電力機車加強角鍛造工藝改進

文／張濤·中國中車股份有限公司

馮銳·中車大同電力機車有限公司

加強角為某和諧系列電力機車司機室配件，材質為45 鋼，經鍛造而成，其鍛件外形尺寸如圖1 所示。由圖1 可以看出，該鍛件呈直三棱柱形狀，底面為直角邊80mm 的直角三角形，高度為85mm。

考慮到該鍛件是一個直三棱柱，單個鍛件若采用自由鍛進行鍛造難以成形，且操作者需多次翻轉坯料，工作強度大。因此設計了1t 自由鍛+帶鋸床鋸切的生產工藝，可同時生產多個加強角鍛件。具體生產工序如圖2 所示。

⑴將φ100mm 的圓棒料加熱至規定溫度，保溫規定時間后，在1t 自由鍛錘上進行拔長，鍛制成截面為80mm×80mm 的長方坯；

⑵待其冷卻后，將長方坯在帶鋸床鋸切成高85mm 方坯；

⑶最后將該方坯的正方形面沿對角線鋸切成兩個加強角鍛件。

生產部門按此工藝生產的加強角鍛件在質量檢查時發現廢品率較高，不符合鍛件圖紙要求。其主要問題表現在：

⑴鍛件直角三角形面的一個邊長小于規定尺寸，無法進行下個工序的機械加工；

⑵部分廢品無法保證為規則的直三棱柱，直面不直，無法進行下個工序的機械加工。

此外，在生產過程中發現，依照該工藝雖然一次可以鍛造多件產品，但必須經過兩次鋸切才能最終得到成品。這種工藝生產周期長，工序多，能耗高，也使得成本增加不少。

問題分析與改進

尺寸不合格原因分析

對尺寸不合格鍛件觀察發現，其全部都是鍛件直角三角形面且一邊長一邊短。很明顯是在鋸切方坯時，鋸條沒有對準對角線切割，在帶鋸床上試驗兩塊方坯后發現兩點原因。

⑴因為帶鋸鋸條柔韌性強，很容易彎曲扭轉，所以其在鋸切加強角鍛件時鋸切方向很容易發生偏轉，造成鍛件尺寸不合格，如圖3(b)所示；

⑵由于帶鋸床夾持工裝為直板狀，沿對角線夾持時不牢固。當鋸床工作時，鍛件受到很大的橫向拉力，此時很容易造成鍛件偏移，導致尺寸無法保證，如圖3(c)所示。

鍛件為非規則直三棱柱原因分析

這部分鍛件廢品，表現為直面不直，具有一定的弧度或斜度。根據鍛件情況及觀察自由鍛錘工作后發現，鍛件的直面全是在鋼坯第一步拔長時靠自由鍛錘的砧面鍛平。因為鋼坯較長，砧面錘面相對較小，且還存在人工操作及設備穩定性因素的影響，所以造成直面不直的現象。

生產效率低，生產周期長原因分析

通過圖2 可以看出，在第一道自由鍛拔長工序時，拔長一段鋼坯所需時間并不多，然而后兩道鋸切工序卻累計需要0.6 ～1 小時。可見生產工序多、工時長是導致生產效率低的原因。

改進方法

對該加強角鍛造工藝改進主要從以下兩方面進行，一是提高鍛件質量，二是減少工序流程。因此，鍛件最好能夠一次成形，從而省去后面的鋸切工序。要使鍛件一次成形，且得到好的鍛件質量，簡單的自由鍛顯然不行，這要求鋼坯在鍛造變形時必須可以控制向理想方向變形。基于以上分析，且加強角鍛件較小、形狀簡單，加工一副鍛模成本相對較低，所以決定采用模鍛使加強角鍛件一次成形。

模鍛工藝設計

繪制鍛件圖

⑴確定分模位置。

根據加強角形狀確定三棱柱直角兩面為固有的傾斜面，為自然的斜度，不用添加斜度即可自然出模，分模面設置如圖4 所示。

⑵確定公差和加工余量。

鍛件形狀復雜系數較低，根據自身尺寸及有關手冊確定其長度、寬度、高度公差為+2mm 和-1mm。

零件底面按等邊直角三角形進行考慮，其邊長實際為73.5mm。并且零件需銑削加工，加工工序較多，故單邊余量設置為6.5 ～11mm。

⑶確定模鍛斜度。

加強角鍛件的兩個直角面為自然斜度，其他兩面斜度均設置為5°。

⑷確定圓角半徑。

鍛件較小，形狀不復雜，故圓角半徑設置為3mm。

⑸技術條件。

1)未注拔模斜度為5°；

2)未注圓角半徑為3mm。

⑹繪制鍛件圖如圖5 所示。

計算鍛件主要參數

⑴鍛件體積：V件=S底×H=288000mm3

⑵鍛件質量：M件=V件×ρ=2.27kg

ρ—鋼鐵密度取7.85×10-6kg/mm3

⑶分模面周長：C=2×(A+B)=2×(95+113)= 416mm

A、B—鍛件分模面邊長

⑷分模面投影面積：F件=A×B=95×113=10735mm2

確定模鍛錘噸位

按鍛件在分模面上的投影面積、鍛件復雜程度和變形抗力大小確定模鍛錘噸位：

G=αβF件=1×0.09×10735=966.15kg

α—合金變形抗力系數，鋼取1.0

β—鍛件復雜程度系數，中等復雜取0.09

F件—不包括毛邊的模鍛件在分模面上的投影面積(mm2)

現有2t 和5t 兩種模鍛錘，經計算選擇2t 模鍛錘進行鍛造，配合250t 切邊壓力機。

確定毛邊槽尺寸形式

選定毛邊槽尺寸為橋部高1.5mm、長10mm，倉部高4mm、長30mm，如圖6 所示。

飛邊槽橫截面積：F飛=F橋+F倉=15+120=135mm2

F橋—飛邊槽橋部橫截面積

F倉—飛邊槽倉部橫截面積

確定終鍛型槽

終鍛模膛是按照熱鍛件圖加工和檢驗的，熱鍛件圖在鍛件圖的基礎上考慮熱收縮率后繪制。加強角材料為45 鋼，查閱相關手冊確定收縮率為1.2%。根據鍛件圖設計圓角R3mm，拔模斜度5°。

熱鍛件圖尺寸計算公式：L=l(1+δ)

L—熱鍛件尺寸

l—鍛件尺寸

δ—終鍛溫度下金屬的收縮率

熱鍛件圖如圖7 所示。

繪制鍛模圖

加強角鍛模分為上下兩塊鍛模，下模設計終鍛模膛，上模為沒有模膛的平模。下模終鍛模膛設計在錘擊中心。鍛模下模如圖8 所示，加強角鍛模加工完成后如圖9 所示。

確定坯料尺寸

⑴飛邊體積的計算。

模鍛時，飛邊并不完全充滿飛邊槽。據經驗，按0.7 倍的飛邊槽橫截面積乘以分模面周長可以得到近似的飛邊體積。

V飛=C×0.7F飛=416×0.7×135=39312mm3

⑵坯料體積計算。

V坯=(V飛+V件)×(1+μ)=(39312+288000)×(1+3%)=337131.36mm3

μ—燒損率取3%

⑶平均橫截面積。

F均=V坯/L均=337131.36/[(85+95)/2]=3745.90mm2

L均—鍛件平均長度

⑷坯料截面積計算。

F坯=kF均=1.2×3745.90=4495.08mm2

k—數值在1.02 ～1.3 之間，根據鍛件復雜程度確定為1.2。

⑸坯料直徑計算。

d坯=2×(F坯/π)1/2=75.65mm

根據原材料規格，決定生產坯料取直徑80mm 的圓棒料。

⑹生產坯料長度計算。

L坯=V坯/S坯=337131.36/[π×(80/2)2]=67.10mm

S坯—生產坯料截面積

經試制調整確定坯料長度為70mm。

加強角鍛件鍛造

經帶鋸床鋸切下料后，采用天然氣爐進行加熱，加熱溫度1170±50℃，始鍛溫度1150±50℃，終鍛溫度≥800℃。

結論

按上述工藝對加強角進行模鍛生產，經檢驗，完全符合要求。

加強角鍛件的模鍛鍛造，很好地解決了前期生產中的問題。不僅提高了鍛件質量，還有效地提高了生產效率，縮短了生產周期，降低了能耗。對加強角鍛造工藝的成功改進，在質量、效益、技術和節能減排方面都起到積極作用，并對以后同類產品的生產也起到借鑒作用。