盛志敬，羅彥云，張洞川，牛迎春，何熙時(shí)

（株洲中車天力鍛業(yè)有限公司，湖南 株洲 412000）

本文中中心鍥塊屬于鐵路貨車緩沖器上的關(guān)鍵零件，需模鍛成形。該產(chǎn)品非加工面占比達(dá)到95%以上，表面質(zhì)量和尺寸精度要求較高。中心鍥塊現(xiàn)有鍛造工藝為：制方坯—卡壓預(yù)鍛—終鍛成形—切邊—整形，操作工藝流程復(fù)雜，且零件叉部尖角易出現(xiàn)折疊。

1 工藝分析

中心鍥塊如圖1所示，屬于對(duì)稱叉口鍛件[1]，除了叉口鉆孔和方孔尾部端面銑平需加工外，其余均為非加工面。根據(jù)中心鍥塊零件圖分析，此鍛件采用開(kāi)式模鍛方案，因?yàn)殄懠?、下?duì)稱故分模面選擇在鍛件中間位置。通過(guò)分析計(jì)算鍛件各部分的截面積，該中心鍥塊鍛件方孔尾部最小截面積相當(dāng)于直徑Φ100mm的圓棒料，方孔尾部最大截面積相當(dāng)于約直徑Φ140mm的圓棒料。鍛造時(shí)尾部金屬有從最小截面積向最大截面積處流動(dòng)的趨勢(shì)?，F(xiàn)工藝一般采用先制方坯，然后卡壓預(yù)鍛，最后終鍛工序，工序多，工件流轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)。

圖1 中心鍥塊

2 鍛模設(shè)計(jì)

根據(jù)以上工藝分析，本文設(shè)計(jì)了一款中心鍥塊鍛模，把制坯和卡壓預(yù)鍛工序合成一道工序，節(jié)省了工序和工件流轉(zhuǎn)時(shí)間。鍛模設(shè)計(jì)圖如圖2所示，預(yù)鍛型腔高度比終鍛型腔高度尺寸大5mm，長(zhǎng)度和寬度比終鍛小1mm～3mm左右，預(yù)鍛叉形部位采用大圓角加斜面和平直段形式，用于坯料劈開(kāi)分流，其中平直段長(zhǎng)度比叉部開(kāi)口小約5mm，中間設(shè)計(jì)凹弧，便于坯料放置；預(yù)鍛型腔四周采用大于7°的斜度和大圓角，用于減小坯料往四周擴(kuò)散的趨勢(shì)從而使坯料易于往叉部尖端流動(dòng)，同時(shí)保證預(yù)鍛件進(jìn)入終鍛型腔易于對(duì)正。終鍛型腔按鍛件圖加工，熱脹率取1.2%，合模方向按負(fù)差制作。

圖2 鍛模圖

3 數(shù)值模擬

對(duì)坯料、鍛模進(jìn)行3D建模，然后導(dǎo)入仿真模擬軟件。始鍛溫度設(shè)置1150℃，模具的預(yù)熱溫度設(shè)定為300℃，上模下壓運(yùn)動(dòng)速度取為300mm/s，摩擦系數(shù)設(shè)定為0.3，將有限元模型進(jìn)行定義材料、劃分網(wǎng)格、設(shè)置運(yùn)動(dòng)條件、設(shè)置坯料、模具等相對(duì)位置后，進(jìn)行分析求解，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

坯料縱向直接放入預(yù)鍛型腔。隨著鍛模上模金屬在初始成形時(shí)，坯料叉部端先被劈開(kāi)分流，然后成形底部方孔，最后往叉部尖端流動(dòng)，整個(gè)預(yù)鍛過(guò)程中金屬流動(dòng)性良好，無(wú)折疊，見(jiàn)圖3。圖4為預(yù)鍛后金屬與模具間隙距離圖，借助于仿真模擬軟件分析可知預(yù)鍛后金屬并未全部充滿型腔，其中兩個(gè)方孔部位與模具型腔間隙最大相差7mm左右，其原因?yàn)榇瞬课唤畎搴穸炔蛔?0mm，高度為35mm，導(dǎo)致金屬流動(dòng)阻力大且冷卻速度較快，所以容易產(chǎn)生充不滿的情況。圖5為鍛件溫度場(chǎng)分布圖，從圖中可以看出預(yù)鍛后鍛件溫度在1030℃～1180℃之間，其中鍛件薄壁部位溫度略低。

圖3 預(yù)鍛金屬流動(dòng)圖

圖4 預(yù)鍛后金屬與模具間隙距離圖

圖5 預(yù)鍛后鍛件溫度場(chǎng)分布圖

預(yù)鍛型腔比終鍛型腔在高度方向高5mm左右，在鍛造過(guò)程中金屬流動(dòng)有向受力最小的方向流動(dòng)趨勢(shì)，故預(yù)鍛造后直接進(jìn)入終鍛。終鍛模擬，預(yù)鍛件根據(jù)拔模斜度先自行對(duì)正，然后尾部方孔與叉部隨著模具打靠，金屬全部充滿模具終鍛型腔，整個(gè)過(guò)程金屬流動(dòng)性良好，無(wú)折疊。圖6為終鍛時(shí)鍛件金屬流動(dòng)圖，箭頭的指向表示金屬流動(dòng)方向，不同的顏色表示金屬流動(dòng)速度大小。從圖中可以看出鍛件兩個(gè)方孔部位金屬流動(dòng)比其它部位大，金屬流動(dòng)方向基本沿鍛件外形輪廓，無(wú)交叉、亂流。圖7為終鍛造后金屬與模具之間間隙距離圖，從圖中可以看出，鍛件與模具間隙距離≤0.1mm，表明終鍛后金屬充滿型腔。圖8為終鍛后鍛件溫度場(chǎng)分布圖，工件溫度1110℃～1170℃之間。圖9為鍛造過(guò)程中載荷—時(shí)間圖，從圖中可以看出預(yù)鍛時(shí)最大鍛造力為3810t，終鍛時(shí)最大鍛造力為2770t。

圖6 終鍛金屬流動(dòng)圖

圖7 終鍛后金屬與模具間隙距離圖

圖8 終鍛后鍛件溫度場(chǎng)分布圖

圖9 鍛造過(guò)程載荷—時(shí)間圖

4 工藝驗(yàn)證

工藝試驗(yàn)根據(jù)鍛造模擬，坯料中頻電感應(yīng)加熱后先在預(yù)鍛型腔內(nèi)進(jìn)行預(yù)鍛，緊接著進(jìn)行終鍛，鍛件充滿性良好，終鍛后使用紅外線測(cè)溫儀測(cè)得表面溫度在1050℃左右，其中鍛件薄壁部位溫度略低，鍛造實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程與模擬過(guò)程基本相符。中心鍥塊鍛件實(shí)物如圖10所示，鍛件無(wú)損檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)表面有裂紋、折疊等缺陷，尺寸檢測(cè)完全滿足工藝圖紙要求，鍛件飛邊連續(xù)且比較均勻，說(shuō)明鍛模及工藝設(shè)計(jì)都比較合理。該產(chǎn)品現(xiàn)已批量生產(chǎn)，產(chǎn)品合格率為100%。

圖10 中心鍥塊鍛件實(shí)物圖

5 結(jié)語(yǔ)

在分析中心鍥塊鍛造工藝基礎(chǔ)上，根據(jù)鍛造工藝優(yōu)質(zhì)化、工藝省力化原則，中心鍥塊坯料采用中頻電感應(yīng)加熱，優(yōu)化了工藝流程，并通過(guò)了數(shù)值模擬和工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，把制坯和預(yù)鍛工序合成一道工序，節(jié)省工序和工件流轉(zhuǎn)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率。