王建武，王大勇，郭振明，周蓬磊，張雨溪

（1.大連機(jī)車車輛有限公司 鑄鍛分公司，遼寧 大連 116022；2.大連交通大學(xué) 軌道交通關(guān)鍵材料省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116028）

0 引 言

圖1所示軸箱拉桿體是八軸電力機(jī)車連接軸箱體的關(guān)鍵零件，承擔(dān)機(jī)車軸箱牽引和定位的作用，機(jī)車運(yùn)行時(shí)提供合適的橫向及縱向剛度，以保證機(jī)車的平穩(wěn)運(yùn)行，要求軸箱拉桿體有較好的綜合力學(xué)性能。八軸電力機(jī)車為新型雙節(jié)重聯(lián)八軸大功率重載貨運(yùn)交流傳動(dòng)機(jī)車，軸箱拉桿體裝車量大，在25 000 kN高能螺旋壓力機(jī)模鍛成型試生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)桿部筋板折疊現(xiàn)象，通過對出現(xiàn)折疊的鍛件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，查閱相關(guān)資料，分析其折疊的原因，并利用有限元分析軟件對軸箱拉桿體鍛造成型過程進(jìn)行模擬，其結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)吻合。通過更改制坯工藝，再次對其成型過程進(jìn)行模擬，直至消除折疊缺陷，通過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，解決了成型鍛件折疊的問題，節(jié)省了試制成本，縮短了試制時(shí)間，提高了鍛件成型質(zhì)量及合格率。

1 零件結(jié)構(gòu)分析

軸箱拉桿體零件結(jié)構(gòu)如圖1所示，外形為非加工鍛件，零件結(jié)構(gòu)與其他拉桿類零件相似，但是連接兩端圓頭的中間筋板薄且深，最薄處僅為9 mm，深度為35 mm，中間連皮厚度為12 mm，模鍛成型時(shí)薄筋板處冷卻快，影響金屬流動(dòng)性能，使筋板處較難充滿。

圖1 軸箱拉桿體

2 生產(chǎn)現(xiàn)狀及零件缺陷

根據(jù)軸箱拉桿體結(jié)構(gòu)，為了保證筋板處能順利模鍛成型，工藝設(shè)計(jì)時(shí)增加自由鍛錘預(yù)變形工序，設(shè)計(jì)坯料在10 kN自由鍛錘變形，預(yù)變形毛坯外形符合軸箱拉桿體輪廓，然后在25 000 kN高能螺旋壓力機(jī)上模鍛成型。模鍛工藝設(shè)計(jì)在水平方向上分模，分模面法線方向與筋板方向垂直，桿部連皮處加工孔鍛造時(shí)不成型，兩端頭部端面為加工面，設(shè)計(jì)單邊加工余量為4 mm，鍛件拔模斜度為5°。為了在鍛制過程中，充分去除氧化皮，防止氧化皮在終鍛過程對鍛件尤其是薄筋板處的墊傷，影響成型鍛件表面質(zhì)量，設(shè)計(jì)變形胎與終鍛模綜合使用，最終確定軸箱拉桿體鍛造工藝流程為：下料→加熱→制坯→加熱→終鍛→切邊→正火→清理→檢查[1]。

在鍛件小批量試生產(chǎn)過程中，鍛件出現(xiàn)了桿部筋板填充不足現(xiàn)象，嚴(yán)重者甚至出現(xiàn)折疊，廢品率超標(biāo)；成型鍛件填充不足位置尺寸超出設(shè)計(jì)下偏差，不滿足設(shè)計(jì)要求，并且鍛件在折疊處易形成應(yīng)力集中，影響鍛件的使用性能。

對首批試制的軸箱拉桿體鍛件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，試制鍛件合格率僅為65%，出現(xiàn)筋板填充不足、折疊等缺陷的比例接近35%。對產(chǎn)生折疊的鍛件進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鍛件出現(xiàn)折疊的位置大體相同，如圖2中A、B處所示，筋板A、B位置處均出現(xiàn)不同程度填充不足或折疊現(xiàn)象。

圖2 鍛件折疊位置及變形坯料實(shí)物

3 工藝分析

折疊是已氧化的表層金屬在金屬變形過程中匯合在一起。在成型零件上折疊是一種內(nèi)患，不僅減小了零件的承載面積，而且工作時(shí)此處產(chǎn)生應(yīng)力集中成為疲勞源。折疊的類型和形成原因有：①兩股（或多股）流動(dòng)金屬對流匯合而形成；②一股金屬急速大量流動(dòng)，將臨近的表層金屬帶著流動(dòng)而形成；③變形金屬彎曲、回流并進(jìn)一步發(fā)展而形成；④一部分金屬的局部變形被壓入另一部分金屬內(nèi)形成[2,3]。

經(jīng)過打磨發(fā)現(xiàn)，折疊的兩側(cè)有較嚴(yán)重氧化現(xiàn)象，并且深度較淺，分析軸箱拉桿體形成折疊的類型為第①種，桿部與頭部過渡處兩側(cè)金屬流動(dòng)速度高于過渡處速度，成型過程中匯合形成折疊。通過分析軸箱拉桿體變形坯料（見圖2），變形坯料桿部與頭部過渡處圓角半徑大小不一致，有的圓角半徑過小，甚至出現(xiàn)尖點(diǎn)，其過渡處根部距離約105 mm，分析產(chǎn)生折疊的鍛件為圓角半徑過小的坯料，折疊部位在坯料桿部與頭部過渡處的圓角根部，由于該處金屬充填較慢，相鄰部分均已充滿時(shí)，此處仍缺少金屬，形成空腔，當(dāng)繼續(xù)成型時(shí)，相鄰部分金屬匯流形成折疊。為了能直觀判斷折疊的產(chǎn)生原因是否正確，并合理地進(jìn)行工藝改進(jìn)，減少現(xiàn)場試制成本，擬采取有限元模擬輔助分析及優(yōu)化工藝方案。

4 有限元分析

4.1 有限元分析介紹

有限元分析（finite element analysis，F(xiàn)EA）是指利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。該分析方法是利用簡單而又相互作用的元素，即單元就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)[4,5]。設(shè)計(jì)繪制實(shí)體模型，并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后通過有限單元法模擬金屬成型過程，以獲得零件在成型過程中不同階段不同部位的應(yīng)力分布、應(yīng)變分布及金屬的流動(dòng)情況。

4.2 模擬分析軸箱拉桿體鍛造成型過程

通過有限元分析軟件模擬軸箱拉桿體模鍛成型過程，根據(jù)圖2所示實(shí)物，實(shí)測變形坯料尺寸，以桿部與頭部過渡圓角較小的毛坯作為實(shí)測對象進(jìn)行實(shí)體建模，繪制三維實(shí)體，導(dǎo)出.STL格式文件。同時(shí)繪制鍛模實(shí)體，并導(dǎo)出.STL格式文件，將坯料及鍛模.STL格式文件導(dǎo)入有限元分析軟件，設(shè)置模鍛成型過程參數(shù)，對軸箱拉桿體成型過程進(jìn)行有限元模擬，觀察其成型過程。

模擬鍛造成型過程結(jié)束后，進(jìn)入有限元分析后處理，觀察軸箱拉桿體筋板處成型過程，并調(diào)取流動(dòng)速度分布，如圖3所示，發(fā)現(xiàn)拉桿體靠近端頭處筋板首先成型，隨后桿部金屬與過渡處金屬流動(dòng)成型。但在成型過程中，過渡處金屬流動(dòng)速度緩慢，桿部金屬充滿型槽時(shí)，過渡處金屬并未充滿。上模繼續(xù)下行，C、D處位置兩側(cè)金屬開始匯流，上、下模閉合時(shí)，最終形成折疊，與實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的折疊相同。

圖3 流動(dòng)速度分布

4.3 改進(jìn)坯料并再次模擬鍛造成型過程

根據(jù)對模擬成型過程的觀察，確認(rèn)產(chǎn)生折疊現(xiàn)象的原因，并改進(jìn)坯料變形工藝，加大坯料桿部與頭部過渡處圓角半徑，以增加過渡處金屬流動(dòng)性，減少過渡處金屬與桿部金屬流動(dòng)速度差異性，使成型時(shí)兩處金屬同時(shí)充滿型槽，防止過渡處兩側(cè)金屬匯流形成折疊。對改進(jìn)后的坯料再次進(jìn)行成型過程模擬，模擬結(jié)果如圖4所示，飛邊大小及材料分配合理，觀察其成型過程，發(fā)現(xiàn)金屬流動(dòng)狀態(tài)良好，坯料圓角過渡處金屬先于桿部金屬流動(dòng)成型，最終充滿型槽，該位置未出現(xiàn)折疊，能夠生產(chǎn)合格的鍛件[6-8]。

圖4 工藝改進(jìn)后模擬結(jié)果

4.4 實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證

利用10 kN自由鍛錘對改進(jìn)后的坯料進(jìn)行成型，加大變形時(shí)所用壓輥直徑，保證變形坯料圓角尺寸的穩(wěn)定性。通過對改進(jìn)后的制坯工藝再次進(jìn)行小批量試制，成型狀態(tài)與模擬結(jié)果相符，未出現(xiàn)筋板充不滿或折疊現(xiàn)象，鍛件表面質(zhì)量良好，尺寸符合工藝要求。

5 結(jié)束語

利用有限元分析軟件模擬軸箱拉桿體成型過程，能直觀地了解整個(gè)成型過程；針對模擬中出現(xiàn)的質(zhì)量問題，及時(shí)改進(jìn)鍛造工藝，以較低的成本，較快的周期解決生產(chǎn)中遇到的問題。將有限元分析方法同傳統(tǒng)鍛造工藝相結(jié)合，可解決軸箱拉桿體在實(shí)際生產(chǎn)中遇到的問題，節(jié)省了人力、物力。