353130B 型軸承后擋鍛造工藝研究

文/楊海峰·中車齊齊哈爾車輛有限公司

353130B 型后擋是鐵路貨車K6 轉(zhuǎn)向架輪軸組成上的重要零件，作為軸承附件起到保護(hù)及固定軸承的作用，其技術(shù)狀態(tài)直接影響車輛的運行安全，組裝位置如圖1 所示，加工后的后擋成品如圖2 所示。

圖1 后擋組裝示意圖

圖2 后擋成品

工藝分析

353130B 型后擋為典型的圓環(huán)類鍛件，截面積分布均勻。目前，我公司采用2500t 高能螺旋壓力機(jī)作為后擋的鍛造設(shè)備，原材料為直徑φ100mm 的35#鋼，采用鐓粗+終鍛的開式模鍛方式，并配合切邊和沖孔工序完成后擋毛坯生產(chǎn)。

根據(jù)最新圖紙要求，增加了50#鋼作為后擋的選用材質(zhì)，為實現(xiàn)降本增效，變廢為寶，我們決定采用不合格的50#鋼鍛造車軸作為原材料進(jìn)行后擋的鍛造，我們將不合格車軸加工成φ160mm、φ170mm和φ180mm 三個尺寸，確定后擋下料尺寸分別為φ160×46mm、φ170×41mm和φ180×37mm，采用Deform有限元分析軟件對現(xiàn)有的φ100mm方案及50#鋼的三種下料方案進(jìn)行對比分析，來揭示后擋成形過程中的變形規(guī)律，對比不同下料方案對模具磨損的影響，確定50#鋼方案最優(yōu)下料尺寸。

工藝模擬

采用Creo 軟件對模具進(jìn)行三維建模，后擋終鍛模具如圖3 所示，采用Deform-3D 有限元模擬軟件對原有φ100mm 下料方案及50#鋼的φ160mm、φ170mm和φ180mm三個尺寸下料方案的模鍛過程進(jìn)行模擬，并做對比分析。原有鍛造方案模擬過程包括：鐓粗→終鍛；50#鋼下料方案模擬過程為終鍛。

模擬參數(shù)設(shè)定

圖3 后擋鍛模

由于有限元數(shù)值模擬計算是一種近似數(shù)值算法，所以模擬參數(shù)的選擇就顯得尤為重要，為了模擬更加精確，對后擋模鍛過程進(jìn)行溫度模擬，后擋坯料網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量均為50000 個，后擋上下模具網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量均為70000 個，根據(jù)現(xiàn)場實際工況，后擋坯料的加熱溫度為1200℃，室溫為20℃，與空氣對流換熱系數(shù)為0.02 N/(sec·mm·℃)，庫倫摩擦系數(shù)設(shè)定為0.3，選用AISI-1035 和AISI-1050 材料進(jìn)行模擬，上下模具初始預(yù)熱溫度均為150℃，上下模具每步步進(jìn)1mm。

為探究不同下料方式，了解金屬變形對模具磨損的情況，我們選用Archard 磨損模型，預(yù)測不同下料方式在后擋模鍛過程中磨損量，其表達(dá)式為：

其中，W 為磨損深度；P 為模具表面正壓力；v 為滑動速度；a、b、c 為標(biāo)準(zhǔn)常數(shù)，對鋼而言，a、b 取1，c 取2；K 為與材料特性相關(guān)的常數(shù)，K=2×10-6；H 為模具初始硬度(HRC)。

模擬初始位置

現(xiàn)有方案采用φ100mm 的圓鋼進(jìn)行下料，鐓粗初始位置如圖4 所示，終鍛初始位置如圖5 所示；50#鋼方案的下料尺寸為φ160mm×46mm、φ170mm×41mm和φ180mm×37mm，模擬初始位置如圖6 所示，無需鐓粗，直接進(jìn)行終鍛。

模擬到99 步時，停止模擬，鐓粗模擬結(jié)果如圖7 所示，此時坯料的厚度為40.9mm，最大直徑為171.8mm，99 步所得的坯料將作為終鍛坯料，此時所需打擊力為247t。鐓粗后，與模具接觸的上下表面溫度下降較快，變形后上下表面下降到950℃，心部溫度基本未發(fā)生下降，溫度場分布如圖8 所示。

終鍛模擬

按鐓粗模擬溫度場及變形結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)有方案終鍛模擬，并對50#鋼三種不同下料方案進(jìn)行終鍛模擬，坯料變形到厚度為37.5mm 左右時停止模擬，模擬結(jié)果如圖9 所示。由圖9 可以看出，不同下料方案的坯料，鍛造完成時，均充滿型腔，無缺肉現(xiàn)象。

圖4 現(xiàn)有方案鐓粗初始位置

圖5 現(xiàn)有方案終鍛初始位置

圖6 50#鋼方案終鍛初始位置現(xiàn)有方案鐓粗模擬

圖7 鐓粗模擬結(jié)果

圖8 鐓粗后溫度場

圖9 不同下料方案的變形結(jié)果及等效應(yīng)力分布

不同下料方案等效應(yīng)力分布有所差異，等效應(yīng)力可以反映出金屬變形時的變形抗力，采用φ100mm 的35#鋼進(jìn)行下料，在變形完成時，中間連皮處的等效應(yīng)力較50#鋼3 種下料方案大，這說明，在坯料完成同樣目標(biāo)厚度的變形時，采用φ100mm 的35#鋼進(jìn)行下料所需的打擊力最大，這是由于該方案鐓粗時存在一定的熱量損失，溫度降低，如圖10 所示，導(dǎo)致金屬變形抗力增大。雖然φ160mm×46mm下料方案厚度方向上變形量最大，最容易使難充型的位置充滿，但是，在50#鋼3 種下料方案中，它的等效應(yīng)力最大；φ180mm×37mm的下料方案等效應(yīng)力最小，分布最平均，平均值在72MPa左右。

圖10 不同下料方案的溫度場分布

圖11 不同下料方案所需打擊力

圖12 不同下料方案上模磨損量分布情況

不同下料方案所需打擊力如圖11 所示，φ100mm 的35#鋼下料方案所需打擊力最大，為2700t，φ180mm×37mm的50#鋼下料方案所需設(shè)備打擊力最小，為2350t，不同下料方案的打擊力變化規(guī)律與等效應(yīng)力分布情況相吻合。

圖13 不同下料方案下模磨損量分布情況

不同下料方案對上模的磨損量分布情況如圖12所示，由圖12 可以看出，φ100mm 的35#鋼下料方案對上模磨損最小，在50#鋼3種下料方案中，φ160mm×46mm下料方案對上模的磨損最大，φ180mm×37mm 的下料方案對上模的磨損最小，單次鍛造的磨損深度在1×10-6～4× 10-6mm 之間，并且可以預(yù)測上模最可能由于磨損失效的位置是上模的凸臺圓角處，該位置磨損過大，會導(dǎo)致切邊沖孔時，沖孔處的厚度增加，降低沖孔模具刃口的使用壽命及沖孔質(zhì)量，在實際生產(chǎn)中需要對該位置的磨損情況重點關(guān)注。

不同下料方案對下模的磨損量分布情況如圖13所示，磨損量的分布規(guī)律與上模相似，φ100mm 的35#鋼下料方案對下模磨損最小，下模磨損最大位置在連皮凸臺平面，由于連皮最終將被切掉，所以該處磨損對后擋的毛坯生產(chǎn)影響不大。

生產(chǎn)驗證

從成形結(jié)果、材料利用率、模具壽命等方面考量，最終選擇φ180mm×37mm的尺寸進(jìn)行實際生產(chǎn)，最終得到了合格的鍛造毛坯如圖14 所示。

圖14 后擋鍛造毛坯實物

結(jié)束語

通過對不同下料方案的后擋鍛造過程進(jìn)行模擬，對變形過程中溫度場、等效應(yīng)力場、打擊力分布、模具磨損量等工藝參數(shù)進(jìn)行對比分析，揭示后擋變形過程中的成形規(guī)律，用于指導(dǎo)生產(chǎn)，最終確定了采用φ180mm×37mm 的尺寸作為50#鋼的下料方案，并經(jīng)實際生產(chǎn)驗證，該方案可行。