铁路货车钩尾框模锻成形工艺研究

文／赵会妙，李春海·南车石家庄车辆有限公司

铁路货车钩尾框模锻成形工艺研究

文／赵会妙，李春海·南车石家庄车辆有限公司

铁路货运行业近年来积极推进重载提速以缓解铁路运能运力的不足，在铁路道路方面主要是对原有道路的适应性改造，在货车车辆方面主要是增加各部件的承载能力。为适应铁路货车车辆重载提速的要求，铁路车辆近几年来铸件改锻件的趋势明显。和铸件相比，锻件的强度和可靠性大大加强，品质提升效果明显。但铁路锻件普遍体积大、质量重，而且从铸件转化为锻件时一般仍保留许多铸件的结构特点而导致锻件的形状也比较复杂，这样就形成了铁路锻件锻造的一般特点：需要大吨位的锻造设备，锻造工艺复杂，成形难度大。

模锻成形难点分析

钩尾框属于复杂的大型锻件，其成形精度及质量与成形设备的打击力、预制坯的尺寸以及终锻模具的设计都存在很大的关系。为保证锻件精度和有效降低成形设备的终锻打击力，须对钩尾框坯料进行制坯，目前国内批量锻造生产钩尾框普遍采用自由锻制坯或辊锻制坯。

自由锻制坯后采用大吨位摩擦压力机模锻，然后折弯成形。由于钩尾框形状复杂，自由锻制坯时间较长，需两火成形，存在着劳动条件差、生产效率低、生产成本高、能源消耗大、产品表面质量较差等问题。

辊锻制坯时间短、效率高，能够保证终锻温度，因此可实现一火成形，生产效率高、生产成本低。

工艺方案的设计及优化

为有效降低试验成本，节省试验验证时间，我们运用数值模拟软件对钩尾框锻造工艺方案进行了模拟计算，根据模拟计算结果选择设备型号和原材料规格，再通过试制验证确定最终的工艺及装备方案。

工艺流程

根据钩尾框的成形特点，为有效降低生产成本、提高生产效率，我们采用了辊锻制坯、模锻＋折弯成形的流水线生产工艺，钩尾框生产工艺流程为：下料→中频加热→辊锻→终锻→切边→弯曲→整形→焊接→热处理→机加工→探伤。

制坯工艺方案

终锻前，采用辊锻机及相应的辊锻模具进行制坯。辊锻工序完成后，毛坯除两端头部保持圆形截面外，其余部位的尺寸及形状应基本接近于锻件相应部位的尺寸及形状。辊锻后的坯料外形结构如图1所示。

图1 辊锻后的坯料外形结构

制坯完成后，框板及中间位置均接近钩尾框锻件外形，终锻时，仅头部成形需要的打击力较大。采用这样的制坯方式可有效降低锻件终锻时的打击力，提高终锻模具的使用寿命，降低产品的生产成本。

等效应力场分析

采用数值模拟软件进行等效应力场分析，终锻成形的等效应力场如图2所示。

通过对比分析可知，钩尾框锻件在成形过程中，相对于已经辊锻制坯成形的中间部分而言，头部为其变形量较大的部分，等效应力会相应增大，终锻成形相对较为困难。但通过模拟分析，等效应力最大也仅为200MPa左右，而8000t摩擦压力机所能提供的打击力完全能够满足钩尾框的成形要求，保证产品成形质量，因此选择8000t摩擦压力机(图3）进行模锻。

图2 终锻成形的等效应力场

下料规格的优化

试生产期间，我们采用了下料尺寸为φ160mm、下料重量为150kg左右的下料方案。为有效降低生产成本，提高材料利用率，我们提出了进一步优化下料尺寸和下料重量的改进设想。为此，我们结合实际生产经验，运用数值模拟软件进行了分析、试验。

图3 8000t摩擦压力机

图5 钩尾框飞边

在不调整辊锻模具的情况下，改变原下料规格后，制坯过程中间部位用料不变，只是两端头部所剩余的材料发生了变化。由于只要保证两端头部的终锻成形满足要求即可，故本试验方案只对终锻成形过程进行了相应的数值模拟。

根据钩尾框的技术要求和选用的下料规格，用UG软件完成模具及辊锻毛坯的三维造型。将三维造型导入数值模拟软件，结合试生产工艺设定模拟工艺参数：坯料温度为1150～1200℃；模具预热温度为300℃；打击力为80000kN；模具和坯料的网格数量分别为200000个和250000个；摩擦系数为0.3(锻造过程采用水基石墨润滑剂）；热交换系数为11N/sec/mm/℃。

经模拟软件分析，当选用φ155mm的棒料、下料重量为140kg时，锻造的钩尾框成形效果良好，能够满足工艺要求，这时的钩尾框终锻成形模拟结果如图4所示。

图4 钩尾框终锻成形模拟结果

由模拟结果可以看出，采用新的下料规格能够使金属完全充满模腔。经过辊锻制坯后，终锻时中间框板部分所产生的飞边非常有限，这在很大程度上提高了材料的利用率。虽然头部形状比较复杂，但经终锻成形后此部分也能够完全充满，并没有产生缺材问题。

在数值模拟分析的基础上，我们按上述下料尺寸和下料重量进行了批量为50件的产品试制，试制结果与模拟分析结果基本一致。优化后的下料规格既满足了钩尾框最终成形质量的技术要求，又有效减少了多余的飞边材料，提高材料利用率约6%。

采用优化后的下料规格，在经过终锻及切边工序后得到的飞边如图5所示，可以看到，两端头部位置的飞边较大，而中间框板部分的飞边较小。

结束语

本文基于数值模拟技术实现了对锻造钩尾框下料方案优化的模拟计算，在此基础上着重分析了钩尾框的成形特点及在终锻过程中等效应力的分布特点。

在现有模具及设备的基础上，在满足终锻成形的前提下，我们优化了下料规格，达到了提高材料利用率、降低生产成本的目的，并得到了以下结论：

⑴优化后的下料规格可满足钩尾框的成形工艺要求，能够得到合格的锻件。

⑵三维有限元模拟结果与试制结果相符，减少了调试时间，降低了试验成本。

⑶用料的减少有效地降低了变形力，提高了模具的使用寿命。

赵会妙，项目办公室主任，高级工程师，兼任河北路友铁路机车车辆配件有限公司总经理，主要从事铁路货车配件的开发与研制工作，主持完成了辊锻技术的开发与应用、铁路货车钩尾框和上心盘等锻造生产线技术改造和工艺转化实施项目等，拥有7项专利技术。