HXD2型電力機(jī)車牽引支座鍛造工藝研究與應(yīng)用

張 振，王大勇，陶劍鋒，韓坤男

（1.中車大連機(jī)車車輛有限公司 鑄鍛分公司，遼寧 大連 116022；2.大連交通大學(xué) 軌道交通關(guān)鍵材料省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116028；3.中車大連機(jī)車研究所有限公司，遼寧 大連 116022）

0 引 言

牽引支座是HXD2型電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架裝配的重要零件，如圖1所示，每臺(tái)機(jī)車4件，其質(zhì)量為54.3 kg。支座有非加工黑皮面，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，在1個(gè)較大、較薄的不規(guī)則斜板上有1個(gè)不對(duì)稱且?guī)в薪嵌鹊膱A錐臺(tái)，其成型工藝相對(duì)復(fù)雜?，F(xiàn)階段牽引支座是外購鍛件，但是其圓錐和斜板過渡位置有夾紋，導(dǎo)致鍛件質(zhì)量無法保證，其生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)能力和供貨周期影響了電力機(jī)車整車的生產(chǎn)進(jìn)度。

圖1 牽引支座

1 零件鍛造工藝分析

1.1 工藝分析

由圖1可知，牽引支座的方形法蘭尺寸為450 mm×300 mm×30 mm，法蘭面積大、厚度較薄，企業(yè)現(xiàn)有大規(guī)格型材為圓型棒料，給方形薄板鍛造帶來困難。薄板上的圓錐臺(tái)較細(xì)，最大直徑處只有φ163 mm，圓錐臺(tái)與水平面成11°夾角，上下不對(duì)稱，上端會(huì)產(chǎn)生3°的負(fù)角，制造坯料及鍛件拔模有一定難度。法蘭與圓錐臺(tái)的銜接R40 mm處為非加工平面，鍛造時(shí)要保證表面質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)避免夾紋的產(chǎn)生。

考慮企業(yè)實(shí)際情況，采用30 kN蒸汽-空氣自由鍛錘生產(chǎn)，其工藝流程初步設(shè)定為自由鍛制坯→預(yù)鍛→終鍛。牽引支座質(zhì)量較大，為使坯料能充滿型腔，采用增大下料量的方式，其材料利用率較低[1]。

1.2 鍛件圖制訂

鍛件圖是根據(jù)牽引支座的零件圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，其法蘭和一般鍛件不同，為一個(gè)斜面且厚度不同，上部圓柱與法蘭不垂直，這2種結(jié)構(gòu)使其在鍛造成型過程中容易出現(xiàn)圓柱處填充不滿和局部金屬折疊；除此之外，在牽引支座柱體與底部法蘭連接處的不加工表面，其質(zhì)量也難以保證，影響鍛件的成品率和生產(chǎn)效率，冷鍛件結(jié)構(gòu)如圖2所示[2]。

圖2 牽引支座冷鍛件結(jié)構(gòu)

熱鍛件尺寸按收縮率1.3%確定，其熱鍛件結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。

圖3 牽引支座熱鍛件結(jié)構(gòu)

由于牽引支座質(zhì)量較重，為115 kg，下料質(zhì)量為122 kg，通過計(jì)算并考慮車間實(shí)際情況，坯料選用直徑φ220 mm的圓棒料，長度410 mm，坯料制造在30 kN自由鍛錘上對(duì)棒料進(jìn)行單側(cè)拔斜度，坯料如圖4所示[3]。

圖4 牽引支座坯料

2 模具設(shè)計(jì)

牽引支座尺寸較大，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備壓力小，采用三次成型，為保證鍛件成型質(zhì)量，設(shè)計(jì)預(yù)鍛模對(duì)制坯后的坯料進(jìn)行預(yù)鍛，然后終鍛成型，預(yù)鍛模如圖5所示。

圖5 牽引支座預(yù)鍛模

模膛根據(jù)熱鍛件進(jìn)行設(shè)計(jì)，熱鍛件的尺寸即為終鍛模膛的尺寸，鍛模結(jié)構(gòu)如圖6所示[2,4]。

圖6 牽引支座終鍛模

3 牽引支座坯料優(yōu)化設(shè)計(jì)

觀察發(fā)現(xiàn)，外購的牽引支座鍛件在圓錐和法蘭過渡位置有折疊夾紋，鍛件質(zhì)量無法保證。通過牽引支座鍛造過程成型規(guī)律分析發(fā)現(xiàn)，由于制造坯料工藝在粗端與細(xì)端之間的過渡區(qū)有一個(gè)過渡斜面，該斜面是為了使過渡更加順暢，但容易引起折疊缺陷，需要對(duì)制造坯料工藝進(jìn)行數(shù)值模擬檢驗(yàn)是否有夾紋產(chǎn)生，并對(duì)成型工藝進(jìn)行優(yōu)化以避免夾紋的產(chǎn)生。在研究原工藝產(chǎn)生缺陷的過程中，考慮能否減少材料浪費(fèi)，提高材料利用率，且在一定程度上減輕模具本身的負(fù)荷，以減少模具零件的磨損和損耗。

3.1 制造坯料方案設(shè)計(jì)

為了解決金屬堆積問題，設(shè)計(jì)了圖7所示的制造坯料方案，采用自由鍛制造坯料，粗端和細(xì)端直接由斜面連接，去除之前的過渡區(qū)域，并在此基礎(chǔ)上對(duì)預(yù)鍛模圓角和下料量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體方案如表1所示[5]。

圖7 優(yōu)化制坯料

表1 方案設(shè)計(jì)

3.2 制造坯料模擬結(jié)果分析

3.2.1 充填分析

先分析預(yù)鍛結(jié)束時(shí)坯料的充填情況，如圖8所示。從圖8可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)鍛結(jié)束時(shí)坯料與模具零件之間接觸良好，在牽引支座柱體與法蘭的連接處未出現(xiàn)不接觸的情況，表明3種制造坯料方案的坯料形狀均有利于充填預(yù)鍛模膛。充型質(zhì)量的好壞最終以終鍛結(jié)束時(shí)坯料的充型情況為準(zhǔn)，截取3種方案終鍛結(jié)束時(shí)坯料的充型情況，如圖9所示。從圖9可以發(fā)現(xiàn)，3種方案在終鍛成型的效果幾乎相同，牽引支座柱體與法蘭連接處充型飽滿，凸臺(tái)四周拐角處充型也飽滿，隨著下料量的逐漸減少，鍛件飛邊也逐漸減小，方案三的飛邊分布均勻，大小合適。

圖8 預(yù)鍛金屬充填效果

圖9 終鍛金屬充填效果

3.2.2 折疊夾紋缺陷分析

設(shè)計(jì)3種制造坯料方案的主要目的是為了檢驗(yàn)是否有折疊夾紋缺陷，以下對(duì)折疊夾紋缺陷進(jìn)行分析，篩選DeForm-3D軟件的運(yùn)行步，發(fā)現(xiàn)頸部變形時(shí)未出現(xiàn)折疊，選取成型狀態(tài)進(jìn)行折疊缺陷分析，其狀態(tài)如圖10所示。

圖10 折疊角狀態(tài)

由圖10可知，3種方案最大折疊角分別為219°、223°、229°，折疊角較小，且出現(xiàn)在底部，沒有折疊傾向，由于3種方案制造坯料方式相同，區(qū)別在于下料的質(zhì)量，采用頂部細(xì)端不變、減少底部粗端坯料的方式，3種方案在同一階段頸部的成型狀態(tài)幾乎相同，起到了優(yōu)化坯料流動(dòng)的作用，避免了鍛件缺陷的產(chǎn)生。

3.2.3 流動(dòng)情況分析

通過以上分析，排除了充填不滿和折疊缺陷，通過對(duì)3種方案的金屬流動(dòng)情況進(jìn)行分析，可以清晰地看出金屬流動(dòng)的情況，并驗(yàn)證坯料是否按需進(jìn)行流動(dòng)。

由于3種方案的金屬流動(dòng)基本相似，以方案一為例，選取坯料頸部成型的主要階段，其流速矢量如圖11所示，頸部坯料變形主要分為4個(gè)階段，第1階段坯料放入模膛，在模具零件的作用下調(diào)整位置；第2階段頸部坯料受到模具零件擠壓充填上?？孜唬坏?階段，隨著模具零件的繼續(xù)下壓，除了頸部變形外，底部變形更嚴(yán)重；第4階段頸部變形結(jié)束，開始隨模具零件下移，頸部坯料逐漸充滿模具型腔。從圖11可以看出，整個(gè)頸部成型過程金屬流動(dòng)順暢，第1、2階段除與模具零件接觸部分金屬外，其余金屬均保持向下流動(dòng)且從上到下，金屬流速逐漸變慢，未出現(xiàn)之前金屬流動(dòng)斷層及在頸部出現(xiàn)金屬堆積的情況；第3、4階段，頸部金屬逐漸與模具零件貼合，金屬流速變慢，頸部與柱體連接處金屬流動(dòng)順暢，未出現(xiàn)流動(dòng)紊亂及金屬堆疊的現(xiàn)象，總體上金屬流動(dòng)情況較理想，符合設(shè)計(jì)預(yù)期[6,7]。

圖11 金屬流速矢量

3.3 圓角及下料質(zhì)量對(duì)鍛造過程的影響

模具使用壽命和鍛件質(zhì)量性能以及材料利用率也是在優(yōu)化過程中需要考慮的問題，在優(yōu)化方案一的基礎(chǔ)上，分別加大了預(yù)鍛圓角及減少了下料量。

3.3.1 鍛件等效應(yīng)力分析

等效應(yīng)力對(duì)鍛件的質(zhì)量性能具有較大的影響，3種方案預(yù)鍛和終鍛結(jié)束后的等效應(yīng)力如圖12所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)預(yù)鍛結(jié)束后，鍛件應(yīng)力集中的情況明顯高于終鍛，且隨著預(yù)鍛模頸部圓角增大以及下料質(zhì)量的減小，應(yīng)力集中呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，預(yù)鍛結(jié)束后，3種方案最大等效應(yīng)力分別為293、285、282 MPa，分布位置集中在柱體與法蘭的連接部位。終鍛結(jié)束后，鍛件應(yīng)力分布較為均勻，3種方案最大等效應(yīng)力分別為421、289、259 MPa，等效應(yīng)力整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，方案二和方案三表現(xiàn)較好且接近，對(duì)比方案二和方案三可以發(fā)現(xiàn)，方案二整體等效應(yīng)力高于方案三，且方案二應(yīng)力分布優(yōu)于方案三，方案三雖分布不均勻，但在柱體與底臺(tái)的接觸位置，等效應(yīng)力表現(xiàn)較好，下降到100 MPa左右。

圖12 等效應(yīng)力

3.3.2 模具零件磨損分析

熱模鍛過程中由于模具預(yù)熱和受到坯料的加熱，模具零件磨損比較嚴(yán)重，會(huì)造成模具失效，對(duì)終鍛模進(jìn)行模具零件磨損分析，如圖13所示。從圖13可以看出，3種方案模具零件磨損情況相似，最大磨損量分別為 7.6×10-5、4.12×10-5、3.68×10-5mm，分布位置都在模具側(cè)面分型面位置，呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，分析增大圓角處的模具零件磨損情況發(fā)現(xiàn)，此處模具零件磨損較小，對(duì)改善模具零件磨損情況可以忽略，模具零件磨損的減少，主要是由于下料質(zhì)量的減小。

圖13 模具零件磨損

3.3.3 行程載荷曲線分析

行程載荷曲線是整個(gè)鍛造過程中模具零件及坯料受力最直觀的表達(dá)方式，可以據(jù)此選擇設(shè)備，本次模擬采用整體施加載荷，分析所需載荷，3種方案行程載荷曲線如圖14所示。3種方案成型過程中行程載荷曲線基本相同，最大成型載荷分別為2.73×108、2.41×108、2.6×108N，3種方案最大成形載荷相差不大，方案二所需最大成形載荷最小。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，采用加壓板方式，逐次分區(qū)域打擊，30 kN自由鍛錘能滿足需要。

圖14 行程載荷曲線

3.4 鍛造工藝方案優(yōu)選

通過上述分析，根據(jù)成型規(guī)律設(shè)計(jì)的3種鍛造方案，都避免了鍛造過程中產(chǎn)生成型缺陷，并對(duì)3種方案進(jìn)行了充填效果、流動(dòng)速度、應(yīng)力、模具零件磨損等分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)3種方案進(jìn)行評(píng)價(jià)及優(yōu)選。采取評(píng)分的形式，滿分10分，方案對(duì)比如表2所示，通過對(duì)每項(xiàng)進(jìn)行評(píng)分，方案三綜合得分最高，所以采用方案三進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)。

表2 方案對(duì)比

4 生產(chǎn)驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)的工藝選取下料質(zhì)量122 kg、直徑φ220 mm的坯料，生產(chǎn)過程要求操作者嚴(yán)格按照工藝規(guī)程操作。模鍛之前，先將坯料在自由鍛錘砧座上輕打壓扁去除氧化皮，再用風(fēng)槍將氧化皮處理，防止模鍛過程中對(duì)非加工面造成墊傷。制坯拔斜度輾尖，預(yù)鍛→終鍛，模鍛過程中坯料不能充滿模膛，需用壓板對(duì)坯料進(jìn)行緊壓，使之充滿不對(duì)稱的模膛。預(yù)鍛模如圖15所示，終鍛模如圖16所示[8]。

圖15 牽引支座預(yù)鍛模實(shí)物

圖16 牽引支座終鍛模實(shí)物

5 結(jié)束語

完成了鍛造工藝編制，預(yù)鍛模、終鍛模及相關(guān)輔助工裝設(shè)計(jì)，利用DeForm對(duì)牽引支座鍛件進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證了是否存在鍛造缺陷，并在研究工藝時(shí)產(chǎn)生缺陷的過程中，減少材料浪費(fèi)，提高材料利用率，在一定程度上減輕模具的負(fù)荷情況，減少了模具零件的磨損。通過3種方案的比較，確定了最優(yōu)的坯料質(zhì)量、尺寸及工藝；探索利用30 kN蒸汽-空氣錘，通過生產(chǎn)試制，采用胎模鍛的工藝方法，對(duì)坯料進(jìn)行拔長輾尖、預(yù)鍛、終鍛等，獲得尺寸符合圖紙技術(shù)要求的鍛件，實(shí)現(xiàn)了利用公司現(xiàn)有的小設(shè)備自主生產(chǎn)大型支座類鍛件的目的。