16型鉤尾框輥鍛制坯工藝

文/ 楊光，蔣鵬，楊勇·北京機電研究所

陳明達·中國北車齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司

16型鉤尾框輥鍛制坯工藝

文/ 楊光，蔣鵬，楊勇·北京機電研究所

陳明達·中國北車齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司

輥鍛工藝可以使坯料延伸變形，坯料經輥鍛模壓縮后，除一小部分金屬沿橫向流動而使坯料寬度有所增加外，大部分被壓縮的金屬沿著坯料的長度方向流動。輥鍛還可以進行多道次成形，主要考慮各個道次的匹配關系，最終將原始坯料進行合理的體積分配，得到各截面積符合要求的輥鍛件。輥鍛變形過程中輥鍛模只與毛坯一部分接觸，所以變形力較小。

輥鍛工藝的特點是：①生產效率高；②節約金屬材料；③提高鍛件的內在質量；④勞動條件好；⑤容易實現自動化。由于輥鍛工藝具有一系列的優點，所以在國內外都得到了普遍的應用。鐵路火車用16型鉤尾框鍛造前的制坯采用了輥鍛工藝，本文介紹了在φ1250mm輥鍛機上輥鍛制坯16型鉤尾框的工藝數值模擬過程及結果，主要包括輥鍛模的設計過程、利用Catia三維軟件進行輥鍛模參數設計、完成三維造型、利用QFORM-3D模擬軟件對輥鍛成形過程進行數值模擬、對模擬結果進行分析，最后，通過現場的實際生產情況，對模擬結果加以驗證。

16型鉤尾框輥鍛制坯工藝

16型鉤尾框與17型鉤尾框相比較，框板和鉤尾框尾部尺寸相差不大，其主要區別在兩個端部，16型鉤尾框大頭端部最大截面成形需要直徑為φ180mm的坯料。但是現有φ1000mm輥鍛機的最大輥鍛坯料直徑為φ160mm，因此要想完成16型鉤尾框的成形，輥鍛結束后需要增加一個鐓頭的工序，使大頭坯料截面尺寸由φ160mm變為φ180mm，再進行模鍛成形。整個鍛造過程需要兩火次完成，對生產效率及鍛件的質量都產生了影響。φ1250mm輥鍛機最大輥鍛坯料直徑為φ200mm，能滿足16型鉤尾框最大截面積的要求，φ1000mm及φ1250mm輥鍛機參數見表1。

表1 φ1000mm輥鍛機和φ1250mm輥鍛機基本參數

確定工藝流程

針對16型鉤尾框異形、薄壁、有深腔的成形特點，并結合現場車間實際設備的配置情況，采用φ1250mm輥鍛機制坯+500kJ對擊錘上模鍛的成形工藝。因此確定16型鉤尾框的工藝流程為：中頻爐加熱→φ1250mm輥鍛機制坯→500kJ對擊錘終鍛→切邊→彎曲。該工藝具有以下優勢：

⑴精度高、加工余量少、材料利用率高。輥鍛工藝能更準確合理地控制分配金屬體積變形過程。

⑵產品內部質量好。輥鍛是坯料延伸變形的工藝過程，金屬沿著坯料的長度方向流動，金屬流線好，內部組織致密，晶粒細小，其機械強度、耐磨性和疲勞壽命明顯高于用自由鍛工藝生產的鍛件。

⑶生產效率高。使用輥鍛-整體模鍛工藝后，提高了生產效率，加熱火次可減成一火。

⑷綜合成本低。該工藝具有材料利用率高、機加工工時少、生產能耗低等優點，因而綜合成本較低。

16型鉤尾框曾采用φ160mm的坯料在φ1000mm輥鍛機上制坯+8000t摩擦壓力機上模鍛的成形工藝，但是得到的產品表面質量粗糙，鉤尾框兩頭填充不滿，有缺料現象。為了滿足16型鉤尾框鍛件最大截面積的要求，需要下料尺寸為φ180mm×875mm，因此，采用了更大規格的輥鍛機。

輥鍛模具設計

通過對16型鉤尾框鍛件圖進行分析，給出鍛件各部位截面圖并計算出毛坯尺寸，根據輥鍛件最小截面積的總延伸系數，計算出輥鍛道次，選擇合適的型槽系組合，確定合理可行的輥鍛毛坯圖（圖1），最終設計出各個道次的輥鍛模。

圖1 16型鉤尾框輥鍛制坯工步及各道次輥鍛件圖

QFORM-3D模型建立

基于QFORM-3D平臺，采用上述工藝對整個輥鍛過程進行模擬。輥鍛完成后，彈性部分釋放的殘余應變比塑性部分引起的殘余應變小的多，因此我們采用剛塑性模型來完成整個模擬過程。模擬參數設置為：⑴變形體材料確定為45號鋼，牌號AISI-1045；⑵變形體劃分網格數為80000單元，坯料加熱溫度為1200℃；⑶摩擦模型采用庫侖摩擦，摩擦系數為μ＝0.4；⑷在模擬過程中采用剛塑性有限元模型；⑸輥鍛機轉速為0.837rad/s；⑹材料為各 向同性并服從Mises屈服準則；⑺模具在輥鍛和模鍛過程中變形量相對于坯料的變形量微小，所以模具材料設為剛體；⑻下料尺寸為φ180mm×875mm。

輥鍛過程等效應變場

等效應變反映了材料在不同部位壓下量不同時的變形程度，16型鉤尾框輥鍛工藝四道次輥鍛成形過程的各道次等效應變場分布如圖2所示。

圖2a為第一道次的輥鍛成形等效應變場，可明顯看出最大變形部位產生于坯料被咬入的厚壁部分即鉤尾框框板位置，這是由于坯料初始狀態是靜止的，被咬入后隨著鍛輥一起運動，靜止的坯料要與鍛輥線速度一致需要一個加速過程，輥鍛模與加速過程的輥坯接觸角度與時間較大，而且輥坯越靠近中心線的部位壓下量越大，進而導致坯料這部分的變形較大。從圖2b可以看出，坯料經90°旋轉進入圓形型槽，這時第一道輥坯兩側面變形區域進入第二道型腔中心線部位，得到的變形較均勻。由圖2c可以看出，第三道次輥鍛主要成形鉤尾框尾部，并且對前后框板部位進行預成形。由于壓下量沒有第一道次那么大，所以變形較為均勻。由圖2d可知，第四道輥鍛成形部位只有鉤尾框框板處，鉤尾框尾部在第四道次輥鍛成形中后部也發生了較為明顯的變形，使輥鍛件有嚴重的缺料現象，會造成模鍛成形時鉤尾框尾部充不滿的缺陷。

由圖2a、2b等效應變場分析可知，第三道次鉤尾框尾部本不該在第四道發生變形，但在第四道次輥鍛過程中發生了明顯的變形，說明第四道次輥鍛過程存在與第三道次型腔不匹配的問題。通過模擬分析對設計方案進行調整，根據對模擬結果的測量，決定將第四道模具鉤尾框尾部后面部分進行修改，并得到了合格的輥坯。

圖2 各道次變形結束時輥坯等效應變圖

輥鍛過程溫度場

圖3為16型鉤尾框輥鍛過程各道次結束時金屬坯料的溫度場分布。坯料出中頻爐的溫度為1200℃，輥鍛結束時坯料溫度有所下降，如圖3a所示，其中輥坯變形區域的溫度有明顯下降，該區域的金屬長時間與模具接觸，受到輥鍛模激冷作用，溫度迅速下降。變形過程沿著縱向由變形區首端向末端移動，坯料的溫度逐步降低，分析輥鍛變形特點可知，從變形區首端到末端變形量逐漸減小，因此，在變形區末端會出現最低溫度（至1010℃）。后續道次輥鍛過程中，溫度場變化規律和第一道輥鍛基本一致，均為變形區域溫度下降明顯，但由圖3b、3d也可以看出，由上一道次經機械手旋轉90°進入下一道輥鍛時，變形區溫度有所回升，這是由于這道輥鍛過程中上一道變形區域再次變形，從而有變形熱補償了溫度損失。此外，不參與變形的工藝頭和鉤尾框大頭部位由于一直在空氣中，與空氣產生了熱交換，溫度也稍有下降。

圖3 輥鍛成形過程的溫度場模擬結果

工藝試驗

根據上述QFORM-3D模擬的結果，在φ1250mm輥鍛機上進行四道次輥鍛試驗。經過對各道次坯料的實際測量，鉤尾框輥鍛件的形狀尺寸滿足鍛件圖的設計要求，未出現折疊、飛邊和充不滿等缺陷，為后續的模鍛工藝提供了合適的輥鍛坯料。各道次輥坯的實測溫度比模擬結果偏低，經分析是輥鍛后氧化皮對測量結果的影響，其實際溫度能滿足后續模鍛的溫度要求，并且模鍛后鍛件溫度也保證了熱切邊工序對溫度的要求。工藝試驗得到的輥鍛毛坯照片見圖4，最終合格的16型鉤尾框鍛件如圖5所示。

圖4 試驗得到輥鍛坯料照片

圖5 16型鍛造鉤尾框成品

結束語

φ1250mm輥鍛機能滿足最大輥鍛坯料直徑為φ200mm，選用φ180mm×875mm規格的坯料可以完成16型鉤尾框的輥鍛工藝。減少了加熱火次，提高了生產效率，并提高了鍛件的質量。通過QFORM-3D軟件對輥鍛工藝過程的數值模擬，在模擬過程中發現了道次不匹配等現象，并及時解決了問題。