數值模擬技術在鍛造上心盤上的應用

文／唐林，賈立壯，唐振英，朱巖·中車齊齊哈爾車輛有限公司

數值模擬技術在鍛造上心盤上的應用

文／唐林，賈立壯，唐振英，朱巖·中車齊齊哈爾車輛有限公司

鍛造上心盤為鐵路貨車上使用的重要零件，其成形方式主要是擠壓變形，給鍛造成形帶來很大困難。本文利用Deform數值模擬技術對鍛造上心盤在成形過程中的速度場、溫度場、應變場和成形力進行了模擬分析。通過模擬結果可以指導鍛造上心盤鍛造工藝方案的制定、模具設計和鍛造設備的選擇，優化工藝參數。

鐵路貨車上心盤為重要的承重零件，在列車運行過程中承受著復雜的動、靜態載荷。原有的上心盤為鑄造結構，難以滿足使用要求。采用鍛造工藝后可顯著提高上心盤的疲勞強度，提高其使用壽命。本文采用Deform數值技術對鍛造上心盤的成形規律進行了模擬分析，為鍛造工藝的制定提供可靠的理論依據。

產品結構特點

鍛造上心盤為圓盤類鍛件，其鍛造毛坯見圖1。該產品在厚度上尺寸較大，外圓錐臺高度較大，圓臍處凸出高度較大，周邊平板部分的厚度較薄。由于對該種鍛件主要是擠壓變形，因此在厚度方向的不均勻會給鍛造成形帶來很大的困難。

圖1 鍛造上心盤鍛造毛坯三維圖

Deform數值模擬技術簡介

Deform-3D軟件是針對復雜金屬成形過程的三維金屬流動分析的有限元模擬軟件，可以獲得金屬成形過程中的詳細規律，如溫度場、速度場、應力場、應變場以及載荷-行程曲線，廣泛應用于鍛造、擠壓、彎曲、軋制等成形過程的模擬分析。該軟件的理論基礎是修訂的拉格朗日定理，屬于剛塑性有限元法，其材料模型包括剛性材料模型、塑性材料模型、多孔材料模型和彈性材料模型。Deform-3D軟件有強大的網格劃分功能，當變形量超過設定值時自動進行網格重劃。在網格重新劃分時，工件的體積有部分損失，損失越大，計算誤差越大，Deform-3D在同類軟件中體積損失最小，其計算精度和結果可靠性在成形模擬領域內得到公認。

模擬過程分析

鍛造上心盤下料重量123.5kg，根據體積不變原則，確定下料規格為497mm×480mm×67mm。模擬過程中，中間各工步均繼承了前一工步的模擬計算結果。

參數設置

⑴材質選擇。

鍛造上心盤用材料為25Mn，在Deform-3D材料庫中并沒有該種材料，因而選擇材質相近的25#鋼進行模擬。將坯料劃分網格150000個，上下模具各劃分網格150000個。

⑵熱邊界條件。

坯料初始鍛造溫度為1100℃；各工步模具初始溫度設定為200℃；設置模擬過程中的環境溫度為20℃；對流換熱系數取0.02N/(s·mm·℃)；熱傳導系數11N/(s·mm·℃)。

⑶摩擦條件。

模擬過程中選用剪切摩擦條件，由于鍛造過程中使用了潤滑劑，因而摩擦系數設定為0.3。

⑷運動邊界條件。

上模具的運動速度為400mm/s。

成形過程中的速度場分析

圖2 鍛造成形初始狀態

圖3 鍛造成形速度場分布

對坯料成形過程的速度場進行分析，成形過程的初始狀態見圖2，成形過程中的速度場分布如圖3(a)～3(f)，從圖3(a)中可以看出，板料在變形初期為彎曲變形，板料在上模的作用下向下模型腔彎曲。隨著上模的繼續向下運動，上心盤的外圓錐臺、沖孔連皮、圓臍等部位逐漸成形。當變形進行到圖3(b)所示的第30步時，上心盤的外圓錐臺和沖孔連皮的下側開始成形。外圓錐臺在成形初期的變形方式為彎曲變形，隨后以擠壓的方式逐漸充滿型腔。當變形進行到圖3(c)所示的第40步時，圓臍部位開始逐漸成形，其成形過程是隨著沖孔連皮的形成而逐漸進行的，并最終以擠壓的方式充滿型腔。從整個成形過程來看，金屬流動平穩，主要以擠壓的方式成形，未出現折疊等缺陷。

成形過程中的溫度場分析

坯料的初始鍛造溫度為1100℃，模具的預熱溫度為200℃，環境溫度為20℃。在整個鍛造模擬過程中，坯料與模具、環境進行熱交換。從理論上來說，由于成形過程中坯料與模具、外部環境進行熱交換，坯料表面溫度較心部溫度降低更快。

從模擬的結果來看，在鍛造結束后，鍛造毛坯在中心截面上的溫度分布彩云圖(圖4)較為均勻。在中心截面上選取的P1、P2、P3、P4等四個標記點的溫度變化曲線見圖5(a)、5(b)，從圖5(a)中可以看出，P1～P4四個標記點所在位置的溫度變化規律大致相同，即隨著變形程度的增加，標記點處的溫度先緩慢上升，隨后到達溫度峰值，然后迅速降低至始鍛溫度左右。產生這樣的溫度變化是由于在鍛造成形過程中，一部分變形能轉化為熱能，由于成形速度較快，轉化的熱能不能通過坯料及時的傳遞給模具和環境，最終積蓄在坯料內部導致溫度的升高；當溫度升至峰值以后，由于坯料尺寸在厚度方向上的減小，坯料的散熱速度加快，坯料內部的溫度在達到峰值以后會出現較快的降溫。從整個模擬過程來看，坯料在鍛造過程中的溫度變化較為平穩，從圖5(a)可見，不同位置在整個鍛造過程中的最大溫差在30℃左右；從圖5(b)可見，成形結束后坯料內部溫度為1090～1110℃。

圖4 鍛造成形溫度場分布

圖5 標記點溫度變化曲線

成形過程中應變場分析

成形結束后鍛件的等效應變場見圖6，從圖6中可以看出，隨著變形的進行，坯料上各部位的等效應變逐漸增加，在變形初期的等效應變增加較緩慢，當金屬逐漸充滿型腔并產生飛邊以后，坯料各部位的等效應變迅速增加。當成形結束后，鍛件中心截面上的等效應變為0.595～1.940，凸臍附近的變形程度較其他部位大，因而等效應變最大。

成形過程中的成形力分析

圖6 鍛造成形等效應變場分布圖

圖7 標記點處等效應變變化曲線

圖8 成形力-位移曲線

成形過程中的成形力-位移曲線見圖8，最大成形力為20000t。在實際生產中可以根據選用的設備設計鍛造成形的次數和加熱火次。

結論

利用Deform-3D數值模擬技術對鍛造上心盤在成形過程中的速度場、溫度場、應變場和成形力進行了模擬分析。模擬結果表明，上心盤在鍛造過程中主要以擠壓方式成形，金屬流動平穩，未出現折疊缺陷；坯料在成形過程中與模具、環境進行熱交換，由于成形速度較快，坯料與外界熱傳遞時間短，散熱較少，同時一部分變形能轉化為熱能，抵消掉一部分溫度損失，因而坯料在終鍛結束后的溫度維持在1090～1100℃，溫度變化較為平穩；當成形結束后，鍛件中心截面上的等效應變為0.595～1.940，由于是板料擠壓成形，坯料在不同部位的擠壓變形程度差距較大；坯料在成形過程中的最大成形力為20000t。

通過對鍛造上心盤的成形模擬，可以指導鍛造上心盤鍛造工藝方案的制定、模具設計和鍛造設備的選擇、優化工藝參數、縮短產品的試制周期、降低試制成本。