電力機(jī)車(chē)加強(qiáng)角鍛造工藝改進(jìn)

文／張濤·中國(guó)中車(chē)股份有限公司

馮銳·中車(chē)大同電力機(jī)車(chē)有限公司

加強(qiáng)角為某和諧系列電力機(jī)車(chē)司機(jī)室配件，材質(zhì)為45 鋼，經(jīng)鍛造而成，其鍛件外形尺寸如圖1 所示。由圖1 可以看出，該鍛件呈直三棱柱形狀，底面為直角邊80mm 的直角三角形，高度為85mm。

考慮到該鍛件是一個(gè)直三棱柱，單個(gè)鍛件若采用自由鍛進(jìn)行鍛造難以成形，且操作者需多次翻轉(zhuǎn)坯料，工作強(qiáng)度大。因此設(shè)計(jì)了1t 自由鍛+帶鋸床鋸切的生產(chǎn)工藝，可同時(shí)生產(chǎn)多個(gè)加強(qiáng)角鍛件。具體生產(chǎn)工序如圖2 所示。

⑴將φ100mm 的圓棒料加熱至規(guī)定溫度，保溫規(guī)定時(shí)間后，在1t 自由鍛錘上進(jìn)行拔長(zhǎng)，鍛制成截面為80mm×80mm 的長(zhǎng)方坯；

⑵待其冷卻后，將長(zhǎng)方坯在帶鋸床鋸切成高85mm 方坯；

⑶最后將該方坯的正方形面沿對(duì)角線鋸切成兩個(gè)加強(qiáng)角鍛件。

生產(chǎn)部門(mén)按此工藝生產(chǎn)的加強(qiáng)角鍛件在質(zhì)量檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)廢品率較高，不符合鍛件圖紙要求。其主要問(wèn)題表現(xiàn)在：

⑴鍛件直角三角形面的一個(gè)邊長(zhǎng)小于規(guī)定尺寸，無(wú)法進(jìn)行下個(gè)工序的機(jī)械加工；

⑵部分廢品無(wú)法保證為規(guī)則的直三棱柱，直面不直，無(wú)法進(jìn)行下個(gè)工序的機(jī)械加工。

此外，在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，依照該工藝雖然一次可以鍛造多件產(chǎn)品，但必須經(jīng)過(guò)兩次鋸切才能最終得到成品。這種工藝生產(chǎn)周期長(zhǎng)，工序多，能耗高，也使得成本增加不少。

問(wèn)題分析與改進(jìn)

尺寸不合格原因分析

對(duì)尺寸不合格鍛件觀察發(fā)現(xiàn)，其全部都是鍛件直角三角形面且一邊長(zhǎng)一邊短。很明顯是在鋸切方坯時(shí)，鋸條沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)對(duì)角線切割，在帶鋸床上試驗(yàn)兩塊方坯后發(fā)現(xiàn)兩點(diǎn)原因。

⑴因?yàn)閹т忎彈l柔韌性強(qiáng)，很容易彎曲扭轉(zhuǎn)，所以其在鋸切加強(qiáng)角鍛件時(shí)鋸切方向很容易發(fā)生偏轉(zhuǎn)，造成鍛件尺寸不合格，如圖3(b)所示；

⑵由于帶鋸床夾持工裝為直板狀，沿對(duì)角線夾持時(shí)不牢固。當(dāng)鋸床工作時(shí)，鍛件受到很大的橫向拉力，此時(shí)很容易造成鍛件偏移，導(dǎo)致尺寸無(wú)法保證，如圖3(c)所示。

鍛件為非規(guī)則直三棱柱原因分析

這部分鍛件廢品，表現(xiàn)為直面不直，具有一定的弧度或斜度。根據(jù)鍛件情況及觀察自由鍛錘工作后發(fā)現(xiàn)，鍛件的直面全是在鋼坯第一步拔長(zhǎng)時(shí)靠自由鍛錘的砧面鍛平。因?yàn)殇撆鬏^長(zhǎng)，砧面錘面相對(duì)較小，且還存在人工操作及設(shè)備穩(wěn)定性因素的影響，所以造成直面不直的現(xiàn)象。

生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)周期長(zhǎng)原因分析

通過(guò)圖2 可以看出，在第一道自由鍛拔長(zhǎng)工序時(shí)，拔長(zhǎng)一段鋼坯所需時(shí)間并不多，然而后兩道鋸切工序卻累計(jì)需要0.6 ～1 小時(shí)?？梢?jiàn)生產(chǎn)工序多、工時(shí)長(zhǎng)是導(dǎo)致生產(chǎn)效率低的原因。

改進(jìn)方法

對(duì)該加強(qiáng)角鍛造工藝改進(jìn)主要從以下兩方面進(jìn)行，一是提高鍛件質(zhì)量，二是減少工序流程。因此，鍛件最好能夠一次成形，從而省去后面的鋸切工序。要使鍛件一次成形，且得到好的鍛件質(zhì)量，簡(jiǎn)單的自由鍛顯然不行，這要求鋼坯在鍛造變形時(shí)必須可以控制向理想方向變形?；谝陨戏治?，且加強(qiáng)角鍛件較小、形狀簡(jiǎn)單，加工一副鍛模成本相對(duì)較低，所以決定采用模鍛使加強(qiáng)角鍛件一次成形。

模鍛工藝設(shè)計(jì)

繪制鍛件圖

⑴確定分模位置。

根據(jù)加強(qiáng)角形狀確定三棱柱直角兩面為固有的傾斜面，為自然的斜度，不用添加斜度即可自然出模，分模面設(shè)置如圖4 所示。

⑵確定公差和加工余量。

鍛件形狀復(fù)雜系數(shù)較低，根據(jù)自身尺寸及有關(guān)手冊(cè)確定其長(zhǎng)度、寬度、高度公差為+2mm 和-1mm。

零件底面按等邊直角三角形進(jìn)行考慮，其邊長(zhǎng)實(shí)際為73.5mm。并且零件需銑削加工，加工工序較多，故單邊余量設(shè)置為6.5 ～11mm。

⑶確定模鍛斜度。

加強(qiáng)角鍛件的兩個(gè)直角面為自然斜度，其他兩面斜度均設(shè)置為5°。

⑷確定圓角半徑。

鍛件較小，形狀不復(fù)雜，故圓角半徑設(shè)置為3mm。

⑸技術(shù)條件。

1)未注拔模斜度為5°；

2)未注圓角半徑為3mm。

⑹繪制鍛件圖如圖5 所示。

計(jì)算鍛件主要參數(shù)

⑴鍛件體積：V件=S底×H=288000mm3

⑵鍛件質(zhì)量：M件=V件×ρ=2.27kg

ρ—鋼鐵密度取7.85×10-6kg/mm3

⑶分模面周長(zhǎng)：C=2×(A+B)=2×(95+113)= 416mm

A、B—鍛件分模面邊長(zhǎng)

⑷分模面投影面積：F件=A×B=95×113=10735mm2

確定模鍛錘噸位

按鍛件在分模面上的投影面積、鍛件復(fù)雜程度和變形抗力大小確定模鍛錘噸位：

G=αβF件=1×0.09×10735=966.15kg

α—合金變形抗力系數(shù)，鋼取1.0

β—鍛件復(fù)雜程度系數(shù)，中等復(fù)雜取0.09

F件—不包括毛邊的模鍛件在分模面上的投影面積(mm2)

現(xiàn)有2t 和5t 兩種模鍛錘，經(jīng)計(jì)算選擇2t 模鍛錘進(jìn)行鍛造，配合250t 切邊壓力機(jī)。

確定毛邊槽尺寸形式

選定毛邊槽尺寸為橋部高1.5mm、長(zhǎng)10mm，倉(cāng)部高4mm、長(zhǎng)30mm，如圖6 所示。

飛邊槽橫截面積：F飛=F橋+F倉(cāng)=15+120=135mm2

F橋—飛邊槽橋部橫截面積

F倉(cāng)—飛邊槽倉(cāng)部橫截面積

確定終鍛型槽

終鍛模膛是按照熱鍛件圖加工和檢驗(yàn)的，熱鍛件圖在鍛件圖的基礎(chǔ)上考慮熱收縮率后繪制。加強(qiáng)角材料為45 鋼，查閱相關(guān)手冊(cè)確定收縮率為1.2%。根據(jù)鍛件圖設(shè)計(jì)圓角R3mm，拔模斜度5°。

熱鍛件圖尺寸計(jì)算公式：L=l(1+δ)

L—熱鍛件尺寸

l—鍛件尺寸

δ—終鍛溫度下金屬的收縮率

熱鍛件圖如圖7 所示。

繪制鍛模圖

加強(qiáng)角鍛模分為上下兩塊鍛模，下模設(shè)計(jì)終鍛模膛，上模為沒(méi)有模膛的平模。下模終鍛模膛設(shè)計(jì)在錘擊中心。鍛模下模如圖8 所示，加強(qiáng)角鍛模加工完成后如圖9 所示。

確定坯料尺寸

⑴飛邊體積的計(jì)算。

模鍛時(shí)，飛邊并不完全充滿飛邊槽。據(jù)經(jīng)驗(yàn)，按0.7 倍的飛邊槽橫截面積乘以分模面周長(zhǎng)可以得到近似的飛邊體積。

V飛=C×0.7F飛=416×0.7×135=39312mm3

⑵坯料體積計(jì)算。

V坯=(V飛+V件)×(1+μ)=(39312+288000)×(1+3%)=337131.36mm3

μ—燒損率取3%

⑶平均橫截面積。

F均=V坯/L均=337131.36/[(85+95)/2]=3745.90mm2

L均—鍛件平均長(zhǎng)度

⑷坯料截面積計(jì)算。

F坯=kF均=1.2×3745.90=4495.08mm2

k—數(shù)值在1.02 ～1.3 之間，根據(jù)鍛件復(fù)雜程度確定為1.2。

⑸坯料直徑計(jì)算。

d坯=2×(F坯/π)1/2=75.65mm

根據(jù)原材料規(guī)格，決定生產(chǎn)坯料取直徑80mm 的圓棒料。

⑹生產(chǎn)坯料長(zhǎng)度計(jì)算。

L坯=V坯/S坯=337131.36/[π×(80/2)2]=67.10mm

S坯—生產(chǎn)坯料截面積

經(jīng)試制調(diào)整確定坯料長(zhǎng)度為70mm。

加強(qiáng)角鍛件鍛造

經(jīng)帶鋸床鋸切下料后，采用天然氣爐進(jìn)行加熱，加熱溫度1170±50℃，始鍛溫度1150±50℃，終鍛溫度≥800℃。

結(jié)論

按上述工藝對(duì)加強(qiáng)角進(jìn)行模鍛生產(chǎn)，經(jīng)檢驗(yàn)，完全符合要求。

加強(qiáng)角鍛件的模鍛鍛造，很好地解決了前期生產(chǎn)中的問(wèn)題。不僅提高了鍛件質(zhì)量，還有效地提高了生產(chǎn)效率，縮短了生產(chǎn)周期，降低了能耗。對(duì)加強(qiáng)角鍛造工藝的成功改進(jìn)，在質(zhì)量、效益、技術(shù)和節(jié)能減排方面都起到積極作用，并對(duì)以后同類(lèi)產(chǎn)品的生產(chǎn)也起到借鑒作用。