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,应力逐渐上升到达峰值,随后缓慢下降并趋于平稳。这是材料在高温下,动态回复和动态再结晶软化行为与加工硬化行为之间共同作用的结果。当应变速率较高、变形温度较低时,随着应变的增加,应力逐渐上升并趋于平缓。这是由于动态再结晶软化需要高温提供激活能以及再结晶需要一定的时间,因而应变速率较大时,材料来不及发生动态再结晶,其软化效果有限。1.2 本构方程Arrhenius 模 型 是 广 泛 使 用 的 本 构 方 程 之一9-10,其材料参数与应变之间的关系需要使用多项式进行拟合。根据泰勒级数可知,多项式是逼近任意函数表达式的一种手段;因此,本质上该模型属于基于数学手段的唯象模型。Hansel-Spittel 模型由于具有结构简单、材料参数较少的特点被广泛应用于描述粘塑性材料的本构关系11-12,在 Forge 材料数据库中推荐使用此本构方程,其表达式如下:=Aexp(m1T)m2m3expm4()(1+)m5Texp(m7)m8TTm9(1)式中:为流变应力;A 为材料常数;m1为材料与温度相关的系数;m2为强化指数;m3为应变速率强化指数;m4为软化系数;m5为材料与温度相关的应变强化系数;m7为应变相关系数;m8为材料与温度相关的应变速率强化系数;m9为温度指数;T 为材料变形温度;为应变;为应变速率。对式(1)取自然对数得到:17 第 2 期罗应娜:34CrNiMo6 曲轴热成形工艺研究及优化图 1 34CrNiMo6 在不同温度及应变速率下的真实应力-真实应变曲线(a)950(b)1000(c)1050(d)1100(e)1150 Fig.1 True stress-true strain curves of 34CrNiMo6 at different temperatures and strain ratesln=lnA+m1T+m2ln+m3ln+m4+m5Tln(1+)+m7+m8Tln+m9lnT(2)对 4 个应变率和 5 个变形温度下,应变为 0.020.7、间隔 0.02 的应力数据进行取值,共计 700(4535)组数据,用于构建多元线性回归模型:ln1ln2lnn|=1T1ln1ln11/1T1ln(1+1)1T1ln1lnT11T2ln2ln21/2T2ln(1+2)2T2ln2lnT21Tnlnnlnn1/nTnln(1+n)nTnlnnlnTn|+e1e2en|(3)式中:为回归系数,=lnAm1m2m3m4m5m7m8m9;n为第 n 组应力;Tn为第 n 组的温度;n为第 n 组的应变速率;n为第 n 组的应变;en为第 n 组的误差,服从正态分布。表 2 回归系数取值及在 95%置信概率下的置信区间Tab.2 Values of regression coefficient and confidence interval under 95%confidence probability系数lnAm1m2m3m4m5m7m8m9上限75.937140.0082210.264718-0.15452-0.00825-0.003250.4218690.000209-19.3314取值99.594710.0120260.340933-0.10648-0.00495-0.002560.8684030.000254-15.3567下限123.252300.0158310.417149-0.05845-0.00165-0.001861.3149360.000300-11.3820 试验和拟合应力-应变曲线如图 2 所示,由图可知,试验数据采样点和拟合曲线的吻合程度较高,这说明 Hansel-Spittel 模型适用于该类型材料的本构关系构建,所有试验数据取样点的平均相对误差为2.51%;此外,采用多元线性回归能够简单、高效、快速、精确地对34CrNiMo6 材料的本构方程进行拟合。1.3 热加工图34CrNiMo6 是一种典型的难加工材料,构建其热加工图可以为材料的热加工工艺提供依据,进而达到控制材料组织演变的目的。热加工图的概念最27塑性工程学报第 30 卷图 2 34CrNiMo6 在不同温度及应变速率下试验和拟合应力-应变曲线(a)950(b)1000(c)1050(d)1100(e)1150 Fig.2 Test and fitting stress-strain curves of 34CrNiMo6 at different temperatures and strain rates初由 PRASAD Y V R K 等13提出,金属变形时吸收的总能量 P 等于发生塑性变形消耗的能量 G(大部分转化为热能、少部分以晶体缺陷能的形式存储)和微观组织演变的消耗的能量 J 总和,如式(4)所示。P=G+J=0d+0d(4)其中,发生塑性变形消耗的能量和组织演变消耗的能量的比值定义为应变速率敏感系数 m:m=dJdG=dlndln(5)当金属处于非线性能量耗散时,可以引入能量耗散率 表征组织演变消耗能量的比例,通常能量耗散率越大,组织演变耗能越大,组织形态变化越大,热加工性能越好,其定义如下:=2mm+1(6)当系统产生熵的速率与外加熵的速率不匹配时,系统将发生流动失稳。此时材料发生失稳流变,进而可能会导致金属内部产生绝热剪切带、局部流动、裂纹、扭折和机械孪晶等缺陷。=lnmm+1()ln+m(7)式中:为失稳判据。根据上述定义并对本构方程进行微分处理,得到该材料在应变为 0.1 和 0.8 时的 m、等高线,如图 3 所示。由图可知,不同变形量下,材料的 m、和 等高线分布接近,即材料失稳高风险区位于低温、高应变速率区域。在温度为1350 K,应变速率为 0.001 s-1区域 m、和 都比较大,材料在这些区域热加工时,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;因此从热加工图分析结果,可将锻造温度设置为 1350 K、应变速率设置为0.001 s-1。2 有限元模型某八缸曲轴锻件图如图 4 所示,其质量达到620 kg,总长度约 3 m。根据锻件的尺寸和质量初步选择坯料的规格尺寸为 240 mm2700 mm(959 kg)。某锻造厂该曲轴的初步制造工序为:下料预热预锻终锻切边热处理校直。为了节省锻造工序,提高生产效率,锻造厂要求取消预锻,直接使用一次锻造成形,即将原工序更改为:下料预热终锻切边热处理校直。为了研究该工艺的可行性以及对成形工艺进行分析和优化,37 第 2 期罗应娜:34CrNiMo6 曲轴热成形工艺研究及优化图 3 材料在温度和应变速率上的 m、等高线(a)=0.1,m(b)=0.1,(c)=0.1,(d)=0.8,m(e)=0.8,(f)=0.8,Fig.3 Contour lines of m、at temperature and strain rate of material图 4 某大型八缸曲轴锻件Fig.4 Forging of a large eight-cylinders crankshaft首先在 Forge 软件中构建该曲轴锻造成形的有限元模型,有限元仿真参数如表 3 所示,材料流变数据使用1.2 节构建的本构方程,分析热加工图结果可将锻造温度设置为 1350 K,变形速率设置为 0.001 s-1。表 3 有限元模拟参数Tab.3 Finite element simulation parameters初始温度/K坯料模具下压速度/(mmmin-1)网格数目混合摩擦模型坯料上模下模库伦剪切传热系数/(Wm-2K-1)135050025020000010000100000.150.32000047塑性工程学报第 30 卷 锻造仿真结果如图 5 所示,由图可知,型腔局部区域坯料未能填充满。此外,终锻后材料分布于飞边区域的比例较大,进而导致材料利用率低下(材料利用率约 65%),且不能填满型腔;因此,当前工艺存在材料利用率低、填充效果差的缺陷。图 5 锻件仿真结果Fig.5 Forging simulation results3 工艺优化及生产试制原始工艺存在材料利用率低,局部区域欠填充等问题,为了进一步优化成形效果,从坯料尺寸、终锻模具结构两方面进行优化设计。3.1 坯料尺寸商用 34CrNiMo6 钢 棒 规 格 有 220、230、240 和 250 mm。为了研究这些规格的材料的成形效果,分别取直径为 220、230 和 250 mm 的棒料进行锻造成形仿真,结果如图 6 所示,由图可图 6 不同直径坯料终锻效果(a)220 mm(b)230 mm(c)250 mmFig.6 Final forging effects of billets with different diameters知,直径为 220 mm 时,型腔欠填充区域较多;直径为 230 mm 时,型腔的欠填充区域较少;直径为250 mm 时,坯料能够完全填满型腔。随着直径的增加,坯料的体积增加,填充效果变好,然而材料利用率也会降低。因此若模具结构不改变,在满足无欠填充的情况下,材料利用率很难提高。3.2 阻力坎和阻力沟考虑到提高材料的利用率,棒料直径必须减小。然而随着棒料直径的减小,型腔充填能力下降。从图 6a 可以发现,当棒料直径为 220 mm 时,锻件大部分区域已充填完整,只有局部区域没有充填完整。坯料在水平方向上的两侧有多余的金属流入飞边槽,这些流出的金属导致该区域在高度方向上没有足够的金属填充,因此这些区域出现充不满的问题。为了阻碍这些区域材料在变形早期流入飞边槽,引入阻力坎、阻力沟结构,如图 7 所示。由图可知,在图 6a 材料过早流入飞边槽的区域添加一些阻力坎和阻力沟,可预防坯料过早的流入飞边槽,进而在减少坯料直径的同时保证充填完整。图 7 添加阻力坎、阻力沟前后的模具局部图(a)添加前(b)添加后Fig.7 Partial drawings of die before and after adding resistance wall and resistance ditch(a)Before adding(b)After adding57 第 2 期罗应娜:34CrNiMo6 曲轴热成形工艺研究及优化图 8 所示为坯料尺寸为 220 mm、模具添加阻力坎和阻力沟后锻造成形过程的仿真结果,由图可知,坯料顶部首先与模具接触,随后坯料被挤压,材料向飞边槽方向流动,由于阻力坎的存在,向飞边槽流动的材料被阻碍,导致材料只能被迫往上型腔区域流动,进而使得型腔被迫充填完整。在坯料尺寸 220 mm2650 mm 的情况下,型腔仍然能够充填完整,成形性能良好,而且没有折叠和充不满等锻件缺陷,能够锻造出满足工艺要求的大型八缸曲轴锻件,此时的材料利用率约为 78%。图 8 不同上下模间隙下的锻造过程填充示意图(a)80 mm(b)50 mm(c)20 mm(d)5 mmFig.8 Schematic diagrams of filling in forging process with different upper and lower mold clearances3.3 生产试制图 9 为使用优化设计模具结构和坯料得到的数值仿真结果和试制结果。试制结果表明,得到了成形效果良好的八缸曲轴锻件,无折叠和欠填充等锻造缺陷,各方面指标也达到设计要求,锻件成形效果与模拟结果基本一致。采用一次锻造成形替换预锻、终锻成形工艺的可行性得到了验证;此外,验证了数值模拟对曲轴锻造实际生产有较好的指导意义。图 9 仿真结果(a)和试制锻件(b)Fig.9 Simulation result(a)and trial forgings(b)图 10 所示为锻件 I、II 和 III 区域的微观组织图,由图可知,3 个区域的晶粒尺寸相差较小,因此曲轴锻件的微观组织比较均匀,晶粒度大约为 89 级,满足要求的晶粒度,这在一定程度上说明根据热加工图定制的锻造温度和速率能够对实际锻造工艺进行指导。4 结论(1)等温压缩试验表明,34CrNiMo6 材料为对应变速率和变形温度敏感材料。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,随后缓慢下降并趋于平稳。这是因为材料在高温下动态回复和动态再结晶软化行为与加工硬化行为之间共同作用的结果。当应变速率较高、变形温度较低时,随着应变的增加,应力逐渐上升并趋于平缓。这是由于动态再结晶软化需要高温提供激活能以及再结晶需要一定的时间,因而应变速率较大时,材料来不及发生动态再结晶,其软化效果有限。(2)Hansel-Spittel 模型适用于构建 34CrNiMo6材料的高温流变关系,使用 Hansel-Spittel 模型建立了材料的热加工图,热加工图表明:在温度为1350 K、应变速率为 0.001 s-1时 m、和 都比较大,这些区域材料在热加工时,具有较高的热加工稳定性,其动态回复、再结晶完全,得到的组织更细小、均匀。(3)通过有限元仿真技术,分析坯料尺寸、阻67塑性工程学报第 30 卷图 10 不同区域的微观组织(a)区域 I(b)区域 II(c)区域 IIIFig.10 Microstructure of different regions(a)Region I(b)Region II(c)Region III力坎结构对成形效果的影响,得到通过增加阻力墙可以在保证无锻造缺陷锻件的前提下,提高材料利用率。生产试制结果验证了采用一次锻造成形替换预锻、终锻成形工艺的可行性;此外,微观组织分析也验证了根据热加工图推荐的锻造温度和变形速率能够得到细小均匀的组织。参考文献:1 李亨,张振威,李润,等.船用曲轴 S34MnV 钢的物理基参数本构模型及热加工图 J.塑性工程学报,2021,28(1):131-137.LI Heng,ZHANG Zhenwei,LI Run,et al.Physically based pa-rameter constitutive model and hot processing map of marine 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