火车轮模具磨损数值模拟分析

火车车轮为大型锻件，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。

以 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。

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。