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，品質提升效果明顯。但鐵路鍛件普遍體積大、質量重，而且從鑄件轉化為鍛件時一般仍保留許多鑄件的結構特點而導致鍛件的形狀也比較復雜，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備，鍛造工藝復雜，成形難度大。

模鍛成形難點分析

鉤尾框屬于復雜的大型鍛件，其成形精度及質量與成形設備的打擊力、預制坯的尺寸以及終鍛模具的設計都存在很大的關系。為保證鍛件精度和有效降低成形設備的終鍛打擊力，須對鉤尾框坯料進行制坯，目前國內批量鍛造生產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、生產效率低、生產成本高、能源消耗大、產品表面質量較差等問題。

輥鍛制坯時間短、效率高，能夠保證終鍛溫度，因此可實現一火成形，生產效率高、生產成本低。

工藝方案的設計及優化

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

工藝流程

根據鉤尾框的成形特點，為有效降低生產成本、提高生產效率，我們采用了輥鍛制坯、模鍛＋折彎成形的流水線生產工藝，鉤尾框生產工藝流程為：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基本接近于鍛件相應部位的尺寸及形狀。輥鍛后的坯料外形結構如圖1所示。

圖1 輥鍛后的坯料外形結構

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，降低產品的生產成本。

等效應力場分析

采用數值模擬軟件進行等效應力場分析，終鍛成形的等效應力場如圖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，等效應力會相應增大，終鍛成形相對較為困難。但通過模擬分析，等效應力最大也僅為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，保證產品成形質量，因此選擇8000t摩擦壓力機(圖3）進行模鍛。

圖2 終鍛成形的等效應力場

下料規格的優化

試生產期間，我們采用了下料尺寸為φ160mm、下料重量為150kg左右的下料方案。為有效降低生產成本，提高材料利用率，我們提出了進一步優化下料尺寸和下料重量的改進設想。為此，我們結合實際生產經驗，運用數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

在不調整輥鍛模具的情況下，改變原下料規格后，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的數值模擬。

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

經模擬軟件分析，當選用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果如圖4所示。

圖4 鉤尾框終鍛成形模擬結果

由模擬結果可以看出，采用新的下料規格能夠使金屬完全充滿模腔。經過輥鍛制坯后，終鍛時中間框板部分所產生的飛邊非常有限，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雜，但經終鍛成形后此部分也能夠完全充滿，并沒有產生缺材問題。

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

采用優化后的下料規格，在經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。

結束語

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

在現有模具及設備的基礎上，在滿足終鍛成形的前提下，我們優化了下料規格，達到了提高材料利用率、降低生產成本的目的，并得到了以下結論：

⑴優化后的下料規格可滿足鉤尾框的成形工藝要求，能夠得到合格的鍛件。

⑵三維有限元模擬結果與試制結果相符，減少了調試時間，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理，主要從事鐵路貨車配件的開發與研制工作，主持完成了輥鍛技術的開發與應用、鐵路貨車鉤尾框和上心盤等鍛造生產線技術改造和工藝轉化實施項目等，擁有7項專利技術。