基于摩托车发动机轴套坯锻造模拟的有限元分析

2014-05-05卢杰

重庆电子工程职业学院学报 2014年1期

卢杰

（重庆电子工程职业学院，重庆401331）

0 引言

最近几年，摩托车市场竞争越来越激烈，在保证产品质量的情况下，企业必须控制产品成本，从而提高产品市场竞争能力。轴套是摩托车发动机的重要部件，它的质量好坏直接要影响发动机能否正常高速旋转。因此严格监控轴套生产过程和产品质量，对提高整车质量具有重要的意义。目前大多数厂商设计和生产轴套都还存在一定的问题。首先，依靠工作经验或手册来设计轴套，不能完全满足客户的要求。其次，大多数生产厂商用钢棒材料来生产轴套，成本较高，影响产品市场竞争能力。为了降低生产成本和提高生产效率，本文探讨利用锻造加工工艺生产轴套的方法。锻造加工包括开式模锻和闭式模锻两种加工方法，两种加工方法各有优缺点。使用开式模锻加工方法，能够生产形状复杂、尺寸较大的锻件，但是材料利用率较低，飞边损失较大，锻件尺寸精确度低。使用闭式模锻加工方法，能够生产形状稳定的锻件，锻件尺寸的精确度高，材料消耗低，但是成形力大，对模具和设备的性能要求高[1]。本文选择闭式模锻加工方法来研究轴套的设计和制造方法。

1 轴套模锻工艺

使用闭式模锻加工工艺，轴套坯生产过程包括下料、预锻、终锻、冲孔四个环节。本文以一档轴套坯作为加工对象，其毛坯设计如图1所示。利用有限元软件DEFORM-2D工具，模拟轴套坯的成形过程，以观察锻件是否均匀变形、成形力是否小于工艺要求、锻件充形是否饱满等。其锻件设计如图2所示，该零件是一个具有两个台阶且上端面带有轮辐的回转体结构件。

图1 轴套坯锻件图

图2 轴套坯工艺流程图

2 有限元建模及模拟结果分析

轴套坯锻件是回转体，为了减少模拟时间，只截取二分之一的坯料进行分析。先运用Aoto CAD软件进行建模，再运用模拟软件DEFORM-2D进行有限元模拟，分析其锻造过程中模具应力的分布情况以及锻件与模具承受的成形力情况，这个分析结果是分析制造工艺是否可行的依据。设置的有限元模拟参数如下：坯料材料为20GrMo（其应力应变曲线如图3所示），温度为1150℃，模具材料为H13，温度为25℃，坯料与模具的网格数为3 000。摩擦系数为0.3，上模速度设为600mm/s。细化材料流动剧烈的地方进行细化，摩擦条件为剪切摩擦。

图3 20GrMo材料的应力曲线

2.1 有限元预锻模拟及结果分析

将坯料置于预锻模具中，并进行模拟。预锻的目的是更好地分配坯料，降低终锻过程中产生的变形量，提高终锻件质量和模具寿命[2]，其有限元模型如图4所示。通过有限元模拟后，其坯料变形网格变化如图5所示，模具载荷变化曲线如图6所示，上下模具的最大应力分布如图7所示。

图4 预锻有限元模型

图5 预锻成形网格变化图

图6 模具载荷随行程变化曲线图

图7 模具最大应力分布图

从图5可以看出，预锻后发生了剧烈的变化，但其流线分布合理，网格没有发生畸变，成型良好。从图6的预锻载荷分布曲线可以看出，在成形的最后阶段，由于加大了充型难度，以充满型腔，导致成形力上升较快，最大成形力达到了2390JN，需要进行优化。从图7上下模具的最大应力曲线看出，应力相对分散，模具的最大主应力为1830Mpz[3]。