　　　　1.2.2 锻造工业现状
　　　　　　1.2.3 曲轴的锻造工艺现状
　　　　　　1.2.4 曲轴成形过程的模拟仿真现状
　　　　1.3 软件介绍
　　　　　　1.3.1 UG 软件的介绍
　　　　　　1.3.2 DEFORM-3D 软件的介绍
　　　　1.4 研究的内容、目的及意义
　　　　　　1.4.1 研究的主要内容
　　　　　　1.4.2 课题研究的目的及意义
　　第二章 曲轴模锻成形工艺
　　　　2.1 引言
　　　　2.2 曲轴锻件及模具材料选择及特性
　　　　　　2.2.1 锻件材料
　　　　　　2.2.2 模具材料
　　　　2.3 模锻工艺流程
　　　　2.4 曲轴的锻件图设计
　　　　　　2.4.1 终锻件图的设计
　　　　　　2.4.2 预锻件图的设计
　　　　　　2.4.3 设备吨位的选择
　　　　　　2.4.4 锻件坯料尺寸确定
　　　　2.5 扭转后曲轴零件图
　　　　2.6 本章小结
　　第三章模具在 UG 的设计成形
　　　　3.1 模具设计概述
　　　　3.2 曲轴的模具设计
　　　　　　3.2.1 锻模设计
　　　　　　3.2.2 曲轴终锻模具型槽设计
　　　　　　3.2.3 基于 UG 的模具设计流程
　　　　　　3.2.4 曲轴预锻模具型槽设计
　　　　3.3 本章小结
　　第四章模具的数控加工
　　　　4.1 数控加工概述
　　　　4.2 UG/CAM 介绍
　　　　　　4.2.1 铣削数控加工的方法
　　　　　　4.2.2 数控铣刀的分类及选用
　　　　　　4.2.3 UG/CAM 系统的数控加工编程流程图
　　　　4.3 加工阶段的划分及表面加工方法的选择
　　　　4.4 创建程序、刀具、几何体、加工方法、操作
　　　　　　4.4.1 创建程序
　　　　　　4.4.2 创建刀具
　　　　　　4.4.3 创建几何体
　　　　　　4.4.4 创建加工方法
　　　　　　4.4.5 创建操作
　　　　4.5 刀轨生成及验证
　　　　　　4.5.1 生成刀轨
　　　　　　4.5.2 刀轨验证
　　　　4.6 “操作导航器”视图方
　　　　4.7 本章小结
　　第五章金属塑性变形有限元理论及数值模拟
　　　　5.1 有限元理论概述
　　　　5.2 数值模拟
　　　　　　5.2.1 数值模拟概述
　　　　　　5.2.2 DEFORM-3D 软件的结构
　　　　5.3 模拟初始条件的设置
　　　　5.4 热传导工步的模拟
　　　　5.5 预锻工步的模拟
　　　　　　5.5.1 通过有限元模拟确定坯料的尺寸
　　　　　　5.5.2 金属流动分析
　　　　　　5.5.3 预锻件的等效应力和应变的分析
　　　　　　5.5.4 锻件温度场分布分析
　　　　　　5.5.5 模具温度场分布分析
　　　　5.6 终锻工步的模拟
　　　　　　5.6.1 通过有限元法确定连皮的厚度
　　　　　　5.6.2 终锻工步金属流动分析
　　　　　　5.6.3 终锻件的等效应力、应变分析
　　　　　　5.6.4 终锻件的温度场及受损分析
　　　　5.7 本章小结
　　第六章 总结与展望
　　参 考 文 献
　　致 谢
　　作 者 简 介

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