高速轉(zhuǎn)向架上抗蛇形減振器產(chǎn)品的鍛造工藝研究

文／唐林，朱巖，劉金海，唐振英·中車齊齊哈爾車輛有限公司

高速轉(zhuǎn)向架上抗蛇形減振器產(chǎn)品的鍛造工藝研究

文／唐林，朱巖，劉金海，唐振英·中車齊齊哈爾車輛有限公司

抗蛇形減振器產(chǎn)品是高速轉(zhuǎn)向架上的關鍵部件，利用Deform-3D軟件對預定的方案進行有限元分析，采用φ170mm圓鋼能有效的完成鍛件的充型，但直接成形會產(chǎn)生較大的飛邊且大幅度提高鍛造成形力；通過采用自由鍛預制坯料進行鍛造模擬分析并優(yōu)化，減少了鍛造所需的打擊力和投料重量，根據(jù)模擬優(yōu)化結(jié)果最終制定了在8000t螺旋壓力機上進行生產(chǎn)的工藝方案。

在鐵路貨車行業(yè)重載快捷的大背景下，高速轉(zhuǎn)向架（圖1）是以后發(fā)展的重點方向，該轉(zhuǎn)向架上的部分鑄件在實際裝車，應用過程中無法滿足使用需求。后部分鑄件改為鍛件，采用自由鍛造工藝進行生產(chǎn)，但自由鍛件加工量太大、成本高、效率低，滿足不了批量生產(chǎn)需求，因此需進行模鍛工藝的研究，以便更好地保證鍛件質(zhì)量、提高效率、降低生產(chǎn)制造成本。選取了抗蛇形減振器作為典型產(chǎn)品進行模鍛工藝研究，采用Deform-3D軟件對該產(chǎn)品各種方案鍛造工藝模擬及優(yōu)化，最終制定了工藝生產(chǎn)方案。

圖1 高速轉(zhuǎn)向架

產(chǎn)品特點及鍛造工藝性分析

產(chǎn)品特點

抗蛇形減振器如圖2所示，為楔形局部帶高筋產(chǎn)品，且楔形部位較薄，局部截面變化較大，采用整體鍛造結(jié)構(gòu)。

圖2 抗蛇形減振器產(chǎn)品三維

鍛造工藝性分析

根據(jù)該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點設計了如圖3所示鍛件。該鍛件為楔形局部帶高筋鍛件，帶筋部位較薄、較深，難于鍛造成形，產(chǎn)品截面積變化較大，板厚尺寸較薄，因此在鍛打過程中會增加鍛件的變形抗力。

圖3 鍛件三維

工藝過程模擬及工藝方案的制定

經(jīng)過對產(chǎn)品的工藝性分析，該產(chǎn)品局部高筋為難成形部位，該部位較高較窄。利用三維軟件對抗蛇形減振器參數(shù)化建模，用Deform-3D軟件平臺對建立的三維模型進行有限元模擬，通過對不同坯料的模擬，揭示出產(chǎn)品生產(chǎn)變形過程及規(guī)律，最終選定坯料的規(guī)格尺寸。

采用φ150mm的圓鋼進行模鍛過程模擬

經(jīng)過對鍛件各部位截面的計算，該產(chǎn)品鍛造后所需最大截面需采用φ150mm圓鋼，根據(jù)測得的重量加上燒損和飛邊重量進行計算，下料規(guī)格為φ150mm×200mm，下料重量28kg。按此規(guī)格坯料進行模擬，模擬結(jié)果如圖4所示。

坯料溫度設定為1150℃，為了模擬過程更加準確，網(wǎng)格劃分為100000個，上、下模具溫度設為250℃。上模運動速度設定為400mm/s。

經(jīng)過模擬最終成形結(jié)果如圖4所示，此時鍛造力為6100t，可以看出最終成形后鍛件高筋處充型不到一半，無法完成坯料的鍛造成形，因此該方案不予考慮。

圖4 采用φ150mm圓鋼模鍛成形結(jié)果

采用φ170mm的圓鋼進行模鍛過程模擬

基于以上的模擬分析結(jié)果，對坯料下料規(guī)格做了調(diào)整，將下料規(guī)格調(diào)整為φ170mm×185mm，下料重量33kg，比方案一多下料5kg。坯料溫度設定為1150℃，為了模擬過程更加準確，網(wǎng)格劃分為100000個，上、下模具溫度設為250℃。上模運動速度設定為400mm/s。

經(jīng)過模擬最終成形結(jié)果如圖5所示，可以看出采用該種規(guī)格坯料鍛件能充型完全，但是產(chǎn)生較大的飛邊，造成材料的浪費，鍛造成形力較大，達到16000t?；谀壳板懝ぼ囬g所有設備，只有500kJ對擊錘能夠滿足鍛造力要求，但對擊錘生產(chǎn)線承擔16型、17型等多種鉤尾框及上心盤的生產(chǎn)任務，生產(chǎn)能力飽和，并且抗蛇形減振器屬于中小型鍛件，500kJ對擊錘的模具成本高，在其上生產(chǎn)的經(jīng)濟效益低，綜合考慮，排除了抗蛇形減振器在500kJ對擊錘上生產(chǎn)的方案。

圖5 采用φ170mm圓鋼模鍛成形結(jié)果

采用自由鍛預制坯的方式進行模鍛過程模擬

鑒于上述對圓鋼成形的模擬分析，采用自由鍛進行預制坯方式。預制坯料尺寸及坯料在模具中擺放如圖6所示。

圖6 預制坯料尺寸及在模具中擺放位置

坯料溫度設定為1150℃，為了模擬過程更加準確，網(wǎng)格劃分為100000個，上、下模具溫度設為250℃。上模運動速度設定為400mm/s。

經(jīng)過模擬最終成形結(jié)果如圖7所示，可以看出采用自由鍛預制坯料的鍛件能充型完全，但是產(chǎn)生較大的飛邊，造成材料的浪費，鍛造成形力比φ170mm圓鋼坯料方案小，達到13000t。飛邊已經(jīng)溢出倉部，溢出的金屬增加了鍛造所需的打擊力，坯料重量為34kg，下料過大。

圖7 自由鍛坯料模鍛成形結(jié)果

對自由鍛預制坯方案進行工藝優(yōu)化

鑒于上述對自由鍛造坯料的模擬分析，對預鍛坯料的尺寸進行優(yōu)化，降低了下料重量，預鍛坯料的重量為28.9kg。優(yōu)化后的預制坯料尺寸如圖8所示。

坯料溫度設定為1150℃，為了模擬過程更加準確，網(wǎng)格劃分為100000個，上、下模具溫度設為250℃。上模運動速度設定為400mm/s。

經(jīng)過模擬最終成形結(jié)果如圖9所示，可以看出采用優(yōu)化后的自由鍛預制坯料的鍛件能充型完全，飛邊尺寸合適，鍛造成形力比優(yōu)化前小，打擊力為9200t，可以在8000t螺旋壓力機生產(chǎn)線進行生產(chǎn),坯料重量比優(yōu)化前減少5.1kg。

圖8 優(yōu)化后預制坯料尺寸及在模具中擺放位置

圖9 優(yōu)化后的自由鍛坯料充型結(jié)果

結(jié)論

通過采用不同坯料對抗蛇形減振器的鍛造過程進行有限元模擬分析，為實際生產(chǎn)提供有效依據(jù)，模擬結(jié)果表明:

⑴采用φ170mm圓鋼能有效的完成鍛件的充型，但直接成形會產(chǎn)生較大的飛邊且大幅度提高鍛造成形力。

⑵采用自由鍛預制坯料減少了鍛造所需的打擊力，減少投料重量，可以在8000t螺旋壓力機上完成該產(chǎn)品的生產(chǎn)試制。