鐵路貨車新型轉(zhuǎn)向架U形杠桿鍛造成形工藝

趙增華

中車齊齊哈爾車輛有限公司 黑龍江齊齊哈爾 161002

1 序言

制動杠桿是我公司研發(fā)的一種新型鐵路貨車轉(zhuǎn)向架制動部分的關(guān)鍵零部件，是一種U形黑皮鍛件。制動杠桿上有4個機(jī)加工的通孔，中間鑲襯套，由于制動杠桿孔中心距的變化可以改變制動部件的行程，從而影響列車制動力大小，因此制動杠桿的制造質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高。制動杠桿的材質(zhì)為42CrMo鋼，需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，圖樣要求杠桿必須為模鍛件。

2 制動杠桿結(jié)構(gòu)分析

制動杠桿的使用狀態(tài)如圖1所示。制動杠桿是一種典型的U形板類鍛件，整體厚度為20mm，U形位置板間距為20mm，與板厚相同。制動杠桿上有4個通孔，其中孔3為同軸雙孔，孔3位置的外側(cè)形狀為R38mm半圓弧，其中心軸線與杠桿整體中心軸線同軸。工作時，孔1、孔2 和孔3通過作用于整體支柱并帶動制動梁組成實現(xiàn)車輛制動或制動緩解。為了保證轉(zhuǎn)向架制動倍率精確，杠桿的孔距以及孔3和孔2所在平面的平面度、平面間距的尺寸必須準(zhǔn)確。制動杠桿零件結(jié)構(gòu)如圖2所示， 三維實體如圖3所示。

圖1 使用中的制動杠桿

圖2 制動杠桿零件結(jié)構(gòu)

圖3 制動杠桿三維實體示意

3 成形工藝分析

分析制動杠桿的形狀特點(diǎn)可知，其成形工藝可由兩種工藝方法完成，第一種工藝方法為整體模鍛后進(jìn)行機(jī)加工，由機(jī)加工來保證杠桿彎曲部位的關(guān)鍵尺寸；第二種工藝方法為將杠桿展開為平板進(jìn)行鍛造，再進(jìn)行彎曲成形，由彎曲成形工藝來保證杠桿彎曲部位的關(guān)鍵尺寸。

3.1 模鍛后機(jī)加工成形工藝

該工藝方法具體工序為：模鍛→機(jī)加工（加工外形及鉆孔）→熱處理→精加工孔。整體模鍛如圖4所示。此工藝方法的優(yōu)點(diǎn)如下。

圖4 整體模鍛示意

1）U形部位通過機(jī)加工成形，尺寸精度高，表面質(zhì)量好。

2）U形部位的中心軸線與杠桿整體中心軸線同軸度較好，能保證4個孔的位置精度。

此工藝方法的缺點(diǎn)如下。

1）整體模鍛，機(jī)加工余量大，生產(chǎn)效率低，鍛件的成本高。

2）鍛件部分位置為加工面和黑皮面過渡，加工時過渡位置易形成缺陷，需要打磨處理。

3）U形部位通過機(jī)加工完成，鍛件的綜合機(jī)械強(qiáng)度相比彎曲成形工藝低。

3.2 模鍛后彎曲成形工藝

一般情況下，U形杠桿可采取彎曲成形工藝方法。具體工藝過程為：模鍛→彎曲→粗加工孔→熱處理→精加工孔。

杠桿的模鍛工藝較為簡單，將杠桿按軸線方向展開，根據(jù)使用的設(shè)備類型設(shè)計相適應(yīng)的鍛模工藝進(jìn)行鍛造。模鍛工藝設(shè)計時注意以下幾點(diǎn)。

1）由于薄板類鍛件模鍛后溫度降低較快，因此需制定合理的冷卻方式，以防止因鍛件快速降溫而引起鍛件變形。

2）由于薄板類鍛件模鍛后溫度降低較快，鍛件的熱收縮量有較明顯變化，為保證鍛件切邊后殘余飛邊、毛刺量小，需精細(xì)考慮切邊凹模和鍛模的匹配問題。

3）鍛件切邊后直接進(jìn)入彎曲工序，需考慮鍛件的軸向和縱向定位基準(zhǔn)，從而保證彎曲尺寸準(zhǔn)確。

（1）常規(guī)彎曲成形工藝 將制動杠桿毛坯（見圖5）按照軸線方向展開為直板形狀（見圖6），杠桿完成模鍛、切邊后直接進(jìn)行彎曲成形。采用此工藝方法的優(yōu)缺點(diǎn)如下。

圖5 制動杠桿毛坯示意

圖6 制動杠桿展開示意

1）鍛件模鍛后直接彎曲成形，不用對形狀尺寸再進(jìn)行機(jī)加工，節(jié)省原材料和機(jī)加工工時。

2）鍛件彎曲部位為彎曲成形，鍛造流線保持完整，杠桿彎曲部位的綜合機(jī)械強(qiáng)度比采用機(jī)加工成形工藝高。

通過對杠桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，杠桿的厚度為20mm，U形部位板間距為20mm，若采用常規(guī)的彎曲成形工藝，則成形難度較大，成形質(zhì)量不佳，主要體現(xiàn)在以下兩方面。

1）杠桿彎曲部位的變形程度較大，變形過程中杠桿內(nèi)側(cè)面受壓、外側(cè)面受拉，變形部位變形量大，容易形成彎曲缺陷，彎曲部位杠桿的寬度尺寸不符合要求。

2）彎曲成形必須有精準(zhǔn)的軸向和徑向定位，若徑向定位不準(zhǔn)確，則彎曲后杠桿U形部位的中心軸線易與杠桿整體中心軸線出現(xiàn)偏差（邁步）缺陷。如果軸向定位不準(zhǔn)確，彎曲后的杠桿孔3和孔1、孔2部位中心距會出現(xiàn)偏差。

為了驗證杠桿大變形量彎曲后的變形缺陷，我們用20mm的42CrMo鋼板切割出與杠桿變形位置相同寬度的工件進(jìn)行彎曲試驗。試驗結(jié)果證實了杠桿彎曲位置存在嚴(yán)重的變形，如圖7所示。

圖7 杠桿變形缺陷驗證

（2）改進(jìn)后的彎曲成形工藝 為了消除彎曲成形過程中產(chǎn)生的鍛件缺陷，我公司對彎曲工藝進(jìn)行了改進(jìn)。將杠桿模鍛的展開形狀進(jìn)行優(yōu)化，利用模鍛的成形特點(diǎn)，將彎曲成形易形成缺陷的部位直接模鍛成形[1]（見圖8），然后再進(jìn)行彎曲成形（見圖9）。改進(jìn)后杠桿彎曲工藝將原U形部位的大幅度變形（直板彎曲成U形），優(yōu)化到U形兩側(cè)兩個部位進(jìn)行小幅度變形（V形板彎曲成U形），減小彎曲位置變形程度，消除杠桿變形位置兩側(cè)面的嚴(yán)重變形缺陷；同時，模鍛成形可以精確鍛造出杠桿的定位基準(zhǔn)，滿足杠桿彎曲成形的精準(zhǔn)定位需求，解決了杠桿彎曲后易出現(xiàn)縱向和橫向偏差缺陷的問題。

圖8 優(yōu)化后的杠桿展開示意

圖9 改進(jìn)后的杠桿彎曲工藝

改進(jìn)后的彎曲成形工藝，消除了彎曲部位變形量大形成的缺陷，解決了杠桿彎曲定位不準(zhǔn)確且易出現(xiàn)各個方向偏差等質(zhì)量問題，同時也保證了杠桿鍛造流線的完整性，提高了杠桿強(qiáng)度。

鍛造+彎曲成形工藝與鍛造+機(jī)加工工藝相比，杠桿彎曲部位的鍛造流線完整，鍛件的綜合力學(xué)性能更好，由于杠桿的需求數(shù)量較大，考慮到杠桿的生產(chǎn)效率，我們選擇了改進(jìn)后的模鍛成形+彎曲工藝方案用于本批次杠桿生產(chǎn)。

4 模具設(shè)計

根據(jù)我公司現(xiàn)有鍛造設(shè)備的能力，制定了在80MN摩擦壓力機(jī)模鍛、20MN液壓機(jī)切邊、630kN液壓機(jī)彎曲的生產(chǎn)工藝方案，并設(shè)計了相應(yīng)的模具。模具包括鍛造模具、切邊模具和彎曲模具。

其中，hj表示各消費(fèi)支出項目與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的和諧度，wj表示各消費(fèi)項目所占權(quán)重，通常用各項消費(fèi)支出在總消費(fèi)支出中所占比重來表示。

4.1 鍛造模具

根據(jù)鍛件形狀及成形工藝，并考慮鍛造設(shè)備特點(diǎn)，鍛模采取單模膛布置，模具通過燕尾形式與通用模座連接，模具組成通過T形螺栓安裝到設(shè)備上。

（1）模膛尺寸 根據(jù)制動杠桿的材質(zhì)，選定熱膨脹系數(shù)為1.5%，根據(jù)改進(jìn)后的杠桿展開方式，生成制動杠桿熱鍛件圖，完成模具模膛尺寸的確定。

（2）飛邊槽尺寸 由于鍛件的截面尺寸不均勻，且鍛件原材料（圓鋼）與鍛件兩端截面相差較大， 并根據(jù)設(shè)備噸位，通過查閱參考文獻(xiàn)[2]，選擇飛邊槽形式的結(jié)構(gòu)尺寸，如圖10所示。

圖10 飛邊槽形式結(jié)構(gòu)尺寸

（3）模膛的排布 制動杠桿模膛為單模膛設(shè)計，為減小鍛模在使用中的錯移量，延長主螺桿及導(dǎo)軌、鍛模本身的使用壽命，模膛的中心應(yīng)與設(shè)備的主螺桿中心重合。

（4）導(dǎo)鎖設(shè)計 由于80MN摩擦壓力機(jī)導(dǎo)向精度較差，因此為了減小鍛件的錯移量，我們采用了角鎖扣形式的導(dǎo)鎖，來保證上下模具模膛對正。

（5）模具的最小壁厚和承擊面積 為了保證模具的使用壽命和使用過程中的安全性，模具的尺寸需通過最小壁厚和模具的承擊面積來確定。查閱參考資料，確定模鍛模膛的最小外壁厚公式為[2]

式中S——模鍛模膛的最小外壁厚（mm）；

K——系數(shù)；

h——模膛最大深度（mm）。

杠桿鍛模模膛的最大深度為10mm，選取系數(shù)K＝2，計算得出模具最小壁厚應(yīng)＞20mm。

模鍛時，鍛模應(yīng)有足夠的接觸面積來阻止分模面的下沉，這個上下模具的接觸面積被稱為承擊面積積，其是由分模面減去模膛、飛邊槽、導(dǎo)鎖等處后的面積。由于摩擦壓力機(jī)行程速度較慢，模具受力條件較好，因此開式模鍛模具的承擊面積一般可為錘上模鍛的 1/3。查閱相關(guān)資料并按經(jīng)驗公式換算[3]，80MN摩擦壓力機(jī)的打擊能量與16t（160kN）模鍛錘相當(dāng)，因此選用16t模鍛錘承擊面積的1/3來計算杠桿模塊的承擊面積。

綜合模塊的最小壁厚和最小承擊面積要求，考慮到80MN摩擦壓力機(jī)的裝模高度和模具的重復(fù)利用次數(shù)，選取模具長、寬、高尺寸，分別為920mm、465mm和360mm。

4.2 切邊模具

由于與80MN摩擦壓力機(jī)配套使用的熱切邊壓力機(jī)為20MN液壓機(jī)，因此切邊模具的設(shè)計需要考慮20MN液壓機(jī)的設(shè)備特性（裝模高度、工作行程和速度）?？紤]到杠桿鍛件厚度薄、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，在實際應(yīng)用中，鍛模模膛的熱膨脹系數(shù)一般取1.5%，而切邊模具刃口尺寸的熱膨脹系數(shù)取1.4%。

4.3 彎曲模具

彎曲設(shè)備采用配套的630kN液壓機(jī)，彎曲模具分為上下模結(jié)構(gòu)，下模開口與鍛件彎曲部位匹配，利用鍛件的自定位來保證鍛件的彎曲質(zhì)量。

5 鍛件作業(yè)條件及生產(chǎn)驗證

為確保制動杠桿鍛造后的尺寸和外觀質(zhì)量，防止鍛件出現(xiàn)過熱、過燒、裂紋和變形缺陷，需制定合適的加熱工藝和冷卻工藝規(guī)范。

5.1 加熱工藝規(guī)范

鍛件的材質(zhì)為42CrMo鋼，經(jīng)查閱文獻(xiàn)[4]，42CrMo鋼的始鍛溫度為1150℃、終鍛溫度≥850℃。原材料規(guī)格為φ50mm圓鋼，由于加熱設(shè)備為雙門室式燃?xì)鉅t，因此長時間加熱時圓鋼表面會產(chǎn)生較多氧化皮，為降低氧化皮產(chǎn)生量，制定了以下加熱工藝：加熱溫度為1100～1150℃；加熱時間為20～25min；初始裝爐量不多于10件，然后采取續(xù)料加熱方式生產(chǎn)。

5.2 冷卻方式

制動杠桿鍛件為薄板彎曲件，若冷卻速度過快，鍛件溫度應(yīng)力過大，則容易使鍛件產(chǎn)生變形，從而影響杠桿的質(zhì)量。結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)條件，采取了在料斗內(nèi)堆冷的冷卻方式。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，從而降低溫度應(yīng)力對杠桿尺寸的影響。

5.3 生產(chǎn)驗證

通過實際生產(chǎn)驗證（見圖11～圖13），采用優(yōu)化后的彎曲工藝生產(chǎn)的制動杠桿鍛件，尺寸符合圖樣要求，杠桿變形部位成形質(zhì)量良好，杠桿的軸向和縱向偏差符合技術(shù)要求。

圖11 鍛造模具

圖12 鍛造后的毛坯

圖13 彎曲后的毛坯

6 結(jié)束語

1）通過對杠桿幾種鍛造成形工藝的比較，將杠桿彎曲成形質(zhì)量差的部位采用模鍛方式預(yù)先鍛造成形、然后再彎曲成形的方案，有效地解決了鍛件彎曲質(zhì)量缺陷，也提升了杠桿彎曲工序的生產(chǎn)效率。

2）受現(xiàn)有的加熱設(shè)備限制，燃?xì)鉅t加熱效率較低，鍛件加熱過程中產(chǎn)生了較多的氧化皮，對鍛件的表面質(zhì)量有一定的影響，后期可以在現(xiàn)場配置中頻感應(yīng)加熱設(shè)備，以提升杠桿的加熱效率和質(zhì)量，降低鍛件生產(chǎn)的能源成本。