做和中心楔块精锻工艺及数值模拟

中心楔块精锻工艺及数值模拟

在分析中心楔块锻造工艺的基础上，结合成形过程的数值模拟，优化精锻模具和工艺参数，解决了锻件表面质量和尺寸精度要求高的难点，成功开发出中心楔块精锻成形生产工艺。

铁路货车运行速度和车辆载重的提高对缓冲和吸收货车车辆之间纵向冲击能量的关键部件——缓冲器的性能提出了更高的要求，迫切需要高容量、低阻抗力的新公告显示型缓冲器，因此研究开发对新型缓冲器的性能有很大影响的摩擦元件的制造工艺，是卜分有必要的。摩擦元件中的关键零件—中心楔块(见图1)，它倒装在缓冲器箱体中，底面直接承受车钩的冲击力，靠两个37°斜面与其他摩擦元什相互千摩擦来吸收能量。中心楔块工况恶劣，产品质量直接影响行车安全，需采用模锻工艺制造。

1．工艺分析

中心楔块外形复杂，属于叉口类锻件，底部相对于前部叉口的截面尺寸变化相当大，此外锻件的尺寸精度也超过了国标中精密锻件的要求。此外，两摩擦斜面的平面度要求0.2mm，表面氧化皮凹坑的大小、尺寸和分布也有严格要求，且由于机加工表而摩擦因子小，吸能性差，摩擦面必须直接锻造成形，不得采用机加工方式。因此中心楔块模锻成形的难点主要是摩擦斜面的直接锻造成形和高的尺寸精度要求。

根据中心楔块零件图，考虑到机械加工余量和公差，添加适量的余块，制定锻件精锻工艺弗劳恩霍夫化学技术研究院和客户将通过ACTC研发中心这个平台路线，见图2。为避免切边导致摩擦斜面变形，长槽部位连皮由机加工去除。根据现有的锻造工艺条件，决定采用空气锤出坯、摩擦压力机开式精锻成形，模锻吨位经验公式为：

计算所得的中心楔块模锻吨位为1475t，选用1600t摩擦压力机，配560kg空气锤出坯。

2．数值模拟分析

数值模拟分析的几何模型由Pro/E三维造型软件生成，然后形成STL格式文件，由体积成形模拟软件DE—F()RM 3D读取。由于中心楔块为上下及左右对称，可取工件的1／4进行分析，以降低解题规模和缩短计算时问。

在进行数值模拟分析时，考虑到锻件的叉口部位尺寸变化较平缓，初步设想用空气锤出方坯后直接终锻成形，这样可以节省预锻工序，工件和上模的三维几何模型见图3，模拟的结果见图4。这种精锻方案由于中心楔块的底部和叉部的截面尺寸相差较大，造成当底部有少许飞边形成时，叉部的顶端还未充满，而且形成了如停留在适合位置图4中圆圈部位所示折叠。因此必须增加卡压工序，将坯料端部由由于连接方式固定中心分向两边，而且卡压后坯料平移置人终锻模膛容易定位。

在进行预锻模拟分析时，用方坯成形，分析坯料变形情况可以发现，由于卡压模膛的底部深、前部浅，因此坯料在叉口部位不容易充满，见图5。在充分发挥自由锻出坯灵活多变的基础上，将出坯形状改为阶梯状，较好地解决了这个问题，最终优化后的的精锻工艺路线见图2。

对中心楔块精锻过程的模拟，采用基于刚粘塑性有限元法，上模视为刚体，坯料视为刚塑性体，划分了85000个四面体单元，锻造温度为1150℃，模具和坯料之间的接触为常剪应力摩擦，摩擦因子为0.3，上模压下速度为167mm／s；增量计算时，卡压行程为20mm，终锻行程为50mm，每次增量取0.5mm。

图6为终锻时坯料成形各个阶段的情况。图7为行程一载荷曲线(总载荷的1／4)，该图为卡压和终锻两个载荷叠加图，终锻的真实行程为图示数据减去卡压行程20mm。从图6和图7可以看出，在模具刚开始接触坯料的初始变形阶段，先成形底部的方孔，此时的载荷小而平稳(见图7中的A阶段，此阶段之前为空行程)。图7中的B阶段载荷上升较快，此时上模与坯料的接触面积增大，底部基本成形，开始形成初始的飞边(见图6c)。随着飞边的形成，坯料与上模开始紧密接触，载荷急剧增大(见图7中的c阶段)，依次经历了弹簧座(见图6d，圆圈为未充满部位)和叉部筋(见图6e)完全充满成形等阶段，最后打靠，最大载荷为17457kN，折算成摩擦压力机吨位为1425t，与计算吨位1475t相比差3．4％，比较吻合。

图8和图9分别是终锻后中心楔块的等效应变和等效应力，等效应变值主要在0.465～5.09，等效应力值主要在5．29～267MPa。等效应变和等效应力的最大值均出现在飞边和难成形的拐角部分，在修改模拟的模型、增大圆角后，等效应变和应力的最大值有所降低。

3．模具设计

中心楔块精锻模按负公差设计成形模膛的深度，保留图9等效应力留了一定的精整余量，拔模斜度按7。设计。为保证锻件的充满和棱角的清晰，选用了较小的角。

计算所得的飞边桥厚度接近4mm，根据设备规格选取了飞边桥部宽度12mm，但仓部宽度增加到75mm。

为保证锻件的最终尺寸精度和形位公差，防止切边变形，增加了一道热整形工序。整个模具模膛的布置和飞边槽尺寸见图10。

综合数值模拟和工艺试验所取得的结果，最终确定中心楔块精锻的工艺路线为：下料一剥皮一出坯一卡压一终锻一切边一整形一喷丸。

4．结语

通过对中心楔块的工艺性分析，设计了多种预锻和终锻的成形途径并进行了数值模拟，分析丁成形过程中的几个阶段的坯料变形及载荷变化情况，优化了工艺办案，使用通用摩擦压力机锻出了表面质量优良、尺寸和形位公差符合要求的中心楔块锻件，保证了货车新型缓冲器的性能。