利用有限元分析消除轴箱拉杆体折叠现象

王建武，王大勇，郭振明，周蓬磊，张雨溪

（1.大连机车车辆有限公司 铸锻分公司，辽宁 大连 116022；2.大连交通大学 轨道交通关键材料省重点实验室，辽宁 大连 116028）

0 引 言

图1所示轴箱拉杆体是八轴电力机车连接轴箱体的关键零件，承担机车轴箱牵引和定位的作用，机车运行时提供合适的横向及纵向刚度，以保证机车的平稳运行，要求轴箱拉杆体有较好的综合力学性能。八轴电力机车为新型双节重联八轴大功率重载货运交流传动机车，轴箱拉杆体装车量大，在25 000 kN高能螺旋压力机模锻成型试生产过程中，出现杆部筋板折叠现象，通过对出现折叠的锻件进行统计，查阅相关资料，分析其折叠的原因，并利用有限元分析软件对轴箱拉杆体锻造成型过程进行模拟，其结果与实际生产吻合。通过更改制坯工艺，再次对其成型过程进行模拟，直至消除折叠缺陷，通过实际生产验证，解决了成型锻件折叠的问题，节省了试制成本，缩短了试制时间，提高了锻件成型质量及合格率。

1 零件结构分析

轴箱拉杆体零件结构如图1所示，外形为非加工锻件，零件结构与其他拉杆类零件相似，但是连接两端圆头的中间筋板薄且深，最薄处仅为9 mm，深度为35 mm，中间连皮厚度为12 mm，模锻成型时薄筋板处冷却快，影响金属流动性能，使筋板处较难充满。

图1 轴箱拉杆体

2 生产现状及零件缺陷

根据轴箱拉杆体结构，为了保证筋板处能顺利模锻成型，工艺设计时增加自由锻锤预变形工序，设计坯料在10 kN自由锻锤变形，预变形毛坯外形符合轴箱拉杆体轮廓，然后在25 000 kN高能螺旋压力机上模锻成型。模锻工艺设计在水平方向上分模，分模面法线方向与筋板方向垂直，杆部连皮处加工孔锻造时不成型，两端头部端面为加工面，设计单边加工余量为4 mm，锻件拔模斜度为5°。为了在锻制过程中，充分去除氧化皮，防止氧化皮在终锻过程对锻件尤其是薄筋板处的垫伤，影响成型锻件表面质量，设计变形胎与终锻模综合使用，最终确定轴箱拉杆体锻造工艺流程为：下料→加热→制坯→加热→终锻→切边→正火→清理→检查[1]。

在锻件小批量试生产过程中，锻件出现了杆部筋板填充不足现象，严重者甚至出现折叠，废品率超标；成型锻件填充不足位置尺寸超出设计下偏差，不满足设计要求，并且锻件在折叠处易形成应力集中，影响锻件的使用性能。

对首批试制的轴箱拉杆体锻件进行统计，试制锻件合格率仅为65%，出现筋板填充不足、折叠等缺陷的比例接近35%。对产生折叠的锻件进行分析，发现锻件出现折叠的位置大体相同，如图2中A、B处所示，筋板A、B位置处均出现不同程度填充不足或折叠现象。

图2 锻件折叠位置及变形坯料实物

3 工艺分析

折叠是已氧化的表层金属在金属变形过程中汇合在一起。在成型零件上折叠是一种内患，不仅减小了零件的承载面积，而且工作时此处产生应力集中成为疲劳源。折叠的类型和形成原因有：①两股（或多股）流动金属对流汇合而形成；②一股金属急速大量流动，将临近的表层金属带着流动而形成；③变形金属弯曲、回流并进一步发展而形成；④一部分金属的局部变形被压入另一部分金属内形成[2,3]。

经过打磨发现，折叠的两侧有较严重氧化现象，并且深度较浅，分析轴箱拉杆体形成折叠的类型为第①种，杆部与头部过渡处两侧金属流动速度高于过渡处速度，成型过程中汇合形成折叠。通过分析轴箱拉杆体变形坯料（见图2），变形坯料杆部与头部过渡处圆角半径大小不一致，有的圆角半径过小，甚至出现尖点，其过渡处根部距离约105 mm，分析产生折叠的锻件为圆角半径过小的坯料，折叠部位在坯料杆部与头部过渡处的圆角根部，由于该处金属充填较慢，相邻部分均已充满时，此处仍缺少金属，形成空腔，当继续成型时，相邻部分金属汇流形成折叠。为了能直观判断折叠的产生原因是否正确，并合理地进行工艺改进，减少现场试制成本，拟采取有限元模拟辅助分析及优化工艺方案。

4 有限元分析

4.1 有限元分析介绍

有限元分析（finite element analysis，FEA）是指利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。该分析方法是利用简单而又相互作用的元素，即单元就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统[4,5]。设计绘制实体模型，并对其进行网格划分，然后通过有限单元法模拟金属成型过程，以获得零件在成型过程中不同阶段不同部位的应力分布、应变分布及金属的流动情况。

4.2 模拟分析轴箱拉杆体锻造成型过程

通过有限元分析软件模拟轴箱拉杆体模锻成型过程，根据图2所示实物，实测变形坯料尺寸，以杆部与头部过渡圆角较小的毛坯作为实测对象进行实体建模，绘制三维实体，导出.STL格式文件。同时绘制锻模实体，并导出.STL格式文件，将坯料及锻模.STL格式文件导入有限元分析软件，设置模锻成型过程参数，对轴箱拉杆体成型过程进行有限元模拟，观察其成型过程。

模拟锻造成型过程结束后，进入有限元分析后处理，观察轴箱拉杆体筋板处成型过程，并调取流动速度分布，如图3所示，发现拉杆体靠近端头处筋板首先成型，随后杆部金属与过渡处金属流动成型。但在成型过程中，过渡处金属流动速度缓慢，杆部金属充满型槽时，过渡处金属并未充满。上模继续下行，C、D处位置两侧金属开始汇流，上、下模闭合时，最终形成折叠，与实际生产中出现的折叠相同。

图3 流动速度分布

4.3 改进坯料并再次模拟锻造成型过程

根据对模拟成型过程的观察，确认产生折叠现象的原因，并改进坯料变形工艺，加大坯料杆部与头部过渡处圆角半径，以增加过渡处金属流动性，减少过渡处金属与杆部金属流动速度差异性，使成型时两处金属同时充满型槽，防止过渡处两侧金属汇流形成折叠。对改进后的坯料再次进行成型过程模拟，模拟结果如图4所示，飞边大小及材料分配合理，观察其成型过程，发现金属流动状态良好，坯料圆角过渡处金属先于杆部金属流动成型，最终充满型槽，该位置未出现折叠，能够生产合格的锻件[6-8]。

图4 工艺改进后模拟结果

4.4 实际生产验证

利用10 kN自由锻锤对改进后的坯料进行成型，加大变形时所用压辊直径，保证变形坯料圆角尺寸的稳定性。通过对改进后的制坯工艺再次进行小批量试制，成型状态与模拟结果相符，未出现筋板充不满或折叠现象，锻件表面质量良好，尺寸符合工艺要求。

5 结束语

利用有限元分析软件模拟轴箱拉杆体成型过程，能直观地了解整个成型过程；针对模拟中出现的质量问题，及时改进锻造工艺，以较低的成本，较快的周期解决生产中遇到的问题。将有限元分析方法同传统锻造工艺相结合，可解决轴箱拉杆体在实际生产中遇到的问题，节省了人力、物力。