34CrNiMo6曲轴热成形工艺研究及优化_罗应娜.pdf

第 30 卷 第 2 期2023 年 2 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.2Feb.2023引文格式:罗应娜.34CrNiMo6 曲轴热成形工艺研究及优化 J.塑性工程学报,2023,30(2):70-78.LUO Yingna.Research and optimiza-tion of hot forming process of 34CrNiMo6 crankshaft J.Journal of Plasticity Engineering,2023,30(2):70-78.基金项目:重庆市自然科学基金面上项目(CSTB2022NSCQ-MSX1029);重庆市教育委员会科学技术研究计划青年项目(KJQN202203204)第一作者:罗应娜(通信作者),女,1979 年生,本科,副教授,主要从事机械制造及自动化、数控技术、材料成形研究,E-mail:lyn3796 收稿日期:2022-03-19;修订日期:2022-12-0934CrNiMo6 曲轴热成形工艺研究及优化罗应娜(重庆工业职业技术学院 机械工程与自动化学院,重庆 401120)摘 要:为提高某八缸曲轴的锻造成形质量,获得材料最佳热加工工艺窗口,提高材料利用率,首先通过等温压缩实验获得了 34CrNiMo6 钢在不同温度和应变速率下的流变数据,并通过 Hansel-Spittel 模型进行了多元线性回归近似,获得了34CrNiMo6 钢的高精度本构模型。等温压缩实验表明,当应变速率较低、温度较高时,随着应变的增加,应力逐渐上升,到达峰值后缓慢下降并趋于平稳。这是高温下材料的动态回复、动态再结晶软化行为与加工硬化行为共同作用的结果。当应变速率较高、温度较低时,随着应变的增加,应力逐渐上升并趋于平缓。这是由于应变速率较大时,材料发生有限的动态再结晶,其软化效果有限。其次,通过对 Hansel-Spittel 模型进行微分处理得到了 34CrNiMo6 钢的热加工图,热加工图表明:在温度为 1350 K,应变速率为 0.001 s-1时能量耗散率较大,在该温度和应变速率下进行热加工时,材料具有较高的热加工稳定性,其动态回复、再结晶完全,能得到细小均匀的组织。最后基于 Hansel-Spittel 模型、热加工温度和应变速率,通过有限元仿真技术分析了坯料尺寸和阻力坎、沟结构对成形效果的影响,发现通过增加阻力坎、沟可在保证锻件无锻造缺陷的前提下,使材料利用率从 65%提高到 78%,并经过生产试制验证了锻造温度、锻造速率、坯料尺寸和阻力坎结构的设计合理性。关键词:曲轴锻造;阻力坎;Hansel-Spittel 模型;热加工图中图分类号:TG316;TG146.4 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)02-0070-09doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.02.009Research and optimization of hot forming process of 34CrNiMo6 crankshaftLUO Ying-na(School of Mechanical Engineering and Automation,Chongqing Industry Polytechnic College,Chongqing 401120,China)Abstract:To improve the forging forming quality of an eight-cylinder crankshaft,obtain the optimal hot working process window of mate-rials and improve the utilization rate of material,firstly,the rheological data of 34CrNiMo6 steel at different temperatures and strain rates were obtained by isothermal compression experiments,and the high-precision constitutive model of 34CrNiMo6 steel was obtained by mul-tiple linear regression approximation with Hansel-Spittel model.Isothermal compression experiments show that when the strain rate is low and the temperature is high,the stress increases gradually with the increase of strain,and then decreases slowly and tends to be stable af-ter reaching the peak value,which is the results of the interaction between dynamic recovery,dynamic recrystallization softening behavior and work hardening behavior of material at high temperature.When the strain rate is high and the temperature is low,the stress increases gradually and tends to be stable with the increase of strain.This is because when the strain rate is large,the material has limited dynamic recrystallization,and its softening effect is limited.Secondly,the hot processing maps of 34CrNiMo6 steel were obtained by differential treatment of Hansel-Spittel model,and the hot processing maps show that when the temperature is 1350 K and the strain rate is 0.001 s-1,the energy dissipation rate is large.When the hot working was carried out at this temperature and strain rate,the hot working stability of material is high,and its dynamic recovery and recrystallization are complete,and fine and uniform microstructure can be ob-tained.Finally,based on Hansel-Spittel model,hot working temperature and strain rate,the influence of blank size and resistance wall and ditch structure on forming effect was analyzed by finite element simulation technology.It is found that the material utilization rate can be in-creased from 65%to 78%on the premise that the forgings without forging defects can be guaranteed by adding resistance wall and ditch.The design rationality of forging temperature,forging rate,blank size and resistance wall structure was verified through trial production.Key words:crankshaft forging;resistance wall;Hansel-Spittel model;hot processing map 引言曲轴作为内燃机的关键部件,具有良好的强度、硬度、抗冲击韧性、耐疲劳以及耐腐蚀性等1。由于曲轴形状通常比较复杂,属于复杂难锻件,其锻造生产工艺复杂,易产生折叠、充不满和裂纹等缺陷。此外,其材料利用率通常较低2。为解决曲轴成形问题,徐华等2采用 Deform 数值仿真软件,优化了预锻件敷料结构,其模拟结果能够辅助锻模结构设计。姚志强等3进行了曲轴模具分析设计,针对终锻和预锻成形过程可能存在的问题给出了模具设计解决方案。郑赣4使用 Deform 软件对曲轴热锻成形过程进行了数值模拟,通过对比得出预锻模具采用阻力沟、阻力墙结构可以有效解决平衡块充填不满的问题。仇建华等5使用数值模拟技术分析了不同飞边槽结构对模具型腔的充填、锻件应力、应变分布及最大成形载荷的影响,分析结果表明:采用阻力墙结构的飞边槽,在其他结果影响较小的情况下,能有效提高金属充填模具深腔的能力,实现精准下料,节约材料成本。于秋华等6使用 Deform-3D软件分析不同下压速度下的曲轴应力、应变场分布情况,发现当下压速度为 100 mms-1 时应力和应变较小,材料的微观组织比较均匀。国内学者主要对三缸、四缸曲轴成形工艺进行了研究,对八缸曲轴的研究较少。此外,对 34CrNiMo6钢的高温流变特性及热加工工艺窗口的研究也较少。为提高某八缸曲轴的锻造成形质量,获得材料最佳热加工工艺窗口,提高材料利用率。本文首先分析了材料的高温流变特性,并构建了其本构模型;随后使用本构模型构建了该材料的热加工图并得到了最佳热成形工艺窗口。最后,基于 Hansel-Spittel 模型、热加工温度和应变速率,通过有限元仿真技术,分析了坯料尺寸、阻力墙结构对成形效果的影响,通过增加阻力墙可在保证无锻造缺陷锻件的前提下提高材料的利用率,并经过生产试制验证了锻造温度、锻造速率、坯料尺寸和阻力墙结构的设计合理性。1 材料及方法1.1 流变曲线34CrNiMo6 钢是一种典型的中碳铬镍钼合金钢,被广泛用于制造火车车轴和机械主轴零件7-8,其化学成分如表 1 所示。34CrNiMo6 钢在常温下强度高、塑性低,其锻造成形通常在高温下进行,因此,研究该材料的高温流变性能是研究其锻造成形工艺的基础。表 1 34CrNiMo6 钢化学成分(%,质量分数)Tab.1 Chemical composition of 34CrNiMo6 steel(%,mass fraction)元素CSiMnPSCrNiMo含量0.340.300.650.0160.0181.521.490.22为获取材料在高温下的流变特性,将原材料切割为 8 mm12 mm 的圆柱体试样在 Geeble-1500热模拟试验机上进行热压缩试验,试验温度分别为950、1000、1050、1100 和 1150,试验应变速率分别为 0.001、0.01、0.1 和 1 s-1。试样的加热速度为 5 s-1,保温时间为 3 min。图 1 所示为34CrNiMo6 材料在不同条件下的真实应力-真实应变曲线,由图可知,当应变速率较低、温度较高时,随着应变的增加,应力逐