鐵道貨車制動(dòng)圓銷鐓頭模具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

文/田建忠·太原機(jī)車車輛配件廠

制動(dòng)圓銷是鐵道貨車轉(zhuǎn)向架制動(dòng)系統(tǒng)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(dòng)以及交變載荷的影響，使得制動(dòng)圓銷極易出現(xiàn)疲勞裂損，特別是圓銷根部的斷裂，造成貨車運(yùn)營與檢修時(shí)圓銷缺失的嚴(yán)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(shù)的不斷升級(jí)，原有制動(dòng)圓銷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已不能適應(yīng)新形勢(shì)的要求，為此設(shè)計(jì)部門將制動(dòng)圓銷的頭部由圓柱形改為蘑菇形結(jié)構(gòu)形式，材質(zhì)也由過去的45#鋼改為40Cr合金鋼，使得制動(dòng)圓銷使用時(shí)的安全性和可靠性得到了有效保證。

制動(dòng)圓銷的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及制造要求

制動(dòng)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(jìn)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(biāo)識(shí)為鐓出凸字，字高4mm，字跡應(yīng)清晰、完整，最后進(jìn)行表面發(fā)黑處理，黑色氧化膜應(yīng)達(dá)到GB/T 15519-2002中的優(yōu)質(zhì)膜。圖1為改形后的制動(dòng)圓銷結(jié)構(gòu)尺寸要求。

制動(dòng)圓銷鐓頭模具設(shè)計(jì)

新型制動(dòng)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(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)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(diào)質(zhì)處理→表面淬火→回火→探傷→發(fā)黑處理→檢驗(yàn)→交庫。

圖1 制動(dòng)圓銷結(jié)構(gòu)尺寸要求

制動(dòng)圓銷頭部鐓制前應(yīng)將桿身與尾部倒角車削到位，按計(jì)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(biāo)識(shí)字樣充滿金屬，在下模設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(dòng)圓銷頭部成形時(shí)上、下模結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。

圖2 制動(dòng)圓銷頭部成形時(shí)模具結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)出制動(dòng)圓銷頭部鐓頭模具結(jié)構(gòu)如圖3所示。

成形模具采用上、下分體式結(jié)構(gòu)，后置式導(dǎo)柱、導(dǎo)套進(jìn)行導(dǎo)向。上模8、下模3的主體材質(zhì)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(jié)構(gòu)，可增強(qiáng)模具的抗沖擊性能，延長使用壽命。為了確保退料時(shí)不致使下模松動(dòng)，增設(shè)了壓圈2，通過雙頭螺柱19與六角螺母進(jìn)行壓緊。模具使用時(shí)壓制行程的精確控制對(duì)確保產(chǎn)品的壓形質(zhì)量及模具的使用壽命有很大的關(guān)系，根據(jù)這一設(shè)計(jì)要求，在兩導(dǎo)柱之間設(shè)置了限位環(huán)11，以滿足模具閉合高度的要求。

圖3 制動(dòng)圓銷頭部鐓頭模具結(jié)構(gòu)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(shí)可順利取出工件，在模腔內(nèi)放置另一件已加溫的毛坯，進(jìn)行下一工作循環(huán)的作業(yè)。

模具成形設(shè)備選用300t摩擦壓力機(jī)，工件頭部采用中頻感應(yīng)局部加熱，加熱溫度680～730℃，加熱時(shí)間70～90s，并采用遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)控，為防止出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，加熱到規(guī)定溫度后應(yīng)迅速將工件毛坯放置于模腔進(jìn)行壓制。

模具投入使用前應(yīng)進(jìn)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(chǎn)生皺折、重皮、裂紋等缺陷，頭部形狀及標(biāo)識(shí)應(yīng)完整、清晰，待滿足以上要求后方可組織批量生產(chǎn)。正常使用時(shí)，應(yīng)注意模具的及時(shí)冷卻，可采用冷卻循環(huán)水強(qiáng)制冷卻或人工加注冷卻的方法。制動(dòng)圓銷鐓頭模具剖分結(jié)構(gòu)如圖4所示。

制動(dòng)圓銷鐓頭模具三維效果如圖5所示。

圖4 制動(dòng)圓銷鐓頭模具剖分結(jié)構(gòu)圖

圖5 制動(dòng)圓銷鐓頭模具三維效果圖

數(shù)值模擬分析

數(shù)值模擬分析技術(shù)可以對(duì)產(chǎn)品成形過程中的應(yīng)變場(chǎng)和成形力進(jìn)行形象、直觀的展示，通過CAE計(jì)算機(jī)輔助工程分析技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行有限元特性分析，建立制動(dòng)圓銷的實(shí)體網(wǎng)格圖（圖6）。

圖6 制動(dòng)圓銷實(shí)體網(wǎng)格圖

圖7 制動(dòng)圓銷位移相變?cè)茍D

在有限元分析軟件環(huán)境中，依次對(duì)制動(dòng)圓銷的三維模型添加40Cr合金鋼材質(zhì)、桿部圓周和頭部底平面約束條件以及載荷源，然后對(duì)網(wǎng)格化后的模型自動(dòng)進(jìn)行分析計(jì)算，得出制動(dòng)圓銷鐓頭受到擠壓力后的位移相變?cè)茍D（圖7）。從圖7中可以看出，產(chǎn)品成形過程中金屬流動(dòng)比較平穩(wěn)，未出現(xiàn)折疊、金屬未充滿等缺陷。

結(jié)束語

制動(dòng)圓銷鐓頭模具投入使用后，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，圓銷根部裂損的現(xiàn)象得到了有效遏制，滿足了車輛系統(tǒng)對(duì)貨車現(xiàn)場(chǎng)檢修的需要，實(shí)踐證明該模具還具有操作簡(jiǎn)便、維修更換易損件方便、效率較高等特點(diǎn)，模具的使用壽命也得到了明顯提高，對(duì)類擬產(chǎn)品的成形工藝積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。