火车轮模具磨损数值模拟分析

2021-10-12 10:59:08 zxhcl 3

火车车轮为大型件,在大吨位设备下进行热变形,其所用热锻模具在高温高压下持续工作,极易产生磨损失效。但火车轮模具结构复杂、加工难度大、精度要求高、材料费用高昂,据统计,每年仅火车模具费用就千万元以上;并且模具磨损还会影响到车轮的尺寸精度与表面质量。因此,研究模具磨损规律,寻找相应改进措施以提高模具寿命,具有非常重要的理论意义以及较高的经济价值。

随着数值模拟技术、摩擦磨损理论的快速发展,材料磨损行为的数值分析已成为研究模具磨损的新路径。本文应用Deform-3D软件对各模具磨损状况进行模拟研究,并对其磨损行为的影响因素进行了分析,从而为改进模具设计、加工及车轮工艺参数制定等提供理论依据,最终达到提高模具寿命的目的。

火车轮热成形过程分为预成形、轧制、压弯冲孔三道工步。本案重点研究预成形过程,采用马钢车轮公司压轧二线生产工艺,预成形包括初锻、终锻两道工序,都在油压机上完成,使用同一上模。其生产过程为:初锻后上模抬起,下工作台移动,更换下模台。将初锻坏放置到下成型模上对中后,上模压下,完成终锻,得到车轮预成形坯。

车轮锻件 (27).jpg

KKD915 车轮为例,基于 Deform-3D 平台建立了三维热力耦合刚塑性有限元模型,其中,模具视为刚性体,工件视为塑性体,坏料、上模、压痕模和下模都由三维软件 pro/E 导入,根据对称性原则,在这里取1/4进行模拟运算。坯料材料为CL60钢,初始温度为1200℃;模具材料选用AISI-L6,代替国内5CrMnMo钢,硬度定义为42HRC,预热温度为 300℃;设定上模运行速度 50mm/s,环境温度为20℃,摩擦因数以 0.3计算。实际生产中,初锻后要对模具进行降温,因此终锻时上模模拟温度重设为300°C。

初锻后,磨损主要发生在上模下压,坏料向下流动进行墩粗,上模下方金属,在巨大压力下。流动速度快,而其中间金属不与上模接触,流速相对较慢,以填充上模型腔,填充时,与上模产生较小摩擦,仅在倒角发生轻微磨损。上模与压痕模处,在整个变形过程,一直阻碍坏料墩粗向外流动,与金属产生巨大摩擦,且与高温坯料接触时间长,使模具软件,硬度降低,因而这两处磨损特别大

终锻一开始,压痕坯被压弯变形,与模具摩擦较小,磨损较轻,随着压下量的增大,接触时间增加,模具温度升高,硬度降低,且坯料开始填充上、下模具模腔,成形力变大,摩擦加剧,磨损增大;在变形过程中,车轮辐板中间产生分流面,一部分金属填充车轮轮毂处,一部分金属填充车轮轮辋。磨损主要发生在下模b处两侧,而与分流面接触下模,磨损相对较轻。

对于模具磨损来说,模具硬度是最重要的影响因素。在车轮生产中,模具材料多选用热作模具钢 5CrMnMo,其热处理硬度范围为 38~42HRC。本节设置摩擦系数为 0.3,模具初始温度为300℃,模具硬度分别取 36HRC、39HRC42HRC 、45HRC 进行模拟分析。

随着模具硬度的提高,上模的最大磨损深度不断下降。因此在满足模具材料韧性要求的前提下,提高模具硬度可以有效地延长其使用寿命

模具初始温度深刻地影响着模具的最大磨損深度。本节设置摩擦系数为 0.3,模具硬度为42HRC,模具初始温度依次取 200、250、300、350 和400℃进行模拟分析。

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随着模具温度的上升,上模的最大磨损深度不断增大,在生产中,模具初始温度过低,模具与锻件材料之间温差大,热传递加剧,易产生冷热应力造成模具损坏;初始温度过高,模具硬度和强度下降,磨损加剧。250℃以下时,模具材料表面氧化程度比较弱,模具硬度也没有明显下降,客观上降低了温热塑性成形中由氧化疲劳引起的热磨损。因此综合考虑,通过冷却系统将模具初始温度调节到200~250℃比较合适。

根据模拟结果,提出以下改进措施:

1)通过对锻压模具磨损变化最大的地方,进行尺寸极限负偏差取值的优化;保证模具韧性的前提下,提高模具硬度;调节模具初始温度、充分润滑都可以适当地延长模具的寿命。

2)根据查阅模具抗磨资料,通过对模具进行表面激光淬火、渗铬等新型技术能提高模具耐磨性。

由此得出,在车轮预成形过程中,磨损主要发生在上模的上成型模外侧、下模的下成型模外侧和压痕模的凸台外侧,并且上成型模磨损最为严重。保证模具韧性的前提下,提高模具硬度;控制模具初始温度为200~250℃,都能减缓模具磨损。通过模具加工、设计,生产工艺参数调整,模具新型表面处理技术等措施可以显著改善模具磨损状况,提高模具使用寿命。