鐵道貨車制動圓銷鐓頭模具的設計與應用

文/田建忠·太原機車車輛配件廠

制動圓銷是鐵道貨車轉向架制動系統中用于懸掛桿系的連接件，使用過程中，由于受到列車劇烈的沖擊、振動以及交變載荷的影響，使得制動圓銷極易出現疲勞裂損，特別是圓銷根部的斷裂，造成貨車運營與檢修時圓銷缺失的嚴重后果，給車輛的安全行駛帶來了重大的事故隱患。隨著鐵路重載提速技術的不斷升級，原有制動圓銷的結構設計已不能適應新形勢的要求，為此設計部門將制動圓銷的頭部由圓柱形改為蘑菇形結構形式，材質也由過去的45#鋼改為40Cr合金鋼，使得制動圓銷使用時的安全性和可靠性得到了有效保證。

制動圓銷的結構特點及制造要求

制動圓銷由桿身和頭部兩部分組成，桿身表面粗糙度為Ra6.3μm。桿身與頭部采用一次溫鐓成形，加熱溫度不高于750℃，桿身與頭部過渡部位不得切削加工成形，成形后表面不允許存在折疊、飛邊、毛刺、裂紋等缺陷，采用可控溫度、可控氣氛的熱處理爐進行熱處理，表面硬度為45～55HRC，淬硬層深度為2～6mm，桿身表面脫碳層深度不大于0.15mm。成形后的頭部標識為鐓出凸字，字高4mm，字跡應清晰、完整，最后進行表面發(fā)黑處理，黑色氧化膜應達到GB/T 15519-2002中的優(yōu)質膜。圖1為改形后的制動圓銷結構尺寸要求。

制動圓銷鐓頭模具設計

新型制動圓銷要求桿身與頭部一次溫鐓成形，且桿部不允許二次車削加工，以避免金屬纖維流線的斷裂，這就給制造帶來了一定的難度。根據產品的結構要求，確定的工藝路線為：下料→沖扁孔→車削桿身及倒角→頭部一次溫鐓成形→調質處理→表面淬火→回火→探傷→發(fā)黑處理→檢驗→交庫。

圖1 制動圓銷結構尺寸要求

制動圓銷頭部鐓制前應將桿身與尾部倒角車削到位，按計算的重量要求截取出桿料最佳長度。為了確保頭部泄力槽、根部圓角及蘑菇頭和標識字樣充滿金屬，在下模設計時應充分考慮容屑槽的形狀位置及尺寸大小，待溫鐓成形后再采用切邊模去除工件的飛邊，制動圓銷頭部成形時上、下模結構尺寸如圖2所示。

圖2 制動圓銷頭部成形時模具結構

根據以上要求，設計出制動圓銷頭部鐓頭模具結構如圖3所示。

成形模具采用上、下分體式結構，后置式導柱、導套進行導向。上模8、下模3的主體材質為5CrNiMo熱模具鋼，熱處理硬度39～44HRC，下模模腔部分采用合金鋼鑲嵌結構，可增強模具的抗沖擊性能，延長使用壽命。為了確保退料時不致使下模松動，增設了壓圈2，通過雙頭螺柱19與六角螺母進行壓緊。模具使用時壓制行程的精確控制對確保產品的壓形質量及模具的使用壽命有很大的關系，根據這一設計要求，在兩導柱之間設置了限位環(huán)11，以滿足模具閉合高度的要求。

圖3 制動圓銷頭部鐓頭模具結構圖

壓制成形后，上模裝置退回原位，工件在彈簧12及彈頂銷的作用下退出模腔，此時可順利取出工件，在模腔內放置另一件已加溫的毛坯，進行下一工作循環(huán)的作業(yè)。

模具成形設備選用300t摩擦壓力機，工件頭部采用中頻感應局部加熱，加熱溫度680～730℃，加熱時間70～90s，并采用遠紅外測溫儀進行實時測控，為防止出現過熱現象，加熱到規(guī)定溫度后應迅速將工件毛坯放置于模腔進行壓制。

模具投入使用前應進行試模，以檢查毛坯下料尺寸是否正確，試壓成形的圓銷表面不得產生皺折、重皮、裂紋等缺陷，頭部形狀及標識應完整、清晰，待滿足以上要求后方可組織批量生產。正常使用時，應注意模具的及時冷卻，可采用冷卻循環(huán)水強制冷卻或人工加注冷卻的方法。制動圓銷鐓頭模具剖分結構如圖4所示。

制動圓銷鐓頭模具三維效果如圖5所示。

圖4 制動圓銷鐓頭模具剖分結構圖

圖5 制動圓銷鐓頭模具三維效果圖

數值模擬分析

數值模擬分析技術可以對產品成形過程中的應變場和成形力進行形象、直觀的展示，通過CAE計算機輔助工程分析技術，對產品進行有限元特性分析，建立制動圓銷的實體網格圖（圖6）。

圖6 制動圓銷實體網格圖

圖7 制動圓銷位移相變云圖

在有限元分析軟件環(huán)境中，依次對制動圓銷的三維模型添加40Cr合金鋼材質、桿部圓周和頭部底平面約束條件以及載荷源，然后對網格化后的模型自動進行分析計算，得出制動圓銷鐓頭受到擠壓力后的位移相變云圖（圖7）。從圖7中可以看出，產品成形過程中金屬流動比較平穩(wěn)，未出現折疊、金屬未充滿等缺陷。

結束語

制動圓銷鐓頭模具投入使用后，產品質量達到了設計要求，圓銷根部裂損的現象得到了有效遏制，滿足了車輛系統對貨車現場檢修的需要，實踐證明該模具還具有操作簡便、維修更換易損件方便、效率較高等特點，模具的使用壽命也得到了明顯提高，對類擬產品的成形工藝積累了一定的經驗。