火車輪模具磨損數值模擬分析

火車車輪為大型鍛件，在大噸位設備下進行熱變形，其所用熱鍛模具在高溫高壓下持續工作，極易產生磨損失效。但火車輪模具結構復雜、加工難度大、精度要求高、材料費用高昂，據統計，每年僅火車模具費用就千萬元以上；并且模具磨損還會影響到車輪的尺寸精度與表面質量。因此，研究模具磨損規律，尋找相應改進措施以提高模具壽命，具有非常重要的理論意義以及較高的經濟價值。

隨著數值模擬技術、摩擦磨損理論的快速發展，材料磨損行為的數值分析已成為研究模具磨損的新路徑。本文應用Deform-3D軟件對各模具磨損狀況進行模擬研究，并對其磨損行為的影響因素進行了分析，從而為改進模具設計、加工及車輪工藝參數制定等提供理論依據，最終達到提高模具壽命的目的。

火車輪熱成形過程分為預成形、軋制、壓彎沖孔三道工步。本案重點研究預成形過程，采用馬鋼車輪公司壓軋二線生產工藝，預成形包括初鍛、終鍛兩道工序，都在油壓機上完成，使用同一上模。其生產過程為：初鍛后上模抬起，下工作臺移動，更換下模臺。將初鍛壞放置到下成型模上對中后，上模壓下，完成終鍛，得到車輪預成形坯。

以 KKD915 車輪為例，基于 Deform-3D 平臺建立了三維熱力耦合剛塑性有限元模型，其中,模具視為剛性體，工件視為塑性體，壞料、上模、壓痕模和下模都由三維軟件 pro/E 導入，根據對稱性原則，在這里取1/4進行模擬運算。坯料材料為CL60鋼，初始溫度為1200℃；模具材料選用AISI-L6，代替國內5CrMnMo鋼，硬度定義為42HRC,預熱溫度為 300℃；設定上模運行速度 50mm/s,環境溫度為20℃，摩擦因數以 0.3計算。實際生產中，初鍛后要對模具進行降溫，因此終鍛時上模模擬溫度重設為300°C。

初鍛后，磨損主要發生在上模下壓,壞料向下流動進行墩粗，上模下方金屬，在巨大壓力下。流動速度快，而其中間金屬不與上模接觸，流速相對較慢，以填充上模型腔，填充時，與上模產生較小摩擦，僅在倒角發生輕微磨損。上模與壓痕模處，在整個變形過程，一直阻礙壞料墩粗向外流動，與金屬產生巨大摩擦，且與高溫坯料接觸時間長，使模具軟件，硬度降低，因而這兩處磨損特別大。

終鍛一開始，壓痕坯被壓彎變形，與模具摩擦較小，磨損較輕，隨著壓下量的增大，接觸時間增加，模具溫度升高，硬度降低，且坯料開始填充上、下模具模腔，成形力變大，摩擦加劇，磨損增大；在變形過程中，車輪輻板中間產生分流面，一部分金屬填充車輪輪轂處，一部分金屬填充車輪輪輞。磨損主要發生在下模b處兩側，而與分流面接觸下模，磨損相對較輕。

對于模具磨損來說，模具硬度是最重要的影響因素。在車輪生產中，模具材料多選用熱作模具鋼 5CrMnMo,其熱處理硬度范圍為 38～42HRC。本節設置摩擦系數為 0.3,模具初始溫度為300℃，模具硬度分別取 36HRC、39HRC42HRC 、45HRC 進行模擬分析。

隨著模具硬度的提高，上模的最大磨損深度不斷下降。因此在滿足模具材料韌性要求的前提下，提高模具硬度可以有效地延長其使用壽命。

模具初始溫度深刻地影響著模具的最大磨損深度。本節設置摩擦系數為 0.3,模具硬度為42HRC,模具初始溫度依次取 200、250、300、350 和400℃進行模擬分析。

隨著模具溫度的上升，上模的最大磨損深度不斷增大，在生產中，模具初始溫度過低，模具與鍛件材料之間溫差大，熱傳遞加劇，易產生冷熱應力造成模具損壞；初始溫度過高，模具硬度和強度下降，磨損加劇。250℃以下時，模具材料表面氧化程度比較弱，模具硬度也沒有明顯下降，客觀上降低了溫熱塑性成形中由氧化疲勞引起的熱磨損。因此綜合考慮，通過冷卻系統將模具初始溫度調節到200～250℃比較合適。

根據模擬結果，提出以下改進措施：

1)通過對鍛壓模具磨損變化最大的地方,進行尺寸極限負偏差取值的優化;保證模具韌性的前提下，提高模具硬度；調節模具初始溫度、充分潤滑都可以適當地延長模具的壽命。

2)根據查閱模具抗磨資料，通過對模具進行表面激光淬火、滲鉻等新型技術能提高模具耐磨性。

由此得出，在車輪預成形過程中，磨損主要發生在上模的上成型模外側、下模的下成型模外側和壓痕模的凸臺外側，并且上成型模磨損最為嚴重。保證模具韌性的前提下，提高模具硬度；控制模具初始溫度為200~250℃，都能減緩模具磨損。通過模具加工、設計，生產工藝參數調整，模具新型表面處理技術等措施可以顯著改善模具磨損狀況，提高模具使用壽命。