353130B 型軸承后擋鍛造工藝研究

FMMM

2021年5月17日 13:17

353130B 型后擋是鐵路貨車K6 轉向架輪軸組成上的重要零件，作為軸承附件起到保護及固定軸承的作用，其技術狀態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 高能螺旋壓力機作為后擋的鍛造設備，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。

根據最新圖紙要求，增加了50 #鋼作為后擋的選用材質，為實現降本增效，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有的φ100mm方案及50 #鋼的三種下料方案進行對比分析，來揭示后擋成形過程中的變形規律，對比不同下料方案對模具磨損的影響，確定50 #鋼方案最優下料尺寸。

工藝模擬

采用Creo 軟件對模具進行三維建模，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。

圖3 后擋鍛模

模擬參數設定

由于有限元數值模擬計算是一種近似數值算法，所以模擬參數的選擇就顯得尤為重要，為了模擬更加精確，對后擋模鍛過程進行溫度模擬，后擋坯料網格劃分數量均為50000 個，后擋上下模具網格劃分數量均為70000 個，根據現場實際工況，后擋坯料的加熱溫度為1200℃，室溫為20℃，與空氣對流換熱系數為0.02 N/(sec·mm·℃)，庫倫摩擦系數設定為0.3，選用AISI-1035 和AISI-1050 材料進行模擬，上下模具初始預熱溫度均為150℃，上下模具每步步進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，預測不同下料方式在后擋模鍛過程中磨損量，其表達式為：

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 為標準常數，對鋼而言，a、b 取1，c 取2；K 為與材料特性相關的常數，K=2×10 -6；H 為模具初始硬度(HRC)。

模擬初始位置

現有方案采用φ100mm 的圓鋼進行下料，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，直接進行終鍛。

圖4 現有方案鐓粗初始位置

圖5 現有方案終鍛初始位置

圖6 50 #鋼方案終鍛初始位置現有方案鐓粗模擬

模擬到99 步時，停止模擬，鐓粗模擬結果如圖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℃，心部溫度基本未發生下降，溫度場分布如圖8 所示。

圖7 鐓粗模擬結果

圖8 鐓粗后溫度場

終鍛模擬

按鐓粗模擬溫度場及變形結果進行現有方案終鍛模擬，并對50 #鋼三種不同下料方案進行終鍛模擬，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，無缺肉現象。

圖9 不同下料方案的變形結果及等效應力分布

不同下料方案等效應力分布有所差異，等效應力可以反映出金屬變形時的變形抗力，采用φ100mm 的35 #鋼進行下料，在變形完成時，中間連皮處的等效應力較50 #鋼3 種下料方案大，這說明，在坯料完成同樣目標厚度的變形時，采用φ100mm 的35 #鋼進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，它的等效應力最大；φ180mm×37mm的下料方案等效應力最小，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

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 #鋼下料方案所需設備打擊力最小，為2350t，不同下料方案的打擊力變化規律與等效應力分布情況相吻合。

圖11 不同下料方案所需打擊力

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量，在實際生產中需要對該位置的磨損情況重點關注。