文／牛大忠，魏偉，唐林，唐振英·齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司

鐵路貨車閘調(diào)器前蓋產(chǎn)品的工藝研發(fā)和數(shù)值模擬

文／牛大忠，魏偉，唐林，唐振英·齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司

鐵路貨車閘調(diào)器前蓋產(chǎn)品采用的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝是鑄造，現(xiàn)有部分企業(yè)采用開(kāi)式模鍛的方式進(jìn)行鍛造成形。采用鑄造工藝的缺點(diǎn)是：在澆注和凝固的過(guò)程中不可避免地會(huì)由于各部冷熱不均致使金屬在各部分流動(dòng)速度不同而產(chǎn)生內(nèi)部缺陷，同時(shí)鑄態(tài)組織的力學(xué)性能也不均勻穩(wěn)定。采用開(kāi)式模鍛的工藝方式(即帶飛邊鍛造）的缺點(diǎn)是：下料較大且鍛后毛坯加工量較大，生產(chǎn)制造成本高、效率低。

閘調(diào)器前蓋產(chǎn)品在使用過(guò)程中所處位置是制動(dòng)裝置的連接部位，其質(zhì)量的好壞對(duì)安全行車構(gòu)成了一定的影響，實(shí)際在貨車運(yùn)行過(guò)程中，該部件頻繁更換，給檢修應(yīng)用帶來(lái)許多不便?；阼T造產(chǎn)品的缺點(diǎn)，為了適應(yīng)鐵路貨車運(yùn)輸提速、重載的進(jìn)一步發(fā)展需要，確保鐵路貨車運(yùn)行的安全穩(wěn)定，我們聯(lián)合鐵路貨車制造單位進(jìn)行了閘調(diào)器前蓋產(chǎn)品鍛造方案的工藝研發(fā)，并應(yīng)用數(shù)值模擬軟件DEFORM對(duì)該種內(nèi)部帶齒的圓錐臺(tái)形產(chǎn)品進(jìn)行了反復(fù)的模擬分析，最終制定了二次擠壓成形和局部加熱鍛齒的工藝方案，并在2500t高能螺旋壓力機(jī)上最終完成了該產(chǎn)品的工藝試制。

產(chǎn)品特點(diǎn)

鐵路貨車閘調(diào)器前蓋產(chǎn)品(圖1）為一種內(nèi)部帶齒的圓錐臺(tái)形產(chǎn)品，該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜，產(chǎn)品的各部位截面尺寸變化較大，給鍛造工藝帶來(lái)了很大的難度。該產(chǎn)品的60個(gè)內(nèi)齒在同一圓上均勻分布，采用機(jī)械加工的方式完成內(nèi)齒的加工很難實(shí)現(xiàn)，因此內(nèi)齒也需要采用鍛造的工藝方式來(lái)完成。

圖1 閘調(diào)器前蓋產(chǎn)品

工藝難點(diǎn)及工藝制定

該產(chǎn)品為內(nèi)部帶齒類鍛件，采用傳統(tǒng)的開(kāi)式模鍛(帶飛邊鍛造）的工藝方式，下料尺寸較大且鍛造成形后產(chǎn)品機(jī)械加工量大。該產(chǎn)品由于采用機(jī)械加工的方式加工出內(nèi)齒非常困難，因此需要在鍛造時(shí)將內(nèi)齒鍛出且必須保證產(chǎn)品的尺寸精度，這對(duì)鍛造工藝提出了較高的要求?；趯?duì)該產(chǎn)品的鍛造工藝分析，我們決定采用二次擠壓成形后進(jìn)行內(nèi)圓的加工，然后局部加熱后再進(jìn)行內(nèi)齒的鍛造成形。

閘調(diào)器前蓋產(chǎn)品工藝流程為：下料→加熱→鐓鍛擠壓制坯→二次擠壓成形→加工內(nèi)圓→局部加熱→鍛齒成形→加工→交驗(yàn)。

生產(chǎn)工藝過(guò)程及數(shù)值模擬

⑴下料尺寸為φ60mm×285mm，該下料規(guī)格是根據(jù)產(chǎn)品毛坯成形后的重量來(lái)計(jì)算的，下料偏差為±1mm。

⑵采用感應(yīng)加熱爐進(jìn)行加熱。對(duì)于直徑為60mm、長(zhǎng)285mm的棒料，感應(yīng)加熱爐加熱時(shí)間8～9min，可產(chǎn)生較少的氧化皮，溫度可達(dá)1200～1250℃。

⑶將加熱后的棒料放置到鐓鍛模具中進(jìn)行鐓粗。由于該產(chǎn)品下料為長(zhǎng)棒料，其鐓粗比285/60＝4.75超出了合理的鐓粗比2.5～3，這樣就不能直接進(jìn)行擠壓成形，否則會(huì)使棒料在成形時(shí)發(fā)生折彎而無(wú)法成形。因此在這中間增加一道鐓鍛工序，將棒料在如圖2所示的模具中鐓鍛成如圖3所示的毛坯形狀，通過(guò)正擠壓成形合理分配坯料，有利于后續(xù)的鍛造成形。

鐓鍛時(shí)鐓鍛凸模套在上模套內(nèi)，一起向下運(yùn)動(dòng)與棒料接觸，并將其擠壓進(jìn)下模套內(nèi)，鐓鍛完成后，由頂出桿將其頂出。

鐓粗力能計(jì)算：鐓粗時(shí)設(shè)備打擊力根據(jù)數(shù)值模擬為75.6t，如圖3所示是模擬的鐓鍛成形毛坯，如圖4所示為毛坯鐓鍛過(guò)程中的變形抗力曲線，從圖4所示的打擊力曲線可以看出，在時(shí)間延續(xù)至0.263s時(shí)，該產(chǎn)品的變形抗力為756000N(即75.6t）。

圖2 鐓鍛模具結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 鐓鍛成形的毛坯圖

圖4 鐓鍛擠壓過(guò)程打擊力隨時(shí)間變化的曲線圖

⑷將鐓粗后的毛坯放置到終鍛模具中進(jìn)行擠壓成形。經(jīng)過(guò)鐓鍛成形后的毛坯，經(jīng)頂出機(jī)構(gòu)頂出后放入如圖5所示的終鍛模膛內(nèi)進(jìn)行復(fù)合擠壓成形，在放置時(shí)需將毛坯放置于模膛中心處，鍛制后的毛坯如圖6所示。

圖5 二次擠壓模具結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 二次擠壓成形的毛坯圖

終鍛時(shí)終鍛凸模套在上模套內(nèi)，上模套與終鍛凸模由定位塊固定，一起向下運(yùn)動(dòng)，與預(yù)鍛成形毛坯接觸，將其擠壓進(jìn)下模套內(nèi)，終鍛完成后生成的終鍛毛坯由頂出桿將其頂出。

擠壓力能計(jì)算：擠壓時(shí)設(shè)備打擊力根據(jù)數(shù)值模擬為1500t，如圖7所示是二次擠壓成形過(guò)程中毛坯的變形抗力曲線，從圖7所示的打擊力曲線可以看出，在時(shí)間延續(xù)至0.506s時(shí)，該產(chǎn)品的變形抗力為15000000N(即1500t），2500t高能螺旋壓力機(jī)能夠完成該產(chǎn)品的擠壓成形。

圖7 二次擠壓過(guò)程打擊力隨時(shí)間變化的曲線圖

⑸將二次擠壓成形的毛坯進(jìn)行內(nèi)圓加工。將圖6所示毛坯的內(nèi)部圓柱體進(jìn)行機(jī)械加工，以便最終鍛齒。機(jī)械加工后的終鍛毛坯如圖8所示，從圖中可以看出，圓柱體的底面直徑和高由加工前的60mm和60mm，變?yōu)榧庸ず蟮?4mm和65mm。

圖8 機(jī)械加工后的終鍛毛坯

⑹采用內(nèi)部感應(yīng)加熱設(shè)備對(duì)加工后的終鍛毛坯的內(nèi)圓鍛齒處進(jìn)行局部加熱。將內(nèi)部感應(yīng)加熱設(shè)備的感應(yīng)圈放入內(nèi)圓鍛齒處進(jìn)行局部加熱，將溫度加熱到850～900℃。

⑺鍛齒成形。將經(jīng)過(guò)局部感應(yīng)加熱的鍛件(加工后的毛坯）放入如圖9所示的鍛齒模具中進(jìn)行鍛齒，通過(guò)斜向擠壓最終鍛齒成形。鍛齒時(shí)將設(shè)備力調(diào)節(jié)為50t，鍛齒后的最終產(chǎn)品如圖1所示。

圖9 鍛齒模具結(jié)構(gòu)示意圖

鍛齒時(shí)鍛齒凸模套在上模套內(nèi)，上模套與鍛齒凸模由定位塊固定，一起向下運(yùn)動(dòng)，與加熱后的、位于下模套內(nèi)的終鍛成形毛坯接觸，通過(guò)斜向擠壓最終鍛齒成形。鍛齒完成后，由頂出桿將最終生成的閘調(diào)器前蓋產(chǎn)品頂出。

結(jié)束語(yǔ)

鐵路貨車閘調(diào)器前蓋產(chǎn)品采用擠壓成形鍛造工藝避免了鑄造缺陷，提高了產(chǎn)品的使用性能；與開(kāi)式模鍛工藝相比，大大節(jié)約了下料成本，比在螺旋壓力機(jī)上進(jìn)行開(kāi)式鍛造節(jié)省20%的料，比在模鍛錘上進(jìn)行開(kāi)式鍛造節(jié)省13%的料。

另外，采用擠壓成形工藝極大降低了鍛造成形所需的打擊力，提高了模具的使用壽命并縮小了模塊的尺寸；通過(guò)組合式模塊的應(yīng)用，對(duì)最容易損壞的凸?？煞奖愀鼡Q，這樣提高了模具的使用效率，降低了生產(chǎn)制造成本。

牛大忠，高級(jí)工程師，主要從事鍛造工藝及管理方面的工作。