上、下襯板的鍛造工藝分析及模具設(shè)計(jì)

文／趙增華，陳明達(dá)，劉偉·齊齊哈爾軌道交通裝備有限公司

上、下襯板的鍛造工藝分析及模具設(shè)計(jì)

文／趙增華，陳明達(dá)，劉偉·齊齊哈爾軌道交通裝備有限公司

上、下襯板為薄板彎曲類鍛件。針對(duì)上、下襯板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了合理的鍛造方案和切邊、彎曲方案，并制定了合理的加熱規(guī)范和冷卻規(guī)范，通過試制，針對(duì)鍛造過程出現(xiàn)的問題提出了相應(yīng)的解決方案。

趙增華，工程師，主要從事大型鋼質(zhì)模鍛件的工藝制定和模具設(shè)計(jì)工作，主持完成多種型號(hào)鐵路貨車用鍛造鉤尾框、鍛造鉤舌等模鍛件的試制工作，擁有1項(xiàng)專利。

襯板是貨車轉(zhuǎn)向架上的關(guān)鍵零部件，它由上襯板、下襯板和中間填充的內(nèi)八字橡膠彈性剪切墊三部分構(gòu)成（圖1）。轉(zhuǎn)向架通過此裝置來實(shí)現(xiàn)輪對(duì)的彈性定位、起減小轉(zhuǎn)向架簧下質(zhì)量以及隔離輪軌間高頻振動(dòng)等作用。本文通過對(duì)上、下襯板鍛件工藝分析、工藝方案制定、模具設(shè)計(jì)和工藝驗(yàn)證等過程的介紹，展示了一種摩擦壓力機(jī)上薄板類彎曲模鍛件的工藝開發(fā)過程。

圖1 襯板的構(gòu)成

結(jié)構(gòu)分析

上襯板（圖2）和下襯板（圖3）為八字形寬板結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為35鋼。上、下襯板厚度最薄尺寸為5mm，最厚尺寸為39mm，下襯板中圓角R要求為R6max。上襯板的下表面和下襯板的上表面形狀為波浪形黑皮面，由于這兩個(gè)面中間填充的物質(zhì)為彈性橡膠墊，對(duì)黑皮面的表面質(zhì)量要求較高；上襯板的上表面和下襯板的下表面為加工面，上襯板的上表面相對(duì)應(yīng)裝配零件為側(cè)架，下襯板的下表面安裝在承載鞍上，為了保證安裝后的精度，上、下襯板的角度45°和135°，要求嚴(yán)格。

圖2 上襯板零件圖

圖3 下襯板零件圖

鍛造工藝分析及制定

根據(jù)上、下襯板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了保證鍛件的角度和下襯板中圓角精度的要求，并結(jié)合設(shè)備配置情況，制定上、下襯板的制造方案是先鍛造、彎曲后機(jī)加工，用機(jī)加工來保證角度和圓角精度。

制坯方案的選擇與確定

上襯板和下襯板鍛件厚度最大尺寸為42mm，最薄處厚度尺寸為8mm，由于鍛件厚度相差較大，在原材料選擇上困難較大。通過對(duì)上、下襯板截面的計(jì)算，準(zhǔn)備了兩種方案。

第一種方案無需制坯，直接采用合適厚度的板料，板料的尺寸和上、下襯板的鍛件尺寸相仿，但板料在模鍛時(shí)，由于和模具的熱交換，容易導(dǎo)致坯料表面溫降迅速，從而增加金屬的流動(dòng)阻力，影響鍛件的成形，因此需要較大的設(shè)備噸位。

第二種方案是增加預(yù)鍛工序，預(yù)鍛時(shí)采用較厚的板料或圓料，將上、下襯板的波浪形面鍛出，使預(yù)鍛毛坯的截面尺寸符合終鍛截面尺寸要求，降低終鍛變形量，從而降低變形所需要的設(shè)備噸位，也減小了終鍛模膛的磨損，提高了模具的使用壽命。

對(duì)比兩種方案，它們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)對(duì)比見表1。綜合考慮，最終選擇了無預(yù)鍛方案用于本次襯板生產(chǎn)。根據(jù)產(chǎn)品的批量情況和設(shè)備能力，采用8000t摩擦壓力機(jī)鍛造生產(chǎn)。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合產(chǎn)品的規(guī)格參數(shù)估算，使用8000t摩擦壓力機(jī)采取2次錘擊可滿足上、下襯板所需的變形力要求。

表1 兩種方案對(duì)比

模具設(shè)計(jì)

模具包括鍛造模具、切邊模具和彎曲模具。

鍛造模具設(shè)計(jì)

⑴模膛尺寸。根據(jù)上、下襯板的鍛件毛坯圖和1.5%的熱膨脹系數(shù)，生成上、下襯板的熱鍛件圖，完成模具模膛的設(shè)計(jì)。

⑵飛邊槽形式。由于鍛件的截面尺寸不均勻，且鍛件原材料和鍛件體積相差較大，根據(jù)設(shè)備噸位，選用飛邊槽形式見圖4。

圖4 飛邊槽形式

⑶模膛的排布。上、下襯板模膛均為單模膛設(shè)計(jì)，為了最大限度地減少鍛模在使用中的錯(cuò)移量，從延長(zhǎng)主螺桿及導(dǎo)軌、鍛模本身的使用壽命的觀點(diǎn)出發(fā)，襯板模膛的中心與設(shè)備的主螺桿中心重合。

⑷導(dǎo)鎖設(shè)計(jì)。由于8000t摩擦壓力機(jī)設(shè)備的導(dǎo)向精度較差，為了保證鍛件的錯(cuò)移量，采用了角鎖扣形式的導(dǎo)鎖，來保證上下模具對(duì)準(zhǔn)。

⑸模塊的尺寸。為了保證模具使用的壽命和使用過程中的安全性，模塊的尺寸需要通過最小壁厚和模塊的承擊面積來確定。模鍛時(shí)，鍛模應(yīng)有足夠的接觸面積來阻止分模面的下沉，這個(gè)上、下模的接觸面被稱為承擊面，它是分模面減去模膛、飛邊槽、導(dǎo)鎖等處后的面積。查閱資料，結(jié)合模塊的最小壁厚和最小承擊面積要求，并考慮到8000t摩擦壓力機(jī)的裝模高度和模塊的重復(fù)利用次數(shù)，選取的模塊長(zhǎng)、寬、高的尺寸分別為800mm、500mm和400mm。

切邊和彎曲模具設(shè)計(jì)

⑴切邊模具設(shè)計(jì)。8000t摩擦壓力機(jī)配套使用的熱切邊壓力機(jī)為2000t液壓機(jī)，因此切邊模具的設(shè)計(jì)需要考慮2000t液壓機(jī)的設(shè)備特性，如裝模高度、工作行程和速度等。

考慮到襯板鍛件厚度薄，熱量損失快，從模鍛結(jié)束后到切邊開始，鍛件的外形尺寸會(huì)有縮小，因此切邊凹模的刃口尺寸應(yīng)比鍛模模膛的尺寸小，在實(shí)際應(yīng)用中，鍛模模膛的熱膨脹系數(shù)一般選取1.5%，而切邊模具刃口尺寸的熱膨脹系數(shù)選取1.4%。為了保證切邊后的飛邊順利從凸模上取下，設(shè)計(jì)了卸料機(jī)構(gòu)。

⑵彎曲模具設(shè)計(jì)。彎曲設(shè)備也選取2000t液壓機(jī)。彎曲模具由彎曲上模和彎曲下模組成，彎曲下模包括定位裝置，由于切邊后鍛件的溫度有溫降，為保證彎曲模具和鍛件尺寸匹配，彎曲模具的尺寸的熱膨脹系數(shù)選取為1.3%。

切邊和彎曲模具的具體形式如圖5所示。

圖5 切邊、彎曲模具

鍛件作業(yè)條件的制定

為保證上、下襯板鍛造后的尺寸、外觀質(zhì)量和內(nèi)部組織。需制定合適的加熱工藝規(guī)范和冷卻工藝規(guī)范。

⑴加熱工藝規(guī)范。鍛件的材質(zhì)為35鋼，35鋼的始鍛溫度為1150～1200℃，終鍛溫度為750～800℃，考慮到加熱坯料為板料，加熱設(shè)備為雙門室式燃?xì)鉅t，加熱時(shí)產(chǎn)生氧化皮也比較嚴(yán)重，制定了加熱工藝為：加熱溫度1100～1150℃，加熱時(shí)間20～25min，第一爐裝爐量不大于10件，然后采取續(xù)料加熱方式生產(chǎn)。

⑵冷卻方式?？紤]到上、下襯板鍛件為薄板彎曲件，且截面不均勻，如果冷卻速度過快，鍛件溫度應(yīng)力過大，容易使鍛件產(chǎn)生變形，從而影響彎曲質(zhì)量。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，降低溫度應(yīng)力對(duì)鍛件尺寸的影響。

試制生產(chǎn)

在后期的試制過程中，鍛件的尺寸和內(nèi)部質(zhì)量達(dá)到工藝要求，但鍛件的表面質(zhì)量（氧化皮硌坑）較差。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)加熱工藝進(jìn)行了修正，計(jì)劃批量生產(chǎn)時(shí)改用中頻感應(yīng)加熱爐加熱，并增加除氧化皮工序，圖6為鍛件試制過程生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖6 鍛件試制過程

結(jié)束語

通過上、下襯板鍛造工藝的開發(fā)，積累了制定薄板彎曲類鍛件鍛造工藝的寶貴經(jīng)驗(yàn)。通過對(duì)上、下襯板進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，選擇合適的制坯工藝和鍛造設(shè)備，制定相應(yīng)的工藝過程，設(shè)計(jì)了需要的模具，成功的完成了襯板的試制。