鐵路貨車鉤尾框模鍛成形工藝研究

文／趙會妙，李春海·南車石家莊車輛有限公司

鐵路貨車鉤尾框模鍛成形工藝研究

文／趙會妙，李春海·南車石家莊車輛有限公司

鐵路貨運行業(yè)近年來積極推進重載提速以緩解鐵路運能運力的不足，在鐵路道路方面主要是對原有道路的適應(yīng)性改造，在貨車車輛方面主要是增加各部件的承載能力。為適應(yīng)鐵路貨車車輛重載提速的要求，鐵路車輛近幾年來鑄件改鍛件的趨勢明顯。和鑄件相比，鍛件的強度和可靠性大大加強，品質(zhì)提升效果明顯。但鐵路鍛件普遍體積大、質(zhì)量重，而且從鑄件轉(zhuǎn)化為鍛件時一般仍保留許多鑄件的結(jié)構(gòu)特點而導(dǎo)致鍛件的形狀也比較復(fù)雜，這樣就形成了鐵路鍛件鍛造的一般特點：需要大噸位的鍛造設(shè)備，鍛造工藝復(fù)雜，成形難度大。

模鍛成形難點分析

鉤尾框?qū)儆趶?fù)雜的大型鍛件，其成形精度及質(zhì)量與成形設(shè)備的打擊力、預(yù)制坯的尺寸以及終鍛模具的設(shè)計都存在很大的關(guān)系。為保證鍛件精度和有效降低成形設(shè)備的終鍛打擊力，須對鉤尾框坯料進行制坯，目前國內(nèi)批量鍛造生產(chǎn)鉤尾框普遍采用自由鍛制坯或輥鍛制坯。

自由鍛制坯后采用大噸位摩擦壓力機模鍛，然后折彎成形。由于鉤尾框形狀復(fù)雜，自由鍛制坯時間較長，需兩火成形，存在著勞動條件差、生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高、能源消耗大、產(chǎn)品表面質(zhì)量較差等問題。

輥鍛制坯時間短、效率高，能夠保證終鍛溫度，因此可實現(xiàn)一火成形，生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低。

工藝方案的設(shè)計及優(yōu)化

為有效降低試驗成本，節(jié)省試驗驗證時間，我們運用數(shù)值模擬軟件對鉤尾框鍛造工藝方案進行了模擬計算，根據(jù)模擬計算結(jié)果選擇設(shè)備型號和原材料規(guī)格，再通過試制驗證確定最終的工藝及裝備方案。

工藝流程

根據(jù)鉤尾框的成形特點，為有效降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率，我們采用了輥鍛制坯、模鍛＋折彎成形的流水線生產(chǎn)工藝，鉤尾框生產(chǎn)工藝流程為：下料→中頻加熱→輥鍛→終鍛→切邊→彎曲→整形→焊接→熱處理→機加工→探傷。

制坯工藝方案

終鍛前，采用輥鍛機及相應(yīng)的輥鍛模具進行制坯。輥鍛工序完成后，毛坯除兩端頭部保持圓形截面外，其余部位的尺寸及形狀應(yīng)基本接近于鍛件相應(yīng)部位的尺寸及形狀。輥鍛后的坯料外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輥鍛后的坯料外形結(jié)構(gòu)

制坯完成后，框板及中間位置均接近鉤尾框鍛件外形，終鍛時，僅頭部成形需要的打擊力較大。采用這樣的制坯方式可有效降低鍛件終鍛時的打擊力，提高終鍛模具的使用壽命，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

等效應(yīng)力場分析

采用數(shù)值模擬軟件進行等效應(yīng)力場分析，終鍛成形的等效應(yīng)力場如圖2所示。

通過對比分析可知，鉤尾框鍛件在成形過程中，相對于已經(jīng)輥鍛制坯成形的中間部分而言，頭部為其變形量較大的部分，等效應(yīng)力會相應(yīng)增大，終鍛成形相對較為困難。但通過模擬分析，等效應(yīng)力最大也僅為200MPa左右，而8000t摩擦壓力機所能提供的打擊力完全能夠滿足鉤尾框的成形要求，保證產(chǎn)品成形質(zhì)量，因此選擇8000t摩擦壓力機(圖3）進行模鍛。

圖2 終鍛成形的等效應(yīng)力場

下料規(guī)格的優(yōu)化

試生產(chǎn)期間，我們采用了下料尺寸為φ160mm、下料重量為150kg左右的下料方案。為有效降低生產(chǎn)成本，提高材料利用率，我們提出了進一步優(yōu)化下料尺寸和下料重量的改進設(shè)想。為此，我們結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，運用數(shù)值模擬軟件進行了分析、試驗。

圖3 8000t摩擦壓力機

圖5 鉤尾框飛邊

在不調(diào)整輥鍛模具的情況下，改變原下料規(guī)格后，制坯過程中間部位用料不變，只是兩端頭部所剩余的材料發(fā)生了變化。由于只要保證兩端頭部的終鍛成形滿足要求即可，故本試驗方案只對終鍛成形過程進行了相應(yīng)的數(shù)值模擬。

根據(jù)鉤尾框的技術(shù)要求和選用的下料規(guī)格，用UG軟件完成模具及輥鍛毛坯的三維造型。將三維造型導(dǎo)入數(shù)值模擬軟件，結(jié)合試生產(chǎn)工藝設(shè)定模擬工藝參數(shù)：坯料溫度為1150～1200℃；模具預(yù)熱溫度為300℃；打擊力為80000kN；模具和坯料的網(wǎng)格數(shù)量分別為200000個和250000個；摩擦系數(shù)為0.3(鍛造過程采用水基石墨潤滑劑）；熱交換系數(shù)為11N/sec/mm/℃。

經(jīng)模擬軟件分析，當(dāng)選用φ155mm的棒料、下料重量為140kg時，鍛造的鉤尾框成形效果良好，能夠滿足工藝要求，這時的鉤尾框終鍛成形模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 鉤尾框終鍛成形模擬結(jié)果

由模擬結(jié)果可以看出，采用新的下料規(guī)格能夠使金屬完全充滿模腔。經(jīng)過輥鍛制坯后，終鍛時中間框板部分所產(chǎn)生的飛邊非常有限，這在很大程度上提高了材料的利用率。雖然頭部形狀比較復(fù)雜，但經(jīng)終鍛成形后此部分也能夠完全充滿，并沒有產(chǎn)生缺材問題。

在數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上，我們按上述下料尺寸和下料重量進行了批量為50件的產(chǎn)品試制，試制結(jié)果與模擬分析結(jié)果基本一致。優(yōu)化后的下料規(guī)格既滿足了鉤尾框最終成形質(zhì)量的技術(shù)要求，又有效減少了多余的飛邊材料，提高材料利用率約6%。

采用優(yōu)化后的下料規(guī)格，在經(jīng)過終鍛及切邊工序后得到的飛邊如圖5所示，可以看到，兩端頭部位置的飛邊較大，而中間框板部分的飛邊較小。

結(jié)束語

本文基于數(shù)值模擬技術(shù)實現(xiàn)了對鍛造鉤尾框下料方案優(yōu)化的模擬計算，在此基礎(chǔ)上著重分析了鉤尾框的成形特點及在終鍛過程中等效應(yīng)力的分布特點。

在現(xiàn)有模具及設(shè)備的基礎(chǔ)上，在滿足終鍛成形的前提下，我們優(yōu)化了下料規(guī)格，達(dá)到了提高材料利用率、降低生產(chǎn)成本的目的，并得到了以下結(jié)論：

⑴優(yōu)化后的下料規(guī)格可滿足鉤尾框的成形工藝要求，能夠得到合格的鍛件。

⑵三維有限元模擬結(jié)果與試制結(jié)果相符，減少了調(diào)試時間，降低了試驗成本。

⑶用料的減少有效地降低了變形力，提高了模具的使用壽命。

趙會妙，項目辦公室主任，高級工程師，兼任河北路友鐵路機車車輛配件有限公司總經(jīng)理，主要從事鐵路貨車配件的開發(fā)與研制工作，主持完成了輥鍛技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用、鐵路貨車鉤尾框和上心盤等鍛造生產(chǎn)線技術(shù)改造和工藝轉(zhuǎn)化實施項目等，擁有7項專利技術(shù)。