上、下襯板的鍛造工藝分析及模具設計

文／趙增華，陳明達，劉偉·齊齊哈爾軌道交通裝備有限公司

上、下襯板的鍛造工藝分析及模具設計

文／趙增華，陳明達，劉偉·齊齊哈爾軌道交通裝備有限公司

上、下襯板為薄板彎曲類鍛件。針對上、下襯板的結構特點，提出了合理的鍛造方案和切邊、彎曲方案，并制定了合理的加熱規范和冷卻規范，通過試制，針對鍛造過程出現的問題提出了相應的解決方案。

趙增華，工程師，主要從事大型鋼質模鍛件的工藝制定和模具設計工作，主持完成多種型號鐵路貨車用鍛造鉤尾框、鍛造鉤舌等模鍛件的試制工作，擁有1項專利。

襯板是貨車轉向架上的關鍵零部件，它由上襯板、下襯板和中間填充的內八字橡膠彈性剪切墊三部分構成（圖1）。轉向架通過此裝置來實現輪對的彈性定位、起減小轉向架簧下質量以及隔離輪軌間高頻振動等作用。本文通過對上、下襯板鍛件工藝分析、工藝方案制定、模具設計和工藝驗證等過程的介紹，展示了一種摩擦壓力機上薄板類彎曲模鍛件的工藝開發過程。

圖1 襯板的構成

結構分析

上襯板（圖2）和下襯板（圖3）為八字形寬板結構，材質為35鋼。上、下襯板厚度最薄尺寸為5mm，最厚尺寸為39mm，下襯板中圓角R要求為R6max。上襯板的下表面和下襯板的上表面形狀為波浪形黑皮面，由于這兩個面中間填充的物質為彈性橡膠墊，對黑皮面的表面質量要求較高；上襯板的上表面和下襯板的下表面為加工面，上襯板的上表面相對應裝配零件為側架，下襯板的下表面安裝在承載鞍上，為了保證安裝后的精度，上、下襯板的角度45°和135°，要求嚴格。

圖2 上襯板零件圖

圖3 下襯板零件圖

鍛造工藝分析及制定

根據上、下襯板的結構特點，為了保證鍛件的角度和下襯板中圓角精度的要求，并結合設備配置情況，制定上、下襯板的制造方案是先鍛造、彎曲后機加工，用機加工來保證角度和圓角精度。

制坯方案的選擇與確定

上襯板和下襯板鍛件厚度最大尺寸為42mm，最薄處厚度尺寸為8mm，由于鍛件厚度相差較大，在原材料選擇上困難較大。通過對上、下襯板截面的計算，準備了兩種方案。

第一種方案無需制坯，直接采用合適厚度的板料，板料的尺寸和上、下襯板的鍛件尺寸相仿，但板料在模鍛時，由于和模具的熱交換，容易導致坯料表面溫降迅速，從而增加金屬的流動阻力，影響鍛件的成形，因此需要較大的設備噸位。

第二種方案是增加預鍛工序，預鍛時采用較厚的板料或圓料，將上、下襯板的波浪形面鍛出，使預鍛毛坯的截面尺寸符合終鍛截面尺寸要求，降低終鍛變形量，從而降低變形所需要的設備噸位，也減小了終鍛模膛的磨損，提高了模具的使用壽命。

對比兩種方案，它們的優點和缺點對比見表1。綜合考慮，最終選擇了無預鍛方案用于本次襯板生產。根據產品的批量情況和設備能力，采用8000t摩擦壓力機鍛造生產。根據實際生產經驗，并結合產品的規格參數估算，使用8000t摩擦壓力機采取2次錘擊可滿足上、下襯板所需的變形力要求。

表1 兩種方案對比

模具設計

模具包括鍛造模具、切邊模具和彎曲模具。

鍛造模具設計

⑴模膛尺寸。根據上、下襯板的鍛件毛坯圖和1.5%的熱膨脹系數，生成上、下襯板的熱鍛件圖，完成模具模膛的設計。

⑵飛邊槽形式。由于鍛件的截面尺寸不均勻，且鍛件原材料和鍛件體積相差較大，根據設備噸位，選用飛邊槽形式見圖4。

圖4 飛邊槽形式

⑶模膛的排布。上、下襯板模膛均為單模膛設計，為了最大限度地減少鍛模在使用中的錯移量，從延長主螺桿及導軌、鍛模本身的使用壽命的觀點出發，襯板模膛的中心與設備的主螺桿中心重合。

⑷導鎖設計。由于8000t摩擦壓力機設備的導向精度較差，為了保證鍛件的錯移量，采用了角鎖扣形式的導鎖，來保證上下模具對準。

⑸模塊的尺寸。為了保證模具使用的壽命和使用過程中的安全性，模塊的尺寸需要通過最小壁厚和模塊的承擊面積來確定。模鍛時，鍛模應有足夠的接觸面積來阻止分模面的下沉，這個上、下模的接觸面被稱為承擊面，它是分模面減去模膛、飛邊槽、導鎖等處后的面積。查閱資料，結合模塊的最小壁厚和最小承擊面積要求，并考慮到8000t摩擦壓力機的裝模高度和模塊的重復利用次數，選取的模塊長、寬、高的尺寸分別為800mm、500mm和400mm。

切邊和彎曲模具設計

⑴切邊模具設計。8000t摩擦壓力機配套使用的熱切邊壓力機為2000t液壓機，因此切邊模具的設計需要考慮2000t液壓機的設備特性，如裝模高度、工作行程和速度等。

考慮到襯板鍛件厚度薄，熱量損失快，從模鍛結束后到切邊開始，鍛件的外形尺寸會有縮小，因此切邊凹模的刃口尺寸應比鍛模模膛的尺寸小，在實際應用中，鍛模模膛的熱膨脹系數一般選取1.5%，而切邊模具刃口尺寸的熱膨脹系數選取1.4%。為了保證切邊后的飛邊順利從凸模上取下，設計了卸料機構。

⑵彎曲模具設計。彎曲設備也選取2000t液壓機。彎曲模具由彎曲上模和彎曲下模組成，彎曲下模包括定位裝置，由于切邊后鍛件的溫度有溫降，為保證彎曲模具和鍛件尺寸匹配，彎曲模具的尺寸的熱膨脹系數選取為1.3%。

切邊和彎曲模具的具體形式如圖5所示。

圖5 切邊、彎曲模具

鍛件作業條件的制定

為保證上、下襯板鍛造后的尺寸、外觀質量和內部組織。需制定合適的加熱工藝規范和冷卻工藝規范。

⑴加熱工藝規范。鍛件的材質為35鋼，35鋼的始鍛溫度為1150～1200℃，終鍛溫度為750～800℃，考慮到加熱坯料為板料，加熱設備為雙門室式燃氣爐，加熱時產生氧化皮也比較嚴重，制定了加熱工藝為：加熱溫度1100～1150℃，加熱時間20～25min，第一爐裝爐量不大于10件，然后采取續料加熱方式生產。

⑵冷卻方式。考慮到上、下襯板鍛件為薄板彎曲件，且截面不均勻，如果冷卻速度過快，鍛件溫度應力過大，容易使鍛件產生變形，從而影響彎曲質量。采用堆冷工藝措施，可有效減緩鍛件的冷卻速度，使鍛件的各截面能緩慢均勻冷卻，降低溫度應力對鍛件尺寸的影響。

試制生產

在后期的試制過程中，鍛件的尺寸和內部質量達到工藝要求，但鍛件的表面質量（氧化皮硌坑）較差。為了保證產品質量，對加熱工藝進行了修正，計劃批量生產時改用中頻感應加熱爐加熱，并增加除氧化皮工序，圖6為鍛件試制過程生產現場圖。

圖6 鍛件試制過程

結束語

通過上、下襯板鍛造工藝的開發，積累了制定薄板彎曲類鍛件鍛造工藝的寶貴經驗。通過對上、下襯板進行結構分析，選擇合適的制坯工藝和鍛造設備，制定相應的工藝過程，設計了需要的模具，成功的完成了襯板的試制。