基于Deform-3D 的支點座鍛造工藝分析

文/孫赫，朱巖，李潔·中車齊齊哈爾車輛有限公司

為進一步提高產品質量，保障貨運安全，我司開展了支點座鍛造方案研究。利用Deform-3D模擬軟件對支點座進行數值模擬，對成形過程中的溫度場、應力場、應變場及打擊力進行了分析，揭示了支點座鍛造過程的成形規律，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中。

目前，轉K6 型轉向架固定杠桿支點座(以下簡稱“支點座”)為鑄鋼件，總體運用情況良好，但也存在個別的因鑄造質量原因導致的支點座斷裂故障。為進一步提高產品質量，保障貨運安全，我司開展了支點座鍛造方案研究。支點座安裝于搖枕上(圖1)，與支點相連，成品如圖2 所示，材質為20#鋼。由于支點座各個位置截面積相差較大，外形尺寸較復雜，傳統的試錯法，會增加制造成本，延長試制周期，因此采用有限元分析技術分析支點座的成形規律，對實際生產提供指導是十分必要的。

圖1 支點座安裝位置

圖2 支點座成品

模擬方案制定

根據我公司現有設備，鍛壓設備選擇2t 模鍛錘，采用中頻感應爐進行加熱，經過工藝分析，支點座毛坯設計圖如圖3 所示，選用φ55mm 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，穩定后進行終鍛。

圖3 支點座毛坯

鍛造模擬過程分析

預處理模擬參數設定

坯料網格劃分數量為50000 個；上模速度設為300mm/s，每步步進0.8mm，庫倫摩擦系數設定為0.3；選用性能近似20#鋼材質的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℃，設置模擬過程中環境溫度為20℃，與空氣對流換熱系數為0.02 N/(smm℃)，坯料與模具熱傳導系數為11 N/(smm℃)。

模擬前初始狀態

采用UG8.0 軟件進行支點座模具三維建模，如圖4 所示，坯料與模具的初始位置如圖5 所示。

圖4 支點座模具

圖5 坯料與模具的初始位置

變形過程分析

當上模接觸到坯料并向下擠壓時，中部平板位置多余金屬被擠壓出模具型腔，此時支點座前端平板開始成形，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，此時支點座前端平板及中部小三角逐漸成形，如圖6(b)所示，隨著上模繼續向下運動，支點座整體逐漸擠壓成形，支點座尾部三角部位最晚參與變形，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66 步時，高度方向上的多余金屬沿橋部流入倉部，金屬充滿模膛，無缺肉位置，此時變形完成，如圖6(d)所示。

圖6 支點座成形過程

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℃，從模擬結果可以看出，坯料心部溫度基本未發生變化，而與型腔接觸的外表面溫度稍有下降，但仍保持在1040℃左右，平板中部位置溫度下降最大；由圖8可以看出，平板中部也是等效應力最大的位置，等效應力值達到129MPa，反映出此處是抗力最大的位置，尾部三角區域處等效應力較小，為32MPa；由圖9 等效應變分布可以看出，坯料成形后期，平板與三角交接位置的應變較大，金屬變形最劇烈。

圖7 溫度場分布

圖8 應力場分布

圖9 應變場分布

打擊力分析

圖10 為支點座成形過程中所需的打擊力—位移曲線，支點座成形過程中所需的最大成形力為1230噸，2t 模鍛錘可以滿足工藝需求。

圖10 打擊力—位移曲線

生產驗證

通過對支點座成形過程進行模擬，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，并已經將該方案運用到實際生產中，支點座毛坯產品如圖11 所示，實際生產中，支點座各位置充填飽滿，棱角清晰，飛邊分布均勻。

圖11 支點座毛坯產品

結論

利用Deform-3D 模擬軟件對支點座的成形過程進行數值模擬，對其成形過程、溫度場、應力場、應變場及打擊力進行分析，得出以下結論：

⑴支點座在成形過程中，整體溫度下降較小，平板中部的變形抗力最大，平板與三角區域交接位置變形最劇烈，各位置充型良好，沒有缺肉等缺陷，支點座成形過程中所需的最大成形力為1230 噸；

⑵通過模擬分析，揭示了支點座鍛造過程的成形規律，驗證了鍛造方案、模具設計及設備選型的合理性，為實際生產提供了準確的預測，最終生產出合格的支點座產品。