高速转向架上抗蛇形减振器产品的锻造工艺研究

文／唐林，朱岩，刘金海，唐振英·中车齐齐哈尔车辆有限公司

高速转向架上抗蛇形减振器产品的锻造工艺研究

文／唐林，朱岩，刘金海，唐振英·中车齐齐哈尔车辆有限公司

抗蛇形减振器产品是高速转向架上的关键部件，利用Deform-3D软件对预定的方案进行有限元分析，采用φ170mm圆钢能有效的完成锻件的充型，但直接成形会产生较大的飞边且大幅度提高锻造成形力；通过采用自由锻预制坯料进行锻造模拟分析并优化，减少了锻造所需的打击力和投料重量，根据模拟优化结果最终制定了在8000t螺旋压力机上进行生产的工艺方案。

在铁路货车行业重载快捷的大背景下，高速转向架（图1）是以后发展的重点方向，该转向架上的部分铸件在实际装车，应用过程中无法满足使用需求。后部分铸件改为锻件，采用自由锻造工艺进行生产，但自由锻件加工量太大、成本高、效率低，满足不了批量生产需求，因此需进行模锻工艺的研究，以便更好地保证锻件质量、提高效率、降低生产制造成本。选取了抗蛇形减振器作为典型产品进行模锻工艺研究，采用Deform-3D软件对该产品各种方案锻造工艺模拟及优化，最终制定了工艺生产方案。

图1 高速转向架

产品特点及锻造工艺性分析

产品特点

抗蛇形减振器如图2所示，为楔形局部带高筋产品，且楔形部位较薄，局部截面变化较大，采用整体锻造结构。

图2 抗蛇形减振器产品三维

锻造工艺性分析

根据该产品的结构特点设计了如图3所示锻件。该锻件为楔形局部带高筋锻件，带筋部位较薄、较深，难于锻造成形，产品截面积变化较大，板厚尺寸较薄，因此在锻打过程中会增加锻件的变形抗力。

图3 锻件三维

工艺过程模拟及工艺方案的制定

经过对产品的工艺性分析，该产品局部高筋为难成形部位，该部位较高较窄。利用三维软件对抗蛇形减振器参数化建模，用Deform-3D软件平台对建立的三维模型进行有限元模拟，通过对不同坯料的模拟，揭示出产品生产变形过程及规律，最终选定坯料的规格尺寸。

采用φ150mm的圆钢进行模锻过程模拟

经过对锻件各部位截面的计算，该产品锻造后所需最大截面需采用φ150mm圆钢，根据测得的重量加上烧损和飞边重量进行计算，下料规格为φ150mm×200mm，下料重量28kg。按此规格坯料进行模拟，模拟结果如图4所示。

坯料温度设定为1150℃，为了模拟过程更加准确，网格划分为100000个，上、下模具温度设为250℃。上模运动速度设定为400mm/s。

经过模拟最终成形结果如图4所示，此时锻造力为6100t，可以看出最终成形后锻件高筋处充型不到一半，无法完成坯料的锻造成形，因此该方案不予考虑。

图4 采用φ150mm圆钢模锻成形结果

采用φ170mm的圆钢进行模锻过程模拟

基于以上的模拟分析结果，对坯料下料规格做了调整，将下料规格调整为φ170mm×185mm，下料重量33kg，比方案一多下料5kg。坯料温度设定为1150℃，为了模拟过程更加准确，网格划分为100000个，上、下模具温度设为250℃。上模运动速度设定为400mm/s。

经过模拟最终成形结果如图5所示，可以看出采用该种规格坯料锻件能充型完全，但是产生较大的飞边，造成材料的浪费，锻造成形力较大，达到16000t。基于目前锻工车间所有设备，只有500kJ对击锤能够满足锻造力要求，但对击锤生产线承担16型、17型等多种钩尾框及上心盘的生产任务，生产能力饱和，并且抗蛇形减振器属于中小型锻件，500kJ对击锤的模具成本高，在其上生产的经济效益低，综合考虑，排除了抗蛇形减振器在500kJ对击锤上生产的方案。

图5 采用φ170mm圆钢模锻成形结果

采用自由锻预制坯的方式进行模锻过程模拟

鉴于上述对圆钢成形的模拟分析，采用自由锻进行预制坯方式。预制坯料尺寸及坯料在模具中摆放如图6所示。

图6 预制坯料尺寸及在模具中摆放位置

坯料温度设定为1150℃，为了模拟过程更加准确，网格划分为100000个，上、下模具温度设为250℃。上模运动速度设定为400mm/s。

经过模拟最终成形结果如图7所示，可以看出采用自由锻预制坯料的锻件能充型完全，但是产生较大的飞边，造成材料的浪费，锻造成形力比φ170mm圆钢坯料方案小，达到13000t。飞边已经溢出仓部，溢出的金属增加了锻造所需的打击力，坯料重量为34kg，下料过大。

图7 自由锻坯料模锻成形结果

对自由锻预制坯方案进行工艺优化

鉴于上述对自由锻造坯料的模拟分析，对预锻坯料的尺寸进行优化，降低了下料重量，预锻坯料的重量为28.9kg。优化后的预制坯料尺寸如图8所示。

坯料温度设定为1150℃，为了模拟过程更加准确，网格划分为100000个，上、下模具温度设为250℃。上模运动速度设定为400mm/s。

经过模拟最终成形结果如图9所示，可以看出采用优化后的自由锻预制坯料的锻件能充型完全，飞边尺寸合适，锻造成形力比优化前小，打击力为9200t，可以在8000t螺旋压力机生产线进行生产,坯料重量比优化前减少5.1kg。

图8 优化后预制坯料尺寸及在模具中摆放位置

图9 优化后的自由锻坯料充型结果

结论

通过采用不同坯料对抗蛇形减振器的锻造过程进行有限元模拟分析，为实际生产提供有效依据，模拟结果表明:

⑴采用φ170mm圆钢能有效的完成锻件的充型，但直接成形会产生较大的飞边且大幅度提高锻造成形力。

⑵采用自由锻预制坯料减少了锻造所需的打击力，减少投料重量，可以在8000t螺旋压力机上完成该产品的生产试制。