锻造上心盘为铁路货车上使用的重要零件，其成形方式主要是挤压变形，给锻造成形带来很大困难。本文利用Deform数值模拟技术对锻造上心盘在成形过程中的速度场、温度场、应变场和成形力进行了模拟分析。通过模拟结果可以指导锻造上心盘锻造工艺方案的制定、模具设计和锻造设备的选择，优化工艺参数。
铁路货车上心盘为重要的承重零件，在列车运行过程中承受着复杂的动、静态载荷。原有的上心盘为铸造结构，难以满足使用要求。采用锻造工艺后可显著提高上心盘的疲劳强度，提高其使用寿命。本文采用Deform数值技术对锻造上心盘的成形规律进行了模拟分析，为锻造工艺的制定提供可靠的理论依据。
产品结构特点
锻造上心盘为圆盘类锻件，其锻造毛坯见图1。该产品在厚度上尺寸较大，外圆锥台高度较大，圆脐处凸出高度较大，周边平板部分的厚度较薄。由于对该种锻件主要是挤压变形，因此在厚度方向的不均匀会给锻造成形带来很大的困难。
图1 锻造上心盘锻造毛坯三维图
Deform数值模拟技术简介
Deform-3D软件是针对复杂金属成形过程的三维金属流动分析的有限元模拟软件，可以获得金属成形过程中的详细规律，如温度场、速度场、应力场、应变场以及载荷-行程曲线，广泛应用于锻造、挤压、弯曲、轧制等成形过程的模拟分析。该软件的理论基础是修订的拉格朗日定理，属于刚塑性有限元法，其材料模型包括刚性材料模型、塑性材料模型、多孔材料模型和弹性材料模型。Deform-3D软件有强大的网格划分功能，当变形量超过设定值时自动进行网格重划。在网格重新划分时，工件的体积有部分损失，损失越大，计算误差越大，Deform-3D在同类软件中体积损失最小，其计算精度和结果可靠性在成形模拟领域内得到公认。
模拟过程分析
锻造上心盘下料重量123.5kg，根据体积不变原则，确定下料规格为497mm×480mm×67mm。模拟过程中，中间各工步均继承了前一工步的模拟计算结果。
参数设置
⑴材质选择。
锻造上心盘用材料为25Mn，在Deform-3D材料库中并没有该种材料，因而选择材质相近的25#钢进行模拟。将坯料划分网格150000个，上下模具各划分网格150000个。
⑵热边界条件。
坯料初始锻造温度为1100℃；各工步模具初始温度设定为200℃；设置模拟过程中的环境温度为20℃；对流换热系数取0.02N/(s·mm·℃)；热传导系数11N/(s·mm·℃)。
⑶摩擦条件。
模拟过程中选用剪切摩擦条件，由于锻造过程中使用了润滑剂，因而摩擦系数设定为0.3。
⑷运动边界条件。
上模具的运动速度为400mm/s。
成形过程中的速度场分析
图2 锻造成形初始状态
图3 锻造成形速度场分布
对坯料成形过程的速度场进行分析，成形过程的初始状态见图2，成形过程中的速度场分布如图3(a)～3(f)，从图3(a)中可以看出，板料在变形初期为弯曲变形，板料在上模的作用下向下模型腔弯曲。随着上模的继续向下运动，上心盘的外圆锥台、冲孔连皮、圆脐等部位逐渐成形。当变形进行到图3(b)所示的第30步时，上心盘的外圆锥台和冲孔连皮的下侧开始成形。外圆锥台在成形初期的变形方式为弯曲变形，随后以挤压的方式逐渐充满型腔。当变形进行到图3(c)所示的第40步时，圆脐部位开始逐渐成形，其成形过程是随着冲孔连皮的形成而逐渐进行的，并最终以挤压的方式充满型腔。从整个成形过程来看，金属流动平稳，主要以挤压的方式成形，未出现折叠等缺陷。
成形过程中的温度场分析
坯料的初始锻造温度为1100℃，模具的预热温度为200℃，环境温度为20℃。在整个锻造模拟过程中，坯料与模具、环境进行热交换。从理论上来说，由于成形过程中坯料与模具、外部环境进行热交换，坯料表面温度较心部温度降低更快。
从模拟的结果来看，在锻造结束后，锻造毛坯在中心截面上的温度分布彩云图(图4)较为均匀。在中心截面上选取的P1、P2、P3、P4等四个标记点的温度变化曲线见图5(a)、5(b)，从图5(a)中可以看出，P1～P4四个标记点所在位置的温度变化规律大致相同，即随着变形程度的增加，标记点处的温度先缓慢上升，随后到达温度峰值，然后迅速降低至始锻温度左右。产生这样的温度变化是由于在锻造成形过程中，一部分变形能转化为热能，由于成形速度较快，转化的热能不能通过坯料及时的传递给模具和环境，最终积蓄在坯料内部导致温度的升高；当温度升至峰值以后，由于坯料尺寸在厚度方向上的减小，坯料的散热速度加快，坯料内部的温度在达到峰值以后会出现较快的降温。从整个模拟过程来看，坯料在锻造过程中的温度变化较为平稳，从图5(a)可见，不同位置在整个锻造过程中的最大温差在30℃左右；从图5(b)可见，成形结束后坯料内部温度为1090～1110℃。
图4 锻造成形温度场分布
图5 标记点温度变化曲线
成形过程中应变场分析
成形结束后锻件的等效应变场见图6，从图6中可以看出，随着变形的进行，坯料上各部位的等效应变逐渐增加，在变形初期的等效应变增加较缓慢，当金属逐渐充满型腔并产生飞边以后，坯料各部位的等效应变迅速增加。当成形结束后，锻件中心截面上的等效应变为0.595～1.940，凸脐附近的变形程度较其他部位大，因而等效应变最大。
成形过程中的成形力分析
图6 锻造成形等效应变场分布图
图7 标记点处等效应变变化曲线
图8 成形力-位移曲线
成形过程中的成形力-位移曲线见图8，最大成形力为20000t。在实际生产中可以根据选用的设备设计锻造成形的次数和加热火次。
结论
利用Deform-3D数值模拟技术对锻造上心盘在成形过程中的速度场、温度场、应变场和成形力进行了模拟分析。模拟结果表明，上心盘在锻造过程中主要以挤压方式成形，金属流动平稳，未出现折叠缺陷；坯料在成形过程中与模具、环境进行热交换，由于成形速度较快，坯料与外界热传递时间短，散热较少，同时一部分变形能转化为热能，抵消掉一部分温度损失，因而坯料在终锻结束后的温度维持在1090～1100℃，温度变化较为平稳；当成形结束后，锻件中心截面上的等效应变为0.595～1.940，由于是板料挤压成形，坯料在不同部位的挤压变形程度差距较大；坯料在成形过程中的最大成形力为20000t。
通过对锻造上心盘的成形模拟，可以指导锻造上心盘锻造工艺方案的制定、模具设计和锻造设备的选择、优化工艺参数、缩短产品的试制周期、降低试制成本。
—— 来源：《锻造与冲压》2017年第23期
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