孫瑞環(huán)，宋建麗，杜詩(shī)文，張亦工，趙國(guó)棟

（1.太原科技大學(xué)，山西 太原 030024；2.太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024）

0 引言

車軸作為火車行走部分的重要部件，其產(chǎn)量和質(zhì)量直接影響著鐵路生產(chǎn)力的發(fā)展。使用快鍛機(jī)鍛造車軸生產(chǎn)過(guò)程包括倒棱、滾圓、成形等基本工步，其中倒棱滾圓作為初始鍛造工步，兼有傳統(tǒng)工藝的拔長(zhǎng)作用，是改善鍛件性能的重要部分[1]。眾多研究表明，影響鍛件質(zhì)量的因素包括三個(gè)方面：①鍛坯的形狀尺寸；②工藝參數(shù)；③砧子的形狀和尺寸。在諸因素中，砧子形狀和尺寸的影響最為明顯，是其他因素所不能替代的[2]。選擇合理的砧子形狀和尺寸不僅能顯著提高拔長(zhǎng)效果，而且易于在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用掌握。本文利用有限元軟件DEFORM對(duì)不同形狀砧子的方坯倒棱滾圓過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，比較它們?cè)阱懠牟慨a(chǎn)生的變形和應(yīng)力，以選擇一種最佳砧型。

1 有限元模型建立

選取列車用RD4型車軸作為模擬對(duì)象，初始建立的方形截面毛坯尺寸230mm×230mm，運(yùn)用四面體單元對(duì)其進(jìn)行離散，模擬材料模型由鐵道車軸生產(chǎn)用50鋼通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得。上下砧由于變形量很小，在模擬中設(shè)置為剛體。方柱網(wǎng)格如圖1所示。

圓弧砧的整形段長(zhǎng)度為240mm，即砧寬為240mm；平砧砧寬240mm；單砧壓下率均為20%，圓弧砧的相對(duì)送進(jìn)量為0.6，平砧相對(duì)進(jìn)給量為0.8[3]。模型中型砧材料均為H13，并設(shè)置為剛體，鍛造過(guò)程中不發(fā)生變形。為分析不同型砧對(duì)工件倒棱過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變壓實(shí)效果的影響。這兩種砧子的初始有限元模型見(jiàn)圖2。初始有限元模型的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 鍛件坯料網(wǎng)格模型

圖2 不同型砧有限元模型

表1 初始有限元模型主要參數(shù)

2 模擬結(jié)果分析與比較

2.1 倒棱過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變分析

鍛造過(guò)程中鍛件心部的應(yīng)力應(yīng)變狀況是決定鍛件質(zhì)量的重要指標(biāo)。在鍛造過(guò)程中應(yīng)保證鍛件內(nèi)部應(yīng)變盡量大，且在心部不存在拉應(yīng)力[4]。選取距鍛件端面450mm的一截面，分別對(duì)不同型砧壓下過(guò)程中該截面中心點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析和比較。

圖3為倒棱過(guò)程截面中心點(diǎn)應(yīng)力情況比較。其中（a）為初始?jí)合轮行狞c(diǎn)橫向應(yīng)力情況，（b）為翻轉(zhuǎn)90°壓下中心點(diǎn)橫向應(yīng)力。從圖中可看出，平砧鍛造過(guò)程中大于5%壓下率始終存在橫向拉應(yīng)力，如果較大的壓下率心部可能產(chǎn)生裂紋，而采用圓弧砧當(dāng)壓下率大于10%，拉應(yīng)力逐漸減小，轉(zhuǎn)換成壓應(yīng)力，并且隨壓下率的增大而增大，心部橫向應(yīng)力基本全是壓應(yīng)力，良好的應(yīng)力狀態(tài)，有利于鍛件心部缺陷的愈合。

圖3 截面中心點(diǎn)橫向應(yīng)力比較

綜合鍛件橫縱徑向的應(yīng)力狀態(tài)及生產(chǎn)效率，鍛件取20%的壓下率。采用20%壓下率，相對(duì)進(jìn)給量0.6的工藝。如圖4為鍛件滾圓后的應(yīng)變狀態(tài)分布圖?？煽闯觯秸铦L圓后心部的等效應(yīng)變較小，但也達(dá)到了1.37。而圓弧砧滾圓后心部等效應(yīng)變達(dá)到了1.57，并且較大的等效應(yīng)變?cè)诖伪韺右脖容^集中。較大的等效應(yīng)變有利于鍛件缺陷的愈合。根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，圓弧砧鍛造車軸倒棱滾圓時(shí)，鍛件心部能夠獲得較大等效應(yīng)變及較好的應(yīng)力狀態(tài)，鍛造效果較平砧更好。圓弧砧心部變形比較大，整體應(yīng)變量更加均勻，更容易鍛透組織，提高鍛件的鍛透性。鍛件的機(jī)械性能隨鍛透性的增加而增加[5-7]。

圖4 滾圓結(jié)束后鍛件截面等效應(yīng)變分布圖

2.2 滾圓后尺寸精度分析

圓弧砧與平砧倒棱結(jié)束后得到近似八棱柱，滾圓時(shí)為了壓遍所有的側(cè)棱，需要翻轉(zhuǎn)4次壓下，翻轉(zhuǎn)角度為45°。為了比較這兩種砧型滾圓效果與尺寸精度，在鍛件截面圓周上均勻選取12個(gè)點(diǎn)，對(duì)滾圓后的每一個(gè)點(diǎn)處的半徑值進(jìn)行分析和比較。

從圖5可看出，圓弧砧滾圓后各點(diǎn)的半徑值在理想值106附近浮動(dòng)，最大值106.7mm，最小值105.6mm，方差為0.3398，而平砧很明顯可見(jiàn)其各點(diǎn)的半徑值均大于理想值106mm，最大值為107.59mm，最小值106.1mm，方差0.5114；平均值直徑為212.3mm，而平砧倒棱滾圓后鍛件的平均直徑與理想直徑相比，平砧的增加了1%，測(cè)試點(diǎn)中4個(gè)點(diǎn)超出理想值1.42%。超出要求的最大值1.18mm，最大與最小直徑相差2.98mm，圓度不佳，需要增加工序進(jìn)一步滾圓?？傊?，從圓度與尺寸精度考慮，圓弧砧倒棱滾圓效果較好。

圖5 兩種砧型滾圓后截面各點(diǎn)半徑

3 結(jié)論

利用有限元軟件對(duì)平砧與圓弧砧的倒棱滾圓工藝進(jìn)行模擬。通過(guò)比較和分析得出以下結(jié)論：

（1）采用圓弧砧倒棱壓下率大于10%，鍛件心部拉應(yīng)力一直減小，拉應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，并且隨著壓下率的增加而增加。而平砧當(dāng)壓下率達(dá)到10%以后，拉應(yīng)力一直存在，這對(duì)鍛件心部的缺陷愈合非常不利，容易產(chǎn)生心部裂紋。

（2）滾圓后的應(yīng)變結(jié)果表明，采用圓弧砧倒棱滾圓后在鍛件內(nèi)部得到較大的等效應(yīng)變，而且應(yīng)變分布比較均勻，能夠提高鍛透性。較大的變形量能更好地愈合內(nèi)部缺陷。

（3）從圓度與尺寸精度分析，圓弧砧倒棱滾圓得到的鍛件圓周上各點(diǎn)半徑方差小于平砧，半徑值的浮動(dòng)較小，圓度較好。各個(gè)點(diǎn)半徑值也都在理想值106mm附近較小浮動(dòng)，滿足了精度要求；而平砧得到的鍛件精度圓度方面都不如圓弧砧。

[1] 呂 炎，等.非對(duì)稱拔長(zhǎng)最佳工藝參數(shù)的研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)科學(xué)研究報(bào)告，1982，11.

[2] 呂 炎，等.大型鍛件非對(duì)稱拔長(zhǎng)工藝的有限元分析[J].金屬科學(xué)與工藝，1985，4（9）.

[3] 付 強(qiáng).大型軸類鍛件鍛造過(guò)程的數(shù)值模擬研究[D].上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，西安：2008.

[4] 王雷剛，劉助柏，黃 瑤.平砧倒棱方柱體的數(shù)值模擬研究[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2001，8（4）：6-8.

[5] 周旭東，戴曉瓏，王國(guó)宜，等.基于剛塑性有限元的GFM精鍛鍛透性仿真[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，27（2）：1-3.

[6] Choi S K，Chun M S.Optimizat ion of open dieforging of round shapes using FEM analysis[J].Journal of Mat erial Processing T echnology 2006，172，88-95.

[7]Dr.Leonid Konev.采用四錘頭液壓機(jī)制造鐵路列車軸鍛件的成套設(shè)備[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2004，39（6）.