基于Deform-3D的支柱锻造工艺分析

基于Deform-3D的支柱锻造工艺分析

首页休闲益智曲线冲压3D更新时间:2024-07-22

支柱是铁路货车制动系统中的关键零部件,影响着铁路货车的运行品质和行车安全。利用Deform-3D模拟软件对支柱进行数值模拟,对成形过程的速度场、温度场、应力场、应变场及打击力进行了分析,揭示了支柱锻造过程的成形规律,成形效果良好,验证了锻造方案、模具设计及设备选型的合理性,最终应用到了实际生产中。

支柱是铁路货车制动系统中的关键零部件,安装于制动梁中间位置(图1),与制动杠杆和游动杠杆相连,起到传递制动力和牵引力的作用,直接影响着铁路货车的运行品质和行车安全。支柱成品如图2所示,材质为Q235A。由于支柱外形尺寸较为复杂,传统的试错法,会增加制造成本,延长试制周期,因此采用有限元分析技术揭示支柱的成形规律,对实际生产提供指导是十分必要的。

图1 支柱安装位置

图2 支柱成品

模拟方案制定

根据我公司现有设备,锻压设备选择2500t高能螺旋压力机,采用中频感应炉进行加热,经过工艺分析,支柱毛坯设计如图3所示,选用φ70mm的圆钢作为原材料,坯料加热温度为1150℃~1200℃,模具预热温度为150℃~200℃,加热将坯料放置在终锻模中心,稳定后进行终锻。

锻造模拟过程分析

前处理模拟参数设定

坯料网格划分数量为76521个;上模速度设为300mm/s,每步步进0.75mm,库伦摩擦系数设定为0.3;选用性能近似Q235A材质的AISI-1025钢作为替代材料进行模拟,考虑到坯料加热后搬运过程中的热损失,设置坯料锻造前温度为1150℃,上下模具温度为150℃,设置模拟过程中环境温度为20℃,与空气对流换热系数为0.02N/smm℃,坯料与模具热传导系数为11N/smm℃。

图3 支柱毛坯

模拟前初始状态

采用Creo2.0软件进行支柱模具三维建模,如图4所示,为了使坯料放置时更加平稳,将坯料斜置于支柱尾部型腔中进行定位,坯料与模具的初始位置如图5所示。

图4 支柱模具

图5 坯料与模具的初始位置

变形过程分析

当上模接触到坯料并向下挤压时,前后两侧多余金属被挤压出模具型腔,此时支柱头部开始成形,如图6(a)所示;被挤出的多余金属迅速冷却,变形抗力增加,在桥部形成阻力带,有利于金属填充深处型腔,此时支柱头部逐渐成形如图6(b)所示,随着上模继续向下运动,支柱整体逐渐挤压成形,支柱中间部位最晚参与变形,部分金属开始流向模具飞边桥部,如图6(c)所示,当变形过程运行到100步时,高度方向上的多余金属沿桥部流入仓部,金属充满模樘,无缺肉位置,此时变形完成,如图6(d)所示。

图6 支柱成形过程

温度场、应力场、应变场分析

对坯料成形过程的温度场进行分析,在整个终锻过程中坯料与模具、环境进行热交换。图7为坯料终锻完成时的温度场分布,坯料初始温度为1150℃,从模拟结果可以看出,坯料心部温度基本未发生变化,而与型腔接触的外表面温度稍有下降,但仍保持在1050℃左右,头部温度下降最大;由图8可以看出,头部也是等效应力最大的位置,等效应力值达到180MPa,反映出此处是抗力最大的位置,整体等效应力分布较为均匀;由图9等效应变分布可以看出,坯料成形后期,头部的应变较大,金属变形最剧烈。

图7 温度场分布

图8 应力场分布

图9 应变场分布

打击力分析

图10为支柱成形过程中所需的打击力-位移曲线,支柱成形过程中所需的最大成形力为2360t,2500t螺旋压力机可以满足工艺需求。

生产验证

图10 打击力-位移曲线

图11 支柱毛坯产品

通过对支柱成形过程进行模拟,验证了锻造方案、毛坯设计、模具设计以及锻造设备选型的合理性,并且该方案已经运用到实际生产中,支柱毛坯产品如图11所示,实际生产中,支柱各位置充填饱满,棱角清晰,飞边分布均匀。

结论

利用Deform-3D模拟软件对支柱的成形过程进行数值模拟,对其成形过程、温度场、应力场、应变场及打击力进行了分析,得出以下结论:

⑴支柱在成形过程中,整体温度下降较小,头部的变形抗力最大,变形最剧烈,各位置充型良好,没有缺肉等缺陷,支柱成形过程中所需的最大成形力为2360t。

⑵通过模拟分析,揭示了支柱锻造过程的成形规律,验证了锻造方案、模具设计及设备选型的合理性,为实际生产提供了准确的预测,最终生产出合格的支柱产品。

作者简介

朱岩,硕士,工程师,主要从事热加工及锻造工艺工作。

—— 来源:《锻造与冲压》2020年第3期

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