徐 皓，劉 江

(1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造與交通學(xué)院，重慶 402246；2.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044)

火車上襯板是鐵道部為適應(yīng)火車提速而研制出一種新型減震器產(chǎn)品。隨著火車輕量化發(fā)展趨勢(shì)，襯板材料由原先鍛鋼件改為鋁合金鍛件?；疖嚿弦r板屬于周期性強(qiáng)制報(bào)廢的易耗配件，國內(nèi)外市場(chǎng)需求量每年300萬件左右。雖然市場(chǎng)需求量大，但因其形狀特殊，外觀和力學(xué)性能要求高，產(chǎn)品合格率不高，生產(chǎn)成本一直居高不下[1]。借助計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)火車上襯板鍛造過程中金屬流動(dòng)規(guī)律、不同鍛模橋部寬度和高度進(jìn)行數(shù)值模擬，分析比較，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)。

6061鋁合金火車上襯板零件盒鍛件如圖1所示。

圖1 6061鋁合金火車上襯板零件圖Fig.1 Part drawing of 6061 aluminum alloy upper train lining

1 6061鋁合金火車上襯板鍛件參數(shù)及鍛造工藝流程

如圖2所示，該鍛件質(zhì)量2.52 kg，最大截面尺寸為267 mm×215 mm，最薄處10.5 mm，復(fù)雜系數(shù)為S4級(jí)。下料坯料尺寸為：?80 mm×245 mm，棒料質(zhì)量約為2.89 kg，材料利用率約為87.5%。 6061鋁合金火車上襯板生產(chǎn)工藝流程如圖3所示。

圖2 6061鋁合金火車上襯板鍛件圖 Fig.2 Forging drawing of 6061 aluminum alloy upper train lining

火車上襯板鍛造工藝首先將圓棒料通過預(yù)鍛模具制成啞鈴狀(見圖4)，然后用16 MN電動(dòng)螺旋壓力機(jī)進(jìn)行模鍛，在4 MN液壓力機(jī)上切除多余飛邊。

圖3 6061鋁合金上襯板生產(chǎn)工藝流程圖Fig.3 Process flow chart of upper lining of 6061 aluminum alloy

圖4 火車上襯板模鍛示意圖Fig.4 Die forging of upper train lining

模具模型的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于飛邊槽結(jié)構(gòu)、飛邊橋部高度和寬度。飛邊槽包括橋部和倉部。橋部的主要作用是阻止材料外流,迫使金屬充滿模膛；其次使飛邊減薄,便于切除。倉部的作用是容納多余的金屬材料,以免多余金屬流到分模面上,影響上下模打靠[2]。因此，可以根據(jù)鍛件和制坯后的形狀尺寸在鍛壓設(shè)計(jì)手冊(cè)中選取相應(yīng)飛邊槽結(jié)構(gòu)，飛邊槽尺寸則依據(jù)設(shè)備類型和噸位來確定。鍛模飛邊槽結(jié)構(gòu)局部剖面圖如圖5所示。

圖5 鍛模飛邊槽結(jié)構(gòu)局部剖面圖Fig.5 Section of flash groove structure of forging die

圖4中A點(diǎn)為兩道次輥鍛軋制后的坯料形變的最高點(diǎn)，而B點(diǎn)則為兩道次輥鍛軋制后的坯料形變的最低點(diǎn)。若飛邊槽結(jié)構(gòu)、飛邊橋部高度和寬度參數(shù)選擇不合理，A、B點(diǎn)處在終鍛過程中容易產(chǎn)生折疊、裂紋等鍛造缺陷點(diǎn)。

2 火車上襯板模鍛模擬分析

2.1 火車上襯板模鍛過程中金屬流動(dòng)分布模擬

利用Deform數(shù)值有限元軟件對(duì)預(yù)鍛制坯坯料采用網(wǎng)格劃分，最小網(wǎng)格單元尺寸2 mm，曲率權(quán)重系數(shù)0.6，應(yīng)變速率和應(yīng)變分布均取0.3，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算，上模和下模成擊面打靠共需302步，分別截取step1、step100、step160、step200 、step230、step270、step290、step302作為材料流動(dòng)分析觀察點(diǎn)，模鍛成形中金屬流動(dòng)速度場(chǎng)分布如圖6所示。

如圖6a～6d所示，坯料兩端最先受上鍛模的下壓力開始發(fā)生擠壓變形，坯料從中間向坯料外側(cè)邊緣金屬流動(dòng)速度逐漸變大，坯料變得越來越寬。而坯料中部因受到兩端金屬擠壓作用，金屬流動(dòng)速率受到限制，因此坯料中部金屬流動(dòng)速度小于坯料邊緣金屬流動(dòng)速度。

圖6 模鍛成形中金屬流動(dòng)速度場(chǎng)分布Fig.6 Velocity field distribution of metal flow in die forging

如圖6e、6f所示，從step230和Step270顯示，隨著坯料變形的逐步加深，尤其坯料兩端金屬在上下鍛模鍛模共同擠壓下，沿著打擊力(厚度)方向流向從內(nèi)凹模膛中部到兩端，兩端角成形最為困難，最容易缺料而報(bào)廢，這也與實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證結(jié)果相符合。從step302(圖6h)顯示鍛件形狀已經(jīng)形成，當(dāng)金屬充滿內(nèi)凹模膛時(shí)，坯料四周的飛邊槽已形成了飛邊，并且飛邊比較大，說明多余金屬在通過飛邊橋時(shí)，受到了較小的阻力，這對(duì)鍛件充填和材料利用率都十分不利[3-6]。

2.2 火車上襯板鍛模結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

利用有限元數(shù)值模擬軟件，可以分別改變鍛模飛邊橋高度、寬度和增加阻力溝的三種途徑逐步分析，求出最優(yōu)解。首先依據(jù)鍛壓設(shè)計(jì)手冊(cè)選定鍛模中飛邊橋高度和寬度的推薦值，如表1所示。

首先對(duì)表1中方案1、方案2、方案3設(shè)計(jì)三種飛邊橋部寬度均為12 mm、高度均不一樣的三個(gè)鍛模三維模型，在相同的外界條件下，導(dǎo)入到Deform有限元數(shù)值模擬軟件中進(jìn)行仿真模擬。因火車上襯板鍛件為左右、上下對(duì)稱形狀，為節(jié)約數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)間，故導(dǎo)入四分之一鍛件模型進(jìn)行模擬計(jì)算。不同飛邊橋部高度的金屬流動(dòng)速度場(chǎng)分布如圖7所示。

表1 5種飛邊橋高度和寬度數(shù)值模擬方案參數(shù)Table 1 Parameters of five numerical simulation schemes for different heights and widths of flash bridges

圖7 不同飛邊橋部高度的金屬流動(dòng)速度場(chǎng)分布圖Fig.7 Velocity field distribution of metal flow at different flash bridge heights

由圖7可知，當(dāng)飛邊橋部寬度都取12 mm時(shí)，飛邊橋高度為2.5 mm(圖7a)時(shí)，金屬沿鍛件頂角區(qū)域流動(dòng)速率均比飛邊橋高度為 3.5 mm(圖7b)的流動(dòng)速率要大，但金屬不能均勻分布。故飛邊橋高度為3.5 mm的頂角金屬充填質(zhì)量優(yōu)于飛邊橋高度為2.5 mm的充填質(zhì)量。而飛邊橋高度為4.0 mm的頂角金屬充填質(zhì)量也好于飛邊橋高度為3.5 mm的充填質(zhì)量，但其飛邊橋高度過高限制了金屬流動(dòng)速率。

圖8為不同飛邊橋部高度的成形載荷變化曲線。綜合圖8和圖7分析，飛邊橋取 3.5 mm 時(shí)，不但最有利于金屬在橋部流動(dòng)，而且壓力機(jī)載荷顯示最小。當(dāng)飛邊橋高度減小時(shí)，其金屬流動(dòng)阻力也隨之增大，金屬流動(dòng)速率增大，但頂角金屬充填缺料[7]。當(dāng)飛邊橋高度增大時(shí)，其金屬流動(dòng)阻力也隨之增大，金屬流動(dòng)速率減小，容易生成較多氧化物，氧化物與鍛模模膛表面產(chǎn)生粘著，增加了金屬和鍛模模膛表面之間的金屬摩擦因數(shù)，致使圖8c中成形載荷上升和圖7c中金屬流動(dòng)速率減小。

圖8 不同飛邊橋部高度的成形載荷變化曲線圖Fig.8 Forming load curves at different flash bridge heights

其次對(duì)表1中方案2、方案4、方案5設(shè)計(jì)三種飛邊橋部高度均為3.5 mm、寬度均不一樣的三個(gè)鍛模三維模型，在相同的外界條件下，導(dǎo)入到Deform有限元數(shù)值模擬軟件中進(jìn)行仿真模擬[8]，結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同飛邊橋部寬度的金屬流動(dòng)速度場(chǎng)分布圖Fig.9 Velocity field distribution of metal flow at different flash bridge widths

從圖9可知，在飛邊橋部高度都取3.5 mm時(shí)，飛邊橋?qū)挾热?2 mm(圖9a)時(shí)，金屬沿鍛件頂角區(qū)域流動(dòng)速率均比飛邊橋?qū)挾热?15 mm(圖9b)的流動(dòng)速率要大，但金屬流動(dòng)明顯不均勻。故飛邊橋?qū)挾热?5 mm的頂角金屬充填質(zhì)量優(yōu)于飛邊橋?qū)挾热?2 mm的充填質(zhì)量。而飛邊橋?qū)挾热?0 mm的頂角金屬充填質(zhì)量更加好于飛邊橋?qū)挾热?5的充填質(zhì)量，故飛邊橋?qū)挾热?0 mm時(shí)，頂角處成形質(zhì)量最優(yōu)。

圖10為不同飛邊橋部寬度的成形載荷變化曲線。綜合圖9和圖10分析，說明當(dāng)飛邊橋?qū)挾仍鰧挄r(shí)，金屬流過鍛模橋部的截面積增大，金屬與鍛模模膛表面面積隨之增大，摩擦力變大，致使電動(dòng)螺旋壓力機(jī)做更大的功來迫使金屬順利通過鍛模飛邊橋部，所以電動(dòng)螺旋壓力機(jī)的能量消耗增加。但飛邊橋?qū)挾仍黾又?0 mm時(shí)，壓力載荷反而低于飛邊橋?qū)挾热?5 mm的載荷值。故飛邊橋?qū)挾热?0 mm，高度取3.5 mm為最優(yōu)解。

圖10 不同飛邊橋部寬度的成形載荷變化曲線圖Fig.10 Forming load curves at different flash bridge widths

3 火車上襯板鍛件終鍛成形模擬驗(yàn)證

DEFORM的基于有限元數(shù)值模擬結(jié)果可以幫助工程師設(shè)計(jì)工具和鍛造工藝流程，減少昂貴的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成本[9-12]。通過上述有限元數(shù)值模擬結(jié)果分析比較，上襯板鍛模飛邊橋部選用寬度20 mm，高度3.5 mm的模具結(jié)構(gòu)為最優(yōu)解。通過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，原來飛邊橋部寬度為12 mm，高度為3.5 mm時(shí)的鍛件合格率為88.6%提高到優(yōu)化后的99.8%，鍛造質(zhì)量提升十分明顯。圖11為火車上襯板三維模型與圖12實(shí)際生產(chǎn)的鍛件較為吻合。

圖11 火車上襯板三維模型Fig.11 Three-dimensional model of a upper train lining

4 結(jié) 論

1)6061鋁合金毛坯結(jié)構(gòu)在成形擠壓過程中反映了毛坯不同部位的不同流動(dòng)速度，從而能否引導(dǎo)金屬材料順利充填鍛模模膛起重要作用。

2)6061鋁合金鍛模模膛內(nèi)的飛邊橋高度偏大或偏小都會(huì)影響到火車上襯板成形壓力、金屬流動(dòng)速度情況，所以選擇合理的飛邊橋高度至關(guān)重要。

圖12 火車上襯板生產(chǎn)樣件Fig.12 Product sample of a upper train lining

3)6061鋁合金鍛模模膛內(nèi)的飛邊橋?qū)挾仍龃?，其飛邊橋部的摩擦力也增大，壓力機(jī)載荷急劇上升。當(dāng)飛邊橋?qū)挾仍龃笾?0 mm時(shí)，壓力機(jī)載荷反而開始下降，金屬流動(dòng)阻力增大，致使鍛件充填飽滿，成形載荷增加。