有限元模擬技術(shù)在從板鍛造過程中的應(yīng)用

文／劉玉強，唐振英，朱巖，張野·中國中車齊齊哈爾車輛有限公司

為滿足澳大利亞客戶需求，我公司在鑄造從板的基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)了16型、17型車鉤鍛造從板（圖1）。從板是鐵路貨車鉤緩裝置的重要配件，在車輛運行中，起到傳遞沖擊力和牽引力的作用，從板的質(zhì)量直接影響行車安全。鍛造從板的材質(zhì)為25MnCrNiMoA，成品重量為34kg。由于16型和17型從板結(jié)構(gòu)及尺寸基本相同，所以本文僅對17型車鉤從板的鍛造工藝進行研究，采用Deform-3D軟件對17型從板的鍛造過程進行仿真模擬，為16型、17型從板的生產(chǎn)提供理論依據(jù)和支撐，縮短試制周期。

圖1 16型和17型車鉤鍛造從板

圖2 模鍛方案

模擬方案制定

通過對17型從板進行初步的工藝分析，制定模鍛方案為鐓粗→拍扁→終鍛，如圖2所示。采用中頻感應(yīng)爐進行加熱，選用尺寸為φ130mm圓鋼作為坯料，坯料加熱溫度為1150℃，模具預(yù)熱溫度為150℃，鐓粗至250mm高，拍扁至90mm厚，然后將拍扁后的坯料放置在終鍛模中心，進行終鍛。

鐓粗過程模擬分析

前處理模擬參數(shù)設(shè)定

坯料尺寸為φ130mm×370mm，坯料網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為102546個；上模速度設(shè)為500mm/s，每步步進1mm，庫倫摩擦系數(shù)設(shè)定為0.3；選擇25MnCrNiMoA作為模擬材料，坯料加熱溫度為1150℃，上下模具溫度為150℃，設(shè)置模擬過程中環(huán)境溫度為20℃，與空氣對流換熱系數(shù)為0.02 N/s·mm℃，坯料與模具熱傳導(dǎo)系數(shù)為11 N/s·mm℃。

變形過程分析

將坯料鐓粗至250mm高，此時坯料上下表面溫度下降明顯，降低至890℃左右，其他位置只與空氣發(fā)生熱交換，且成形時間較短，加之坯料塑性變形對坯料溫度補償，所以除上下表面，其他位置溫度基本沒變或略有升高。鐓粗變形中，坯料的最大變形抗力為181t，鐓粗過程分析如圖3所示。

圖3 鐓粗過程分析

拍扁過程模擬分析

繼承鐓粗的模擬數(shù)據(jù)后，進行拍扁過程模擬，前處理的模擬參數(shù)與鐓粗模擬相同，將坯料鐓粗至90mm高，此時坯料與模具接觸表面溫度下降明顯，降低至940℃左右，其他位置只與空氣發(fā)生熱交換，溫度基本沒變。拍扁變形中，坯料的最大變形抗力為656噸，拍扁過程分析如圖4所示。

終鍛過程模擬分析

在進行17型從板終鍛模擬時，選取飛邊橋部厚度不同的3個方案（編號1#、2#和3#）進行鍛模設(shè)計，厚度h分別選擇2mm、4mm和6mm，繼承拍扁的模擬數(shù)據(jù)后，進行從板的終鍛模擬，前處理的模擬參數(shù)與拍扁模擬相同。

溫度場分析

1#、2#和3#方案成形后的溫度場變化基本相同，因此以2#方案為例進行溫度場分析，在從板表面及心部選取P1、P2、P3、P4和P5五個點進行熱力追蹤，得到曲線如圖5所示。從板表面P1點及P2點溫度下降較多，P1點成形后溫度降至942℃，這部分的熱量消耗主要是由于拍扁及終鍛過程中坯料與模膛發(fā)生大量的熱量交換造成的。從板表面的P3點及內(nèi)部P4、P5點在變形過程中溫度基本未發(fā)生較大變化，并在某一階段還略有上升，最終的心部溫度保持在1135℃左右。

圖4 拍扁過程分析

圖5 從板成形后溫度場及熱力追蹤曲線

圖6 從板成形后輪廓尺寸及應(yīng)變場

應(yīng)變場分析

從板熱鍛件最大厚度的尺寸為77.1mm±1mm，當(dāng)3種方案模擬到達(dá)名義尺寸77.1mm左右時，模鍛完成，模擬結(jié)束。從板成形后的輪廓尺寸及應(yīng)變場如圖6所示，相較于2#、3#方案，1#方案成形后坯料的輪廓尺寸最大，為426mm×359mm×77mm，坯料橋部的高應(yīng)變區(qū)分布最多，可以看出1#方案飛邊橋部的金屬變形程度最激烈，而3#方案飛邊橋部金屬變形程度相對較小。

圖7 從板成形后的應(yīng)力場

圖8 模鍛過程成形力曲線

應(yīng)力場分析

對從板成形后的應(yīng)力場進行分析如圖7所示，相較于2#、3#方案，1#方案坯料球面中心高應(yīng)力區(qū)分布最多，等效應(yīng)力達(dá)到275MPa；1#方案的橋部位置等效應(yīng)力最大，達(dá)到190MPa，等效應(yīng)力越大，意味著要使金屬產(chǎn)生塑性變形所需的能量越大。3#方案的橋部等效應(yīng)力小，值為150MPa，更有利于成形后多余金屬流向倉部。

成形力分析

對3種方案進行成形力分析如圖8所示，3種方案最終成形力分別為7180t、6380t和5330t，3#方案較1#方案成形力降低了26%。

坯料變形前期，飛邊的主要作用是阻礙金屬流向倉部，促使金屬向模具型腔內(nèi)流動；坯料變形后期，當(dāng)金屬已經(jīng)充滿型腔各個位置，繼續(xù)對坯料施加壓力是為了將多余金屬排出至飛邊倉部，使坯料變薄，以達(dá)到目標(biāo)厚度，此時的橋部又會阻礙型腔內(nèi)多余金屬沿橋部向倉部流動。橋部厚度過小增加變形后期坯料減薄所需成形力，橋部厚度過大影響變形前期金屬的充型能力以及增加切邊難度。橋部厚度為6mm的3#方案充型完整，未發(fā)生缺肉，并且降低了終鍛成形的打擊力。

切邊過程模擬分析

搬運及切邊過程模擬分析

選擇3#方案的終鍛坯料作為切邊過程的模擬對象，對坯料搬運過程及切邊過程中發(fā)生的熱損失進行模擬分析，結(jié)果顯示坯料搬運過程飛邊溫降嚴(yán)重。在繼承搬運過程數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行將從板球窩向上，模擬結(jié)果顯示切邊過程上模所承受的最大變形抗力為304t，發(fā)生在切邊前期。

技術(shù)條件中，要求沿對角線測量從板背部平面度應(yīng)不大于1.5mm。選取從板中心P1點及對角線端點P2，分析切邊前后兩點的坐標(biāo)（圖9），從切邊前后P1和P2點Z軸坐標(biāo)可知：切邊前坯料的背部平整，未發(fā)生變形，平面度接近為0mm；切邊后從板背部發(fā)生變形，邊緣上翹，平面度為1.7mm。

改進措施

針對切邊后背部變形問題提出解決方案，將從板球窩向下進行切邊，并對該方案進行了模擬分析，結(jié)果顯示切邊過程上模所承受的最大變形抗力為253t，發(fā)生在切邊前期。該方案切邊后P1和P2點Z軸坐標(biāo)分別為-560.296和-560.229（圖10），可以認(rèn)為，切邊后從板基本未發(fā)生變形，變形問題得到解決。

圖9 切邊過程中坯料變形情況

圖10 切邊后的變形情況

生產(chǎn)驗證

通過對17型鍛造從板的鍛造過程進行模擬分析，結(jié)合我公司現(xiàn)有設(shè)備及該批次鍛造從板需求量少的情況，選用2500t螺旋壓力機作為從板的鍛壓設(shè)備，通過多次打擊成形來彌補設(shè)備噸位的不足。選擇模鍛方案為鐓粗→拍扁→終鍛，相關(guān)鐓粗高度、拍扁厚度等工藝參數(shù)與模擬參數(shù)相同，選擇橋部厚度h=6mm進行鍛模設(shè)計。

圖11 產(chǎn)品及飛邊實物

由于從板上表面需要刻打標(biāo)記，所以切邊時仍然選擇球窩向上進行切邊的方案，在切邊上模設(shè)置打標(biāo)記字頭，與2500t螺旋壓力機配套使用的是315t切邊壓力機，根據(jù)模擬結(jié)果，該設(shè)備可以滿足生產(chǎn)需求。

模擬方案成功地運用到16型和17型從板的實際生產(chǎn)中，打擊2～3次完成模鍛，從板和飛邊實物如圖11所示。切邊實物與切邊模擬結(jié)果基本相同，對從板背部進行平面度尺寸檢測，發(fā)現(xiàn)從板的平面度尺寸為1.2～1.6mm，小部分從板平面度尺寸超差。切邊過程發(fā)生了變形，與模擬預(yù)測相同，如果后續(xù)生產(chǎn)變更打標(biāo)記位置，可以采用球窩向下切邊的方案來解決這個問題。

結(jié)論

通過對17型從板鍛造工藝進行模擬研究，得到以下結(jié)論：

⑴制定了鐓粗→拍扁→模鍛的鍛造工藝方案，鐓粗至250mm高，拍扁至90mm厚，鍛模的飛邊橋部厚度設(shè)計為6mm，既保證充型完整又降低了從板的成形力，選擇2500t螺旋壓力機和315t壓力機作為鍛壓和切邊設(shè)備，工藝方案制定合理，成功的應(yīng)用到16型和17型從板的生產(chǎn)中。

⑵對切邊進行模擬，預(yù)測了球窩向上切邊時，會導(dǎo)致從板背部發(fā)生變形的問題，長度方向兩端上翹，從板背部的平面度模擬預(yù)測值為1.7mm，實測值為1.2～1.6mm，模擬預(yù)測準(zhǔn)確；后續(xù)生產(chǎn)中如果改變刻打標(biāo)記位置，選擇球窩向下進行切邊，可以解決變形問題。