相位角120°锻造曲轴探伤磁痕产生机理及减轻方法

论文摘要

曲轴是内燃机中关键传动部件,其性能对内燃机的工作性能具有重要影响。由于锻造改性的优势明显,所以当前曲轴铸改锻工艺比较普遍。对于曲轴热锻成形工艺,材料自由缺陷、锻造工艺不恰当、工人实际操作偏差等均会造成许多产品缺陷,如裂纹、晶粒粗大、错移及折叠等。所以预防以及检测成形过程中的缺陷成为保证曲轴产品质量的关键。磁粉探伤是检测曲轴表面及皮下表层缺陷的一种重要的方式,通过探伤可以无损的检测出附在表层而肉眼无法观察到的细小裂纹,并且能够准确锁定裂纹的位置。通过磁粉探伤检测出来的缺陷或疑似缺陷统称为磁痕。目前曲轴磁痕的发生率比较普遍。本文以典型的相位角为120°的锻造曲轴为例,基于理化实验与数值模拟,分析了该曲轴磁痕产生的原因。通过理化试验得出:磁痕探伤得到的磁痕是表面微米级细小裂纹的一种显示;这些细小的裂纹是由于沿变形方向分布的化合物成分为MnS和MoS夹杂物暴露在曲轴表面脱落后形成的;曲轴内部组织存在较严重的带状组织,这些带状组织与夹杂物的形成同Mn、Mo及S元素的偏析有关。通过对曲轴锻造工艺的数字模拟,从坯料体内部自由缺陷在坯料变形过程中发生移动的角度来分析探伤磁痕总是集中在1、3、4、6号连杆轴颈分模面内侧及过渡圆角处分布的原因,提出将连续的坯料体分为表层优质层和中心次优质层的包覆结构假设,建立了相应的数值模型,在通过Deform 3D模拟出曲轴成形过程中这两层金属的流动与分布状态,获得了内部自由缺陷在锻件中的堆积趋势及原工艺下的成形速度场对优质层和次优质层流动的影响规律。结果表明:终锻结束后在1、3、4、6号连杆轴颈分模面内侧附近及过渡圆角处主要由中心次优质层金属填充并有厚度较薄的表层优质层金属,这些部位在机加工后中心此优质层金属直接大面积裸露在锻件表面,成为自由缺陷富集的危险区;终锻成形过程中连杆轴颈横截面上金属的单方向流动加大了自由缺陷在危险区的聚集趋势。最后依据分析结果,从原材料及锻造工艺方面提出了减轻曲轴磁痕的方法,优化了预锻模具连杆轴颈部位的筋板结构,根据模拟结果对比原工艺和优化工艺,发现预锻模具修改后,终锻中后期在连杆轴颈处金属流动的速度场实现了向两侧分流,该处内侧次优质层的宽度减少了28.9mm,优化后的工艺在减轻磁痕方面有更好的表现。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 曲轴成形工艺及其缺陷分析在国内外的研究现状
• 1.3 课题来源
• 1.4 本文研究目的和研究内容
• 1.4.1 本文研究目的
• 1.4.2 本文研究的主要内容
• 2 探伤磁痕
• 2.1 探伤磁痕及其设备
• 2.1.1 探伤磁痕的定义
• 2.1.2 探伤设备简介
• 2.2 影响探伤磁痕的主要因素
• 2.2.1 基体材质
• 2.2.2 原材料内部缺陷
• 2.2.3 产品成形工序
• 2.2.4 硬度
• 2.3 本章小结
• 3 刚粘塑性有限元理论
• 3.1 刚粘塑性有限元基本理论
• 3.1.1 塑性力学的基本方程
• 3.1.2 刚粘塑性材料本构关系
• 3.1.3 刚粘塑性有限元变分原理
• 3.2 体积成形数值模拟软件简介
• 3.2.1 DEFORM 简介
• 3.2.2 DEFORM 主要功能
• 3.2.3 DEFORM 系统组成
• 3.3 本章小结
• 4 81D 曲轴表层探伤磁痕形成机理分析
• 4.1 产品资料及问题原始描述
• 4.2 微观检测与分析
• 4.2.1 化学成分检测
• 4.2.2 光学显微镜观察
• 4.2.3 电镜观察偏析与夹杂物
• 4.2.4 结果讨论
• 4.3 曲轴锻造工艺数值模拟分析
• 4.3.1 工艺分析方向的确定
• 4.3.2 层状包覆结构假设
• 4.3.3 数值模型
• 4.3.4 辊锻成形工艺数值模拟分析
• 4.3.5 预锻成形工艺数值模拟分析
• 4.3.6 终锻成形工艺数值模拟分析
• 4.4 本章小结
• 5 曲轴磁痕减轻方法
• 5.1 材料方面
• 5.2 锻造工艺优化
• 5.2.1 优化方案（一）
• 5.2.2 其它方案
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录