鐵路貨車新型轉向架U形杠桿鍛造成形工藝

趙增華

中車齊齊哈爾車輛有限公司 黑龍江齊齊哈爾 161002

1 序言

制動杠桿是我公司研發的一種新型鐵路貨車轉向架制動部分的關鍵零部件，是一種U形黑皮鍛件。制動杠桿上有4個機加工的通孔，中間鑲襯套，由于制動杠桿孔中心距的變化可以改變制動部件的行程，從而影響列車制動力大小，因此制動杠桿的制造質量標準高。制動杠桿的材質為42CrMo鋼，需要進行調質處理，圖樣要求杠桿必須為模鍛件。

2 制動杠桿結構分析

制動杠桿的使用狀態如圖1所示。制動杠桿是一種典型的U形板類鍛件，整體厚度為20mm，U形位置板間距為20mm，與板厚相同。制動杠桿上有4個通孔，其中孔3為同軸雙孔，孔3位置的外側形狀為R38mm半圓弧，其中心軸線與杠桿整體中心軸線同軸。工作時，孔1、孔2 和孔3通過作用于整體支柱并帶動制動梁組成實現車輛制動或制動緩解。為了保證轉向架制動倍率精確，杠桿的孔距以及孔3和孔2所在平面的平面度、平面間距的尺寸必須準確。制動杠桿零件結構如圖2所示， 三維實體如圖3所示。

圖1 使用中的制動杠桿

圖2 制動杠桿零件結構

圖3 制動杠桿三維實體示意

3 成形工藝分析

分析制動杠桿的形狀特點可知，其成形工藝可由兩種工藝方法完成，第一種工藝方法為整體模鍛后進行機加工，由機加工來保證杠桿彎曲部位的關鍵尺寸；第二種工藝方法為將杠桿展開為平板進行鍛造，再進行彎曲成形，由彎曲成形工藝來保證杠桿彎曲部位的關鍵尺寸。

3.1 模鍛后機加工成形工藝

該工藝方法具體工序為：模鍛→機加工（加工外形及鉆孔）→熱處理→精加工孔。整體模鍛如圖4所示。此工藝方法的優點如下。

圖4 整體模鍛示意

1）U形部位通過機加工成形，尺寸精度高，表面質量好。

2）U形部位的中心軸線與杠桿整體中心軸線同軸度較好，能保證4個孔的位置精度。

此工藝方法的缺點如下。

1）整體模鍛，機加工余量大，生產效率低，鍛件的成本高。

2）鍛件部分位置為加工面和黑皮面過渡，加工時過渡位置易形成缺陷，需要打磨處理。

3）U形部位通過機加工完成，鍛件的綜合機械強度相比彎曲成形工藝低。

3.2 模鍛后彎曲成形工藝

一般情況下，U形杠桿可采取彎曲成形工藝方法。具體工藝過程為：模鍛→彎曲→粗加工孔→熱處理→精加工孔。

杠桿的模鍛工藝較為簡單，將杠桿按軸線方向展開，根據使用的設備類型設計相適應的鍛模工藝進行鍛造。模鍛工藝設計時注意以下幾點。

1）由于薄板類鍛件模鍛后溫度降低較快，因此需制定合理的冷卻方式，以防止因鍛件快速降溫而引起鍛件變形。

2）由于薄板類鍛件模鍛后溫度降低較快，鍛件的熱收縮量有較明顯變化，為保證鍛件切邊后殘余飛邊、毛刺量小，需精細考慮切邊凹模和鍛模的匹配問題。

3）鍛件切邊后直接進入彎曲工序，需考慮鍛件的軸向和縱向定位基準，從而保證彎曲尺寸準確。

（1）常規彎曲成形工藝 將制動杠桿毛坯（見圖5）按照軸線方向展開為直板形狀（見圖6），杠桿完成模鍛、切邊后直接進行彎曲成形。采用此工藝方法的優缺點如下。

圖5 制動杠桿毛坯示意

圖6 制動杠桿展開示意

1）鍛件模鍛后直接彎曲成形，不用對形狀尺寸再進行機加工，節省原材料和機加工工時。

2）鍛件彎曲部位為彎曲成形，鍛造流線保持完整，杠桿彎曲部位的綜合機械強度比采用機加工成形工藝高。

通過對杠桿的結構進行分析，杠桿的厚度為20mm，U形部位板間距為20mm，若采用常規的彎曲成形工藝，則成形難度較大，成形質量不佳，主要體現在以下兩方面。

1）杠桿彎曲部位的變形程度較大，變形過程中杠桿內側面受壓、外側面受拉，變形部位變形量大，容易形成彎曲缺陷，彎曲部位杠桿的寬度尺寸不符合要求。

2）彎曲成形必須有精準的軸向和徑向定位，若徑向定位不準確，則彎曲后杠桿U形部位的中心軸線易與杠桿整體中心軸線出現偏差（邁步）缺陷。如果軸向定位不準確，彎曲后的杠桿孔3和孔1、孔2部位中心距會出現偏差。

為了驗證杠桿大變形量彎曲后的變形缺陷，我們用20mm的42CrMo鋼板切割出與杠桿變形位置相同寬度的工件進行彎曲試驗。試驗結果證實了杠桿彎曲位置存在嚴重的變形，如圖7所示。

圖7 杠桿變形缺陷驗證

（2）改進后的彎曲成形工藝 為了消除彎曲成形過程中產生的鍛件缺陷，我公司對彎曲工藝進行了改進。將杠桿模鍛的展開形狀進行優化，利用模鍛的成形特點，將彎曲成形易形成缺陷的部位直接模鍛成形[1]（見圖8），然后再進行彎曲成形（見圖9）。改進后杠桿彎曲工藝將原U形部位的大幅度變形（直板彎曲成U形），優化到U形兩側兩個部位進行小幅度變形（V形板彎曲成U形），減小彎曲位置變形程度，消除杠桿變形位置兩側面的嚴重變形缺陷；同時，模鍛成形可以精確鍛造出杠桿的定位基準，滿足杠桿彎曲成形的精準定位需求，解決了杠桿彎曲后易出現縱向和橫向偏差缺陷的問題。

圖8 優化后的杠桿展開示意

圖9 改進后的杠桿彎曲工藝

改進后的彎曲成形工藝，消除了彎曲部位變形量大形成的缺陷，解決了杠桿彎曲定位不準確且易出現各個方向偏差等質量問題，同時也保證了杠桿鍛造流線的完整性，提高了杠桿強度。

鍛造+彎曲成形工藝與鍛造+機加工工藝相比，杠桿彎曲部位的鍛造流線完整，鍛件的綜合力學性能更好，由于杠桿的需求數量較大，考慮到杠桿的生產效率，我們選擇了改進后的模鍛成形+彎曲工藝方案用于本批次杠桿生產。

4 模具設計

根據我公司現有鍛造設備的能力，制定了在80MN摩擦壓力機模鍛、20MN液壓機切邊、630kN液壓機彎曲的生產工藝方案，并設計了相應的模具。模具包括鍛造模具、切邊模具和彎曲模具。

其中，hj表示各消費支出項目與產業結構的和諧度，wj表示各消費項目所占權重，通常用各項消費支出在總消費支出中所占比重來表示。

4.1 鍛造模具

根據鍛件形狀及成形工藝，并考慮鍛造設備特點，鍛模采取單模膛布置，模具通過燕尾形式與通用模座連接，模具組成通過T形螺栓安裝到設備上。

（1）模膛尺寸 根據制動杠桿的材質，選定熱膨脹系數為1.5%，根據改進后的杠桿展開方式，生成制動杠桿熱鍛件圖，完成模具模膛尺寸的確定。

（2）飛邊槽尺寸 由于鍛件的截面尺寸不均勻，且鍛件原材料（圓鋼）與鍛件兩端截面相差較大， 并根據設備噸位，通過查閱參考文獻[2]，選擇飛邊槽形式的結構尺寸，如圖10所示。

圖10 飛邊槽形式結構尺寸

（3）模膛的排布 制動杠桿模膛為單模膛設計，為減小鍛模在使用中的錯移量，延長主螺桿及導軌、鍛模本身的使用壽命，模膛的中心應與設備的主螺桿中心重合。

（4）導鎖設計 由于80MN摩擦壓力機導向精度較差，因此為了減小鍛件的錯移量，我們采用了角鎖扣形式的導鎖，來保證上下模具模膛對正。

（5）模具的最小壁厚和承擊面積 為了保證模具的使用壽命和使用過程中的安全性，模具的尺寸需通過最小壁厚和模具的承擊面積來確定。查閱參考資料，確定模鍛模膛的最小外壁厚公式為[2]

式中S——模鍛模膛的最小外壁厚（mm）；

K——系數；

h——模膛最大深度（mm）。

杠桿鍛模模膛的最大深度為10mm，選取系數K＝2，計算得出模具最小壁厚應＞20mm。

模鍛時，鍛模應有足夠的接觸面積來阻止分模面的下沉，這個上下模具的接觸面積被稱為承擊面積積，其是由分模面減去模膛、飛邊槽、導鎖等處后的面積。由于摩擦壓力機行程速度較慢，模具受力條件較好，因此開式模鍛模具的承擊面積一般可為錘上模鍛的 1/3。查閱相關資料并按經驗公式換算[3]，80MN摩擦壓力機的打擊能量與16t（160kN）模鍛錘相當，因此選用16t模鍛錘承擊面積的1/3來計算杠桿模塊的承擊面積。

綜合模塊的最小壁厚和最小承擊面積要求，考慮到80MN摩擦壓力機的裝模高度和模具的重復利用次數，選取模具長、寬、高尺寸，分別為920mm、465mm和360mm。

4.2 切邊模具

由于與80MN摩擦壓力機配套使用的熱切邊壓力機為20MN液壓機，因此切邊模具的設計需要考慮20MN液壓機的設備特性（裝模高度、工作行程和速度）。考慮到杠桿鍛件厚度薄、熱量損失快，從模鍛結束后到切邊開始，鍛件的外形尺寸會有縮小，因此切邊凹模的刃口尺寸應比鍛模模膛的尺寸小，在實際應用中，鍛模模膛的熱膨脹系數一般取1.5%，而切邊模具刃口尺寸的熱膨脹系數取1.4%。

4.3 彎曲模具

彎曲設備采用配套的630kN液壓機，彎曲模具分為上下模結構，下模開口與鍛件彎曲部位匹配，利用鍛件的自定位來保證鍛件的彎曲質量。

5 鍛件作業條件及生產驗證

為確保制動杠桿鍛造后的尺寸和外觀質量，防止鍛件出現過熱、過燒、裂紋和變形缺陷，需制定合適的加熱工藝和冷卻工藝規范。

5.1 加熱工藝規范

鍛件的材質為42CrMo鋼，經查閱文獻[4]，42CrMo鋼的始鍛溫度為1150℃、終鍛溫度≥850℃。原材料規格為φ50mm圓鋼，由于加熱設備為雙門室式燃氣爐，因此長時間加熱時圓鋼表面會產生較多氧化皮，為降低氧化皮產生量，制定了以下加熱工藝：加熱溫度為1100～1150℃；加熱時間為20～25min；初始裝爐量不多于10件，然后采取續料加熱方式生產。

5.2 冷卻方式

制動杠桿鍛件為薄板彎曲件，若冷卻速度過快，鍛件溫度應力過大，則容易使鍛件產生變形，從而影響杠桿的質量。結合現場生產條件，采取了在料斗內堆冷的冷卻方式。采用堆冷工藝措施，可有效減緩鍛件的冷卻速度，使鍛件的各截面能緩慢均勻冷卻，從而降低溫度應力對杠桿尺寸的影響。

5.3 生產驗證

通過實際生產驗證（見圖11～圖13），采用優化后的彎曲工藝生產的制動杠桿鍛件，尺寸符合圖樣要求，杠桿變形部位成形質量良好，杠桿的軸向和縱向偏差符合技術要求。

圖11 鍛造模具

圖12 鍛造后的毛坯

圖13 彎曲后的毛坯

6 結束語

1）通過對杠桿幾種鍛造成形工藝的比較，將杠桿彎曲成形質量差的部位采用模鍛方式預先鍛造成形、然后再彎曲成形的方案，有效地解決了鍛件彎曲質量缺陷，也提升了杠桿彎曲工序的生產效率。

2）受現有的加熱設備限制，燃氣爐加熱效率較低，鍛件加熱過程中產生了較多的氧化皮，對鍛件的表面質量有一定的影響，后期可以在現場配置中頻感應加熱設備，以提升杠桿的加熱效率和質量，降低鍛件生產的能源成本。