不同型砧下列车轴锻件数值模拟研究

孙瑞环，宋建丽，杜诗文，张亦工，赵国栋

（1.太原科技大学，山西 太原 030024；2.太原重工股份有限公司 技术中心，山西 太原 030024）

0 引言

车轴作为火车行走部分的重要部件，其产量和质量直接影响着铁路生产力的发展。使用快锻机锻造车轴生产过程包括倒棱、滚圆、成形等基本工步，其中倒棱滚圆作为初始锻造工步，兼有传统工艺的拔长作用，是改善锻件性能的重要部分[1]。众多研究表明，影响锻件质量的因素包括三个方面：①锻坯的形状尺寸；②工艺参数；③砧子的形状和尺寸。在诸因素中，砧子形状和尺寸的影响最为明显，是其他因素所不能替代的[2]。选择合理的砧子形状和尺寸不仅能显著提高拔长效果，而且易于在实际生产中应用掌握。本文利用有限元软件DEFORM对不同形状砧子的方坯倒棱滚圆过程进行数值模拟，比较它们在锻件心部产生的变形和应力，以选择一种最佳砧型。

1 有限元模型建立

选取列车用RD4型车轴作为模拟对象，初始建立的方形截面毛坯尺寸230mm×230mm，运用四面体单元对其进行离散，模拟材料模型由铁道车轴生产用50钢通过实验测得。上下砧由于变形量很小，在模拟中设置为刚体。方柱网格如图1所示。

圆弧砧的整形段长度为240mm，即砧宽为240mm；平砧砧宽240mm；单砧压下率均为20%，圆弧砧的相对送进量为0.6，平砧相对进给量为0.8[3]。模型中型砧材料均为H13，并设置为刚体，锻造过程中不发生变形。为分析不同型砧对工件倒棱过程中应力应变压实效果的影响。这两种砧子的初始有限元模型见图2。初始有限元模型的主要参数见表1。

图1 锻件坯料网格模型

图2 不同型砧有限元模型

表1 初始有限元模型主要参数

2 模拟结果分析与比较

2.1 倒棱过程应力应变分析

锻造过程中锻件心部的应力应变状况是决定锻件质量的重要指标。在锻造过程中应保证锻件内部应变尽量大，且在心部不存在拉应力[4]。选取距锻件端面450mm的一截面，分别对不同型砧压下过程中该截面中心点的应力应变状态进行分析和比较。

图3为倒棱过程截面中心点应力情况比较。其中（a）为初始压下中心点横向应力情况，（b）为翻转90°压下中心点横向应力。从图中可看出，平砧锻造过程中大于5%压下率始终存在横向拉应力，如果较大的压下率心部可能产生裂纹，而采用圆弧砧当压下率大于10%，拉应力逐渐减小，转换成压应力，并且随压下率的增大而增大，心部横向应力基本全是压应力，良好的应力状态，有利于锻件心部缺陷的愈合。

图3 截面中心点横向应力比较

综合锻件横纵径向的应力状态及生产效率，锻件取20%的压下率。采用20%压下率，相对进给量0.6的工艺。如图4为锻件滚圆后的应变状态分布图。可看出，平砧滚圆后心部的等效应变较小，但也达到了1.37。而圆弧砧滚圆后心部等效应变达到了1.57，并且较大的等效应变在次表层也比较集中。较大的等效应变有利于锻件缺陷的愈合。根据应力应变状态，圆弧砧锻造车轴倒棱滚圆时，锻件心部能够获得较大等效应变及较好的应力状态，锻造效果较平砧更好。圆弧砧心部变形比较大，整体应变量更加均匀，更容易锻透组织，提高锻件的锻透性。锻件的机械性能随锻透性的增加而增加[5-7]。

图4 滚圆结束后锻件截面等效应变分布图

2.2 滚圆后尺寸精度分析

圆弧砧与平砧倒棱结束后得到近似八棱柱，滚圆时为了压遍所有的侧棱，需要翻转4次压下，翻转角度为45°。为了比较这两种砧型滚圆效果与尺寸精度，在锻件截面圆周上均匀选取12个点，对滚圆后的每一个点处的半径值进行分析和比较。

从图5可看出，圆弧砧滚圆后各点的半径值在理想值106附近浮动，最大值106.7mm，最小值105.6mm，方差为0.3398，而平砧很明显可见其各点的半径值均大于理想值106mm，最大值为107.59mm，最小值106.1mm，方差0.5114；平均值直径为212.3mm，而平砧倒棱滚圆后锻件的平均直径与理想直径相比，平砧的增加了1%，测试点中4个点超出理想值1.42%。超出要求的最大值1.18mm，最大与最小直径相差2.98mm，圆度不佳，需要增加工序进一步滚圆。总之，从圆度与尺寸精度考虑，圆弧砧倒棱滚圆效果较好。

图5 两种砧型滚圆后截面各点半径

3 结论

利用有限元软件对平砧与圆弧砧的倒棱滚圆工艺进行模拟。通过比较和分析得出以下结论：

（1）采用圆弧砧倒棱压下率大于10%，锻件心部拉应力一直减小，拉应力逐渐转变为压应力，并且随着压下率的增加而增加。而平砧当压下率达到10%以后，拉应力一直存在，这对锻件心部的缺陷愈合非常不利，容易产生心部裂纹。

（2）滚圆后的应变结果表明，采用圆弧砧倒棱滚圆后在锻件内部得到较大的等效应变，而且应变分布比较均匀，能够提高锻透性。较大的变形量能更好地愈合内部缺陷。

（3）从圆度与尺寸精度分析，圆弧砧倒棱滚圆得到的锻件圆周上各点半径方差小于平砧，半径值的浮动较小，圆度较好。各个点半径值也都在理想值106mm附近较小浮动，满足了精度要求；而平砧得到的锻件精度圆度方面都不如圆弧砧。

[1] 吕 炎，等.非对称拔长最佳工艺参数的研究[J].哈尔滨工业大学科学研究报告，1982，11.

[2] 吕 炎，等.大型锻件非对称拔长工艺的有限元分析[J].金属科学与工艺，1985，4（9）.

[3] 付 强.大型轴类锻件锻造过程的数值模拟研究[D].上海交通大学硕士学位论文，西安：2008.

[4] 王雷刚，刘助柏，黄 瑶.平砧倒棱方柱体的数值模拟研究[J].塑性工程学报，2001，8（4）：6-8.

[5] 周旭东，戴晓珑，王国宜，等.基于刚塑性有限元的GFM精锻锻透性仿真[J].河南科技大学学报，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.采用四锤头液压机制造铁路列车轴锻件的成套设备[J].锻压装备与制造技术，2004，39（6）.