基于Deform-3D的支柱鍛造工藝分析

文/朱巖，陳士偉，李躍剛，林德峰·中車齊齊哈爾車輛有限公司

支柱是鐵路貨車制動系統(tǒng)中的關鍵零部件，影響著鐵路貨車的運行品質(zhì)和行車安全。利用Deform-3D模擬軟件對支柱進行數(shù)值模擬，對成形過程的速度場、溫度場、應力場、應變場及打擊力進行了分析，揭示了支柱鍛造過程的成形規(guī)律，成形效果良好，驗證了鍛造方案、模具設計及設備選型的合理性，最終應用到了實際生產(chǎn)中。

支柱是鐵路貨車制動系統(tǒng)中的關鍵零部件，安裝于制動梁中間位置(圖1)，與制動杠桿和游動杠桿相連，起到傳遞制動力和牽引力的作用，直接影響著鐵路貨車的運行品質(zhì)和行車安全。支柱成品如圖2所示，材質(zhì)為Q235A。由于支柱外形尺寸較為復雜，傳統(tǒng)的試錯法，會增加制造成本，延長試制周期，因此采用有限元分析技術揭示支柱的成形規(guī)律，對實際生產(chǎn)提供指導是十分必要的。

模擬方案制定

根據(jù)我公司現(xiàn)有設備，鍛壓設備選擇2500t高能螺旋壓力機，采用中頻感應爐進行加熱，經(jīng)過工藝分析，支柱毛坯設計如圖3所示，選用φ70mm的圓鋼作為原材料，坯料加熱溫度為1150℃～1200℃，模具預熱溫度為150℃～200℃，加熱將坯料放置在終鍛模中心，穩(wěn)定后進行終鍛。

鍛造模擬過程分析

前處理模擬參數(shù)設定

坯料網(wǎng)格劃分數(shù)量為76521個；上模速度設為300mm/s，每步步進0.75mm，庫倫摩擦系數(shù)設定為0.3；選用性能近似Q235A材質(zhì)的AISI-1025鋼作為替代材料進行模擬，考慮到坯料加熱后搬運過程中的熱損失，設置坯料鍛造前溫度為1150℃，上下模具溫度為150℃，設置模擬過程中環(huán)境溫度為20℃，與空氣對流換熱系數(shù)為0.02N/smm℃，坯料與模具熱傳導系數(shù)為11N/smm℃。

模擬前初始狀態(tài)

采用Creo2.0軟件進行支柱模具三維建模，如圖4所示，為了使坯料放置時更加平穩(wěn)，將坯料斜置于支柱尾部型腔中進行定位，坯料與模具的初始位置如圖5所示。

變形過程分析

當上模接觸到坯料并向下擠壓時，前后兩側(cè)多余金屬被擠壓出模具型腔，此時支柱頭部開始成形，如圖6(a)所示；被擠出的多余金屬迅速冷卻，變形抗力增加，在橋部形成阻力帶，有利于金屬填充深處型腔，此時支柱頭部逐漸成形如圖6(b)所示，隨著上模繼續(xù)向下運動，支柱整體逐漸擠壓成形，支柱中間部位最晚參與變形，部分金屬開始流向模具飛邊橋部,如圖6(c)所示，當變形過程運行到100步時，高度方向上的多余金屬沿橋部流入倉部，金屬充滿模樘，無缺肉位置，此時變形完成,如圖6(d)所示。

溫度場、應力場、應變場分析

對坯料成形過程的溫度場進行分析，在整個終鍛過程中坯料與模具、環(huán)境進行熱交換。圖7為坯料終鍛完成時的溫度場分布，坯料初始溫度為1150℃，從模擬結(jié)果可以看出，坯料心部溫度基本未發(fā)生變化，而與型腔接觸的外表面溫度稍有下降，但仍保持在1050℃左右，頭部溫度下降最大；由圖8可以看出，頭部也是等效應力最大的位置，等效應力值達到180MPa，反映出此處是抗力最大的位置，整體等效應力分布較為均勻；由圖9等效應變分布可以看出，坯料成形后期，頭部的應變較大，金屬變形最劇烈。

打擊力分析

圖10為支柱成形過程中所需的打擊力-位移曲線，支柱成形過程中所需的最大成形力為2360t，2500t螺旋壓力機可以滿足工藝需求。

生產(chǎn)驗證

通過對支柱成形過程進行模擬，驗證了鍛造方案、毛坯設計、模具設計以及鍛造設備選型的合理性，并且該方案已經(jīng)運用到實際生產(chǎn)中，支柱毛坯產(chǎn)品如圖11所示，實際生產(chǎn)中，支柱各位置充填飽滿，棱角清晰，飛邊分布均勻。

結(jié)論

利用Deform-3D模擬軟件對支柱的成形過程進行數(shù)值模擬，對其成形過程、溫度場、應力場、應變場及打擊力進行了分析，得出以下結(jié)論：

⑴支柱在成形過程中，整體溫度下降較小，頭部的變形抗力最大，變形最劇烈，各位置充型良好，沒有缺肉等缺陷，支柱成形過程中所需的最大成形力為2360t。

⑵通過模擬分析，揭示了支柱鍛造過程的成形規(guī)律，驗證了鍛造方案、模具設計及設備選型的合理性，為實際生產(chǎn)提供了準確的預測，最終生產(chǎn)出合格的支柱產(chǎn)品。