一種中心鍥塊模鍛工藝優化

盛志敬，羅彥云，張洞川，牛迎春，何熙時

（株洲中車天力鍛業有限公司，湖南 株洲 412000）

本文中中心鍥塊屬于鐵路貨車緩沖器上的關鍵零件，需模鍛成形。該產品非加工面占比達到95%以上，表面質量和尺寸精度要求較高。中心鍥塊現有鍛造工藝為：制方坯—卡壓預鍛—終鍛成形—切邊—整形，操作工藝流程復雜，且零件叉部尖角易出現折疊。

1 工藝分析

中心鍥塊如圖1所示，屬于對稱叉口鍛件[1]，除了叉口鉆孔和方孔尾部端面銑平需加工外，其余均為非加工面。根據中心鍥塊零件圖分析，此鍛件采用開式模鍛方案，因為鍛件上、下對稱故分模面選擇在鍛件中間位置。通過分析計算鍛件各部分的截面積，該中心鍥塊鍛件方孔尾部最小截面積相當于直徑Φ100mm的圓棒料，方孔尾部最大截面積相當于約直徑Φ140mm的圓棒料。鍛造時尾部金屬有從最小截面積向最大截面積處流動的趨勢。現工藝一般采用先制方坯，然后卡壓預鍛，最后終鍛工序，工序多，工件流轉時間長。

圖1 中心鍥塊

2 鍛模設計

根據以上工藝分析，本文設計了一款中心鍥塊鍛模，把制坯和卡壓預鍛工序合成一道工序，節省了工序和工件流轉時間。鍛模設計圖如圖2所示，預鍛型腔高度比終鍛型腔高度尺寸大5mm，長度和寬度比終鍛小1mm～3mm左右，預鍛叉形部位采用大圓角加斜面和平直段形式，用于坯料劈開分流，其中平直段長度比叉部開口小約5mm，中間設計凹弧，便于坯料放置；預鍛型腔四周采用大于7°的斜度和大圓角，用于減小坯料往四周擴散的趨勢從而使坯料易于往叉部尖端流動，同時保證預鍛件進入終鍛型腔易于對正。終鍛型腔按鍛件圖加工，熱脹率取1.2%，合模方向按負差制作。

圖2 鍛模圖

3 數值模擬

對坯料、鍛模進行3D建模，然后導入仿真模擬軟件。始鍛溫度設置1150℃，模具的預熱溫度設定為300℃，上模下壓運動速度取為300mm/s，摩擦系數設定為0.3，將有限元模型進行定義材料、劃分網格、設置運動條件、設置坯料、模具等相對位置后，進行分析求解，最后對數據進行分析處理。

坯料縱向直接放入預鍛型腔。隨著鍛模上模金屬在初始成形時，坯料叉部端先被劈開分流，然后成形底部方孔，最后往叉部尖端流動，整個預鍛過程中金屬流動性良好，無折疊，見圖3。圖4為預鍛后金屬與模具間隙距離圖，借助于仿真模擬軟件分析可知預鍛后金屬并未全部充滿型腔，其中兩個方孔部位與模具型腔間隙最大相差7mm左右，其原因為此部位筋板厚度不足10mm，高度為35mm，導致金屬流動阻力大且冷卻速度較快，所以容易產生充不滿的情況。圖5為鍛件溫度場分布圖，從圖中可以看出預鍛后鍛件溫度在1030℃～1180℃之間，其中鍛件薄壁部位溫度略低。

圖3 預鍛金屬流動圖

圖4 預鍛后金屬與模具間隙距離圖

圖5 預鍛后鍛件溫度場分布圖

預鍛型腔比終鍛型腔在高度方向高5mm左右，在鍛造過程中金屬流動有向受力最小的方向流動趨勢，故預鍛造后直接進入終鍛。終鍛模擬，預鍛件根據拔模斜度先自行對正，然后尾部方孔與叉部隨著模具打靠，金屬全部充滿模具終鍛型腔，整個過程金屬流動性良好，無折疊。圖6為終鍛時鍛件金屬流動圖，箭頭的指向表示金屬流動方向，不同的顏色表示金屬流動速度大小。從圖中可以看出鍛件兩個方孔部位金屬流動比其它部位大，金屬流動方向基本沿鍛件外形輪廓，無交叉、亂流。圖7為終鍛造后金屬與模具之間間隙距離圖，從圖中可以看出，鍛件與模具間隙距離≤0.1mm，表明終鍛后金屬充滿型腔。圖8為終鍛后鍛件溫度場分布圖，工件溫度1110℃～1170℃之間。圖9為鍛造過程中載荷—時間圖，從圖中可以看出預鍛時最大鍛造力為3810t，終鍛時最大鍛造力為2770t。

圖6 終鍛金屬流動圖

圖7 終鍛后金屬與模具間隙距離圖

圖8 終鍛后鍛件溫度場分布圖

圖9 鍛造過程載荷—時間圖

4 工藝驗證

工藝試驗根據鍛造模擬，坯料中頻電感應加熱后先在預鍛型腔內進行預鍛，緊接著進行終鍛，鍛件充滿性良好，終鍛后使用紅外線測溫儀測得表面溫度在1050℃左右，其中鍛件薄壁部位溫度略低，鍛造實際生產過程與模擬過程基本相符。中心鍥塊鍛件實物如圖10所示，鍛件無損檢測未發現表面有裂紋、折疊等缺陷，尺寸檢測完全滿足工藝圖紙要求，鍛件飛邊連續且比較均勻，說明鍛模及工藝設計都比較合理。該產品現已批量生產，產品合格率為100%。

圖10 中心鍥塊鍛件實物圖

5 結語

在分析中心鍥塊鍛造工藝基礎上，根據鍛造工藝優質化、工藝省力化原則，中心鍥塊坯料采用中頻電感應加熱，優化了工藝流程，并通過了數值模擬和工藝試驗驗證，把制坯和預鍛工序合成一道工序，節省工序和工件流轉時間，提高了生產效率和產品合格率。