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摘要：對(duì)鐵路用上心盤熱模壓成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到了上心盤成形過(guò)程的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)。對(duì)在實(shí)驗(yàn)中工藝參數(shù)選擇及模具修正起到了重要指導(dǎo)作用。
關(guān)鍵詞：模壓成形；數(shù)值模擬

一、引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鐵路運(yùn)輸能力也在不斷增強(qiáng)，這就要求進(jìn)一步提高鐵路運(yùn)行的可靠性、安全性和快速性。

鐵路貨車上心盤是貨車車體底部一個(gè)重要的支撐零件，在鐵路運(yùn)行中一直承受車體的整體重量，要求其具有較高的抗疲勞性能和整體綜合性能。

某機(jī)車廠針對(duì)上心盤生產(chǎn)和使用中存在的問(wèn)題將生產(chǎn)工藝從鑄造生產(chǎn)改為水壓機(jī)上的熱模壓成形。為深入研究該成形方式是否可行，本文采用有限元法對(duì)上心盤熱模壓成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

二、模擬分析模型的建立

上心盤從結(jié)構(gòu)上具有對(duì)稱性，以兩個(gè)平面坐標(biāo)軸對(duì)稱，在長(zhǎng)度方向上相差很小，熱模壓成形過(guò)程中金屬流動(dòng)也以兩個(gè)坐標(biāo)軸對(duì)稱，金屬成形過(guò)程中對(duì)中間環(huán)形部分具有幾乎完全一致的流動(dòng)規(guī)律。為提高計(jì)算效率、節(jié)省計(jì)算時(shí)間，取其軸向截面的二分之一來(lái)建立幾何模型，該模型可以較完整地描述出金屬在成形過(guò)程中的流動(dòng)情況，如圖1所示。

圖1模壓件簡(jiǎn)圖

從數(shù)值模擬分析的角度出發(fā)，借助基于修正的拉格朗日描述的彈塑性大變形有限元方法，忽略了變形過(guò)程中溫度對(duì)變形的影響(變形速度較快)，應(yīng)用接觸單元建立包括上、下模及坯料在內(nèi)的整體模型，對(duì)整個(gè)成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。幾何模型如圖2所示。

圖2有限元分析模型

計(jì)算所用坯料尺寸為420×500×45mm的厚板，材料為25號(hào)鋼，由于高溫?zé)釕B(tài)成形，為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，材料特性取為各向同性雙線性材料模式，此時(shí)材料的性能參數(shù)如表1。

表125號(hào)鋼的材料性能參數(shù)
溫度(℃) σ_s(MPa) σ_b(MPa) G(MPa) E(GPa) 20 260 470 195 210.8 1200 52 94 17 16.3

取泊松比μ＝0.3，摩擦系數(shù)f＝0.12。

考慮到坯料的尺寸較大，變形體采用平面四邊形四節(jié)點(diǎn)單元作為基本單元，以保證坯料按所要求的形狀成形。在整個(gè)模型中，共有二維實(shí)體單元336個(gè)，上模具接觸單元13個(gè)，坯料上表面接觸單元45個(gè)；下模具表面單元13個(gè)，坯料下表面與之對(duì)應(yīng)的接觸單元46個(gè)。整個(gè)模型共有453個(gè)單元，427個(gè)節(jié)點(diǎn)。

由于取整個(gè)模具與坯料對(duì)稱面的一半為模型，因此對(duì)于模具及坯料的左側(cè)，只允許有上下方向的位移，不允許其左右移動(dòng)，同時(shí)在下模的表面加上位移約束使其固定，這與熱模壓成形過(guò)程中下模具不動(dòng)是完全一致的。

對(duì)所建立的有限元模型進(jìn)行求解，其迭代步數(shù)為335步，迭代總次數(shù)為1952次，總的計(jì)算時(shí)間為6h42min。

三、計(jì)算結(jié)果分析

1.應(yīng)力場(chǎng)

圖3～圖5是在上述條件下計(jì)算得到的X方向應(yīng)力、Y方向應(yīng)力和等效應(yīng)力分布規(guī)律。從應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律可以看出，坯料在成形過(guò)程中能較好地充填模具型腔，成形性較好，沒(méi)有充不滿、折疊等缺陷生成。在上心盤230mm圓環(huán)面外端R30mm圓角處，X、Y兩個(gè)方向上受到較大的壓應(yīng)力，應(yīng)力平均值為100MPa；在125mm圓環(huán)面上R20mm圓角處沿X方向出現(xiàn)了拉應(yīng)力，但未達(dá)到破壞的程度。對(duì)于疲勞實(shí)驗(yàn)易產(chǎn)生裂紋的300mm圓環(huán)面底部R20mm處，在兩個(gè)方向上均為壓應(yīng)力，不會(huì)產(chǎn)生裂紋。

圖3X方向應(yīng)力分布規(guī)律

2.應(yīng)變場(chǎng)

圖6～圖8是計(jì)算得到的X方向應(yīng)變、Y方向應(yīng)變及等效應(yīng)變分布規(guī)律。從應(yīng)變分布可以看出，各處應(yīng)變差別較大，上心盤中心部位受X方向應(yīng)變較大，即沿X方向伸長(zhǎng)較多，而在140mm圓環(huán)面處出現(xiàn)了壓縮應(yīng)變。在Y方向上，上心盤中心部位受壓縮變形最大，但由于中心部位受三向壓應(yīng)力狀態(tài)，不存在產(chǎn)生裂紋的危險(xiǎn)性。

圖4Y方向應(yīng)力分布規(guī)律

圖5等效應(yīng)力分布規(guī)律

圖6X方向應(yīng)變力分布規(guī)律

圖7Y方向應(yīng)變力分布規(guī)律

圖8等效應(yīng)變分布規(guī)律

從圖8中可看出，整個(gè)鍛件等效應(yīng)力分布很均勻，差值很小，因此卸載后不會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中。對(duì)25號(hào)鋼上心盤成形過(guò)程，由于材料本身具有很好的成形性能，且是熱模壓成形，因此成形后鍛件殘余應(yīng)力很小，不會(huì)影響到上心盤的使用壽命。

四、結(jié)論

對(duì)上心盤熱模壓成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，明確得到了整個(gè)成形過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)的變化情況。對(duì)上心盤熱模壓成形時(shí)模具設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)選擇具有重要指導(dǎo)意義，生產(chǎn)的產(chǎn)品完全滿足性能要求。

參考文獻(xiàn)
［1］呂炎.鍛壓成形理論與工藝.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

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