上、下衬板的锻造工艺分析及模具设计

文／赵增华，陈明达，刘伟·齐齐哈尔轨道交通装备有限公司

上、下衬板的锻造工艺分析及模具设计

文／赵增华，陈明达，刘伟·齐齐哈尔轨道交通装备有限公司

上、下衬板为薄板弯曲类锻件。针对上、下衬板的结构特点，提出了合理的锻造方案和切边、弯曲方案，并制定了合理的加热规范和冷却规范，通过试制，针对锻造过程出现的问题提出了相应的解决方案。

赵增华，工程师，主要从事大型钢质模锻件的工艺制定和模具设计工作，主持完成多种型号铁路货车用锻造钩尾框、锻造钩舌等模锻件的试制工作，拥有1项专利。

衬板是货车转向架上的关键零部件，它由上衬板、下衬板和中间填充的内八字橡胶弹性剪切垫三部分构成（图1）。转向架通过此装置来实现轮对的弹性定位、起减小转向架簧下质量以及隔离轮轨间高频振动等作用。本文通过对上、下衬板锻件工艺分析、工艺方案制定、模具设计和工艺验证等过程的介绍，展示了一种摩擦压力机上薄板类弯曲模锻件的工艺开发过程。

图1 衬板的构成

结构分析

上衬板（图2）和下衬板（图3）为八字形宽板结构，材质为35钢。上、下衬板厚度最薄尺寸为5mm，最厚尺寸为39mm，下衬板中圆角R要求为R6max。上衬板的下表面和下衬板的上表面形状为波浪形黑皮面，由于这两个面中间填充的物质为弹性橡胶垫，对黑皮面的表面质量要求较高；上衬板的上表面和下衬板的下表面为加工面，上衬板的上表面相对应装配零件为侧架，下衬板的下表面安装在承载鞍上，为了保证安装后的精度，上、下衬板的角度45°和135°，要求严格。

图2 上衬板零件图

图3 下衬板零件图

锻造工艺分析及制定

根据上、下衬板的结构特点，为了保证锻件的角度和下衬板中圆角精度的要求，并结合设备配置情况，制定上、下衬板的制造方案是先锻造、弯曲后机加工，用机加工来保证角度和圆角精度。

制坯方案的选择与确定

上衬板和下衬板锻件厚度最大尺寸为42mm，最薄处厚度尺寸为8mm，由于锻件厚度相差较大，在原材料选择上困难较大。通过对上、下衬板截面的计算，准备了两种方案。

第一种方案无需制坯，直接采用合适厚度的板料，板料的尺寸和上、下衬板的锻件尺寸相仿，但板料在模锻时，由于和模具的热交换，容易导致坯料表面温降迅速，从而增加金属的流动阻力，影响锻件的成形，因此需要较大的设备吨位。

第二种方案是增加预锻工序，预锻时采用较厚的板料或圆料，将上、下衬板的波浪形面锻出，使预锻毛坯的截面尺寸符合终锻截面尺寸要求，降低终锻变形量，从而降低变形所需要的设备吨位，也减小了终锻模膛的磨损，提高了模具的使用寿命。

对比两种方案，它们的优点和缺点对比见表1。综合考虑，最终选择了无预锻方案用于本次衬板生产。根据产品的批量情况和设备能力，采用8000t摩擦压力机锻造生产。根据实际生产经验，并结合产品的规格参数估算，使用8000t摩擦压力机采取2次锤击可满足上、下衬板所需的变形力要求。

表1 两种方案对比

模具设计

模具包括锻造模具、切边模具和弯曲模具。

锻造模具设计

⑴模膛尺寸。根据上、下衬板的锻件毛坯图和1.5%的热膨胀系数，生成上、下衬板的热锻件图，完成模具模膛的设计。

⑵飞边槽形式。由于锻件的截面尺寸不均匀，且锻件原材料和锻件体积相差较大，根据设备吨位，选用飞边槽形式见图4。

图4 飞边槽形式

⑶模膛的排布。上、下衬板模膛均为单模膛设计，为了最大限度地减少锻模在使用中的错移量，从延长主螺杆及导轨、锻模本身的使用寿命的观点出发，衬板模膛的中心与设备的主螺杆中心重合。

⑷导锁设计。由于8000t摩擦压力机设备的导向精度较差，为了保证锻件的错移量，采用了角锁扣形式的导锁，来保证上下模具对准。

⑸模块的尺寸。为了保证模具使用的寿命和使用过程中的安全性，模块的尺寸需要通过最小壁厚和模块的承击面积来确定。模锻时，锻模应有足够的接触面积来阻止分模面的下沉，这个上、下模的接触面被称为承击面，它是分模面减去模膛、飞边槽、导锁等处后的面积。查阅资料，结合模块的最小壁厚和最小承击面积要求，并考虑到8000t摩擦压力机的装模高度和模块的重复利用次数，选取的模块长、宽、高的尺寸分别为800mm、500mm和400mm。

切边和弯曲模具设计

⑴切边模具设计。8000t摩擦压力机配套使用的热切边压力机为2000t液压机，因此切边模具的设计需要考虑2000t液压机的设备特性，如装模高度、工作行程和速度等。

考虑到衬板锻件厚度薄，热量损失快，从模锻结束后到切边开始，锻件的外形尺寸会有缩小，因此切边凹模的刃口尺寸应比锻模模膛的尺寸小，在实际应用中，锻模模膛的热膨胀系数一般选取1.5%，而切边模具刃口尺寸的热膨胀系数选取1.4%。为了保证切边后的飞边顺利从凸模上取下，设计了卸料机构。

⑵弯曲模具设计。弯曲设备也选取2000t液压机。弯曲模具由弯曲上模和弯曲下模组成，弯曲下模包括定位装置，由于切边后锻件的温度有温降，为保证弯曲模具和锻件尺寸匹配，弯曲模具的尺寸的热膨胀系数选取为1.3%。

切边和弯曲模具的具体形式如图5所示。

图5 切边、弯曲模具

锻件作业条件的制定

为保证上、下衬板锻造后的尺寸、外观质量和内部组织。需制定合适的加热工艺规范和冷却工艺规范。

⑴加热工艺规范。锻件的材质为35钢，35钢的始锻温度为1150～1200℃，终锻温度为750～800℃，考虑到加热坯料为板料，加热设备为双门室式燃气炉，加热时产生氧化皮也比较严重，制定了加热工艺为：加热温度1100～1150℃，加热时间20～25min，第一炉装炉量不大于10件，然后采取续料加热方式生产。

⑵冷却方式。考虑到上、下衬板锻件为薄板弯曲件，且截面不均匀，如果冷却速度过快，锻件温度应力过大，容易使锻件产生变形，从而影响弯曲质量。采用堆冷工艺措施，可有效减缓锻件的冷却速度，使锻件的各截面能缓慢均匀冷却，降低温度应力对锻件尺寸的影响。

试制生产

在后期的试制过程中，锻件的尺寸和内部质量达到工艺要求，但锻件的表面质量（氧化皮硌坑）较差。为了保证产品质量，对加热工艺进行了修正，计划批量生产时改用中频感应加热炉加热，并增加除氧化皮工序，图6为锻件试制过程生产现场图。

图6 锻件试制过程

结束语

通过上、下衬板锻造工艺的开发，积累了制定薄板弯曲类锻件锻造工艺的宝贵经验。通过对上、下衬板进行结构分析，选择合适的制坯工艺和锻造设备，制定相应的工艺过程，设计了需要的模具，成功的完成了衬板的试制。