利用有限元分析消除軸箱拉桿體折疊現象

王建武，王大勇，郭振明，周蓬磊，張雨溪

（1.大連機車車輛有限公司 鑄鍛分公司，遼寧 大連 116022；2.大連交通大學 軌道交通關鍵材料省重點實驗室，遼寧 大連 116028）

0 引 言

圖1所示軸箱拉桿體是八軸電力機車連接軸箱體的關鍵零件，承擔機車軸箱牽引和定位的作用，機車運行時提供合適的橫向及縱向剛度，以保證機車的平穩運行，要求軸箱拉桿體有較好的綜合力學性能。八軸電力機車為新型雙節重聯八軸大功率重載貨運交流傳動機車，軸箱拉桿體裝車量大，在25 000 kN高能螺旋壓力機模鍛成型試生產過程中，出現桿部筋板折疊現象，通過對出現折疊的鍛件進行統計，查閱相關資料，分析其折疊的原因，并利用有限元分析軟件對軸箱拉桿體鍛造成型過程進行模擬，其結果與實際生產吻合。通過更改制坯工藝，再次對其成型過程進行模擬，直至消除折疊缺陷，通過實際生產驗證，解決了成型鍛件折疊的問題，節省了試制成本，縮短了試制時間，提高了鍛件成型質量及合格率。

1 零件結構分析

軸箱拉桿體零件結構如圖1所示，外形為非加工鍛件，零件結構與其他拉桿類零件相似，但是連接兩端圓頭的中間筋板薄且深，最薄處僅為9 mm，深度為35 mm，中間連皮厚度為12 mm，模鍛成型時薄筋板處冷卻快，影響金屬流動性能，使筋板處較難充滿。

圖1 軸箱拉桿體

2 生產現狀及零件缺陷

根據軸箱拉桿體結構，為了保證筋板處能順利模鍛成型，工藝設計時增加自由鍛錘預變形工序，設計坯料在10 kN自由鍛錘變形，預變形毛坯外形符合軸箱拉桿體輪廓，然后在25 000 kN高能螺旋壓力機上模鍛成型。模鍛工藝設計在水平方向上分模，分模面法線方向與筋板方向垂直，桿部連皮處加工孔鍛造時不成型，兩端頭部端面為加工面，設計單邊加工余量為4 mm，鍛件拔模斜度為5°。為了在鍛制過程中，充分去除氧化皮，防止氧化皮在終鍛過程對鍛件尤其是薄筋板處的墊傷，影響成型鍛件表面質量，設計變形胎與終鍛模綜合使用，最終確定軸箱拉桿體鍛造工藝流程為：下料→加熱→制坯→加熱→終鍛→切邊→正火→清理→檢查[1]。

在鍛件小批量試生產過程中，鍛件出現了桿部筋板填充不足現象，嚴重者甚至出現折疊，廢品率超標；成型鍛件填充不足位置尺寸超出設計下偏差，不滿足設計要求，并且鍛件在折疊處易形成應力集中，影響鍛件的使用性能。

對首批試制的軸箱拉桿體鍛件進行統計，試制鍛件合格率僅為65%，出現筋板填充不足、折疊等缺陷的比例接近35%。對產生折疊的鍛件進行分析，發現鍛件出現折疊的位置大體相同，如圖2中A、B處所示，筋板A、B位置處均出現不同程度填充不足或折疊現象。

圖2 鍛件折疊位置及變形坯料實物

3 工藝分析

折疊是已氧化的表層金屬在金屬變形過程中匯合在一起。在成型零件上折疊是一種內患，不僅減小了零件的承載面積，而且工作時此處產生應力集中成為疲勞源。折疊的類型和形成原因有：①兩股（或多股）流動金屬對流匯合而形成；②一股金屬急速大量流動，將臨近的表層金屬帶著流動而形成；③變形金屬彎曲、回流并進一步發展而形成；④一部分金屬的局部變形被壓入另一部分金屬內形成[2,3]。

經過打磨發現，折疊的兩側有較嚴重氧化現象，并且深度較淺，分析軸箱拉桿體形成折疊的類型為第①種，桿部與頭部過渡處兩側金屬流動速度高于過渡處速度，成型過程中匯合形成折疊。通過分析軸箱拉桿體變形坯料（見圖2），變形坯料桿部與頭部過渡處圓角半徑大小不一致，有的圓角半徑過小，甚至出現尖點，其過渡處根部距離約105 mm，分析產生折疊的鍛件為圓角半徑過小的坯料，折疊部位在坯料桿部與頭部過渡處的圓角根部，由于該處金屬充填較慢，相鄰部分均已充滿時，此處仍缺少金屬，形成空腔，當繼續成型時，相鄰部分金屬匯流形成折疊。為了能直觀判斷折疊的產生原因是否正確，并合理地進行工藝改進，減少現場試制成本，擬采取有限元模擬輔助分析及優化工藝方案。

4 有限元分析

4.1 有限元分析介紹

有限元分析（finite element analysis，FEA）是指利用數學近似的方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬。該分析方法是利用簡單而又相互作用的元素，即單元就可以用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統[4,5]。設計繪制實體模型，并對其進行網格劃分，然后通過有限單元法模擬金屬成型過程，以獲得零件在成型過程中不同階段不同部位的應力分布、應變分布及金屬的流動情況。

4.2 模擬分析軸箱拉桿體鍛造成型過程

通過有限元分析軟件模擬軸箱拉桿體模鍛成型過程，根據圖2所示實物，實測變形坯料尺寸，以桿部與頭部過渡圓角較小的毛坯作為實測對象進行實體建模，繪制三維實體，導出.STL格式文件。同時繪制鍛模實體，并導出.STL格式文件，將坯料及鍛模.STL格式文件導入有限元分析軟件，設置模鍛成型過程參數，對軸箱拉桿體成型過程進行有限元模擬，觀察其成型過程。

模擬鍛造成型過程結束后，進入有限元分析后處理，觀察軸箱拉桿體筋板處成型過程，并調取流動速度分布，如圖3所示，發現拉桿體靠近端頭處筋板首先成型，隨后桿部金屬與過渡處金屬流動成型。但在成型過程中，過渡處金屬流動速度緩慢，桿部金屬充滿型槽時，過渡處金屬并未充滿。上模繼續下行，C、D處位置兩側金屬開始匯流，上、下模閉合時，最終形成折疊，與實際生產中出現的折疊相同。

圖3 流動速度分布

4.3 改進坯料并再次模擬鍛造成型過程

根據對模擬成型過程的觀察，確認產生折疊現象的原因，并改進坯料變形工藝，加大坯料桿部與頭部過渡處圓角半徑，以增加過渡處金屬流動性，減少過渡處金屬與桿部金屬流動速度差異性，使成型時兩處金屬同時充滿型槽，防止過渡處兩側金屬匯流形成折疊。對改進后的坯料再次進行成型過程模擬，模擬結果如圖4所示，飛邊大小及材料分配合理，觀察其成型過程，發現金屬流動狀態良好，坯料圓角過渡處金屬先于桿部金屬流動成型，最終充滿型槽，該位置未出現折疊，能夠生產合格的鍛件[6-8]。

圖4 工藝改進后模擬結果

4.4 實際生產驗證

利用10 kN自由鍛錘對改進后的坯料進行成型，加大變形時所用壓輥直徑，保證變形坯料圓角尺寸的穩定性。通過對改進后的制坯工藝再次進行小批量試制，成型狀態與模擬結果相符，未出現筋板充不滿或折疊現象，鍛件表面質量良好，尺寸符合工藝要求。

5 結束語

利用有限元分析軟件模擬軸箱拉桿體成型過程，能直觀地了解整個成型過程；針對模擬中出現的質量問題，及時改進鍛造工藝，以較低的成本，較快的周期解決生產中遇到的問題。將有限元分析方法同傳統鍛造工藝相結合，可解決軸箱拉桿體在實際生產中遇到的問題，節省了人力、物力。