唐振英，溫建利，唐 林，陳明達(dá)

（中車(chē)齊齊哈爾車(chē)輛有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002）

鉤舌位于機(jī)車(chē)車(chē)廂之間，起到傳遞載荷、保持車(chē)距以保證列車(chē)正常運(yùn)行的作用。鉤舌與鉤頭、鉤尾框以及緩沖器等組成車(chē)鉤緩沖裝置。隨著鐵路貨運(yùn)不斷向高速和重載方向發(fā)展，鉤舌作為連接機(jī)車(chē)以及車(chē)輛的主要部件，受到更加強(qiáng)烈的摩擦、沖擊以及交變載荷的作用力,由于鉤舌的形狀非常復(fù)雜，之前大都采用鑄造工藝成形，但強(qiáng)度過(guò)低，無(wú)法滿足鐵路貨車(chē)進(jìn)一步的提速和重載的需要，已逐漸被鍛造成形工藝取代。

鍛造鉤舌具有很好的發(fā)展前景，然而鍛造成形經(jīng)驗(yàn)不足，早期采用自由鍛制坯-模鍛成形工藝，加熱火次多，造成了材料和能源的極大浪費(fèi)，模具設(shè)計(jì)過(guò)程中減重槽的省略，不僅增加了后繼加工工序，還使鉤舌的組織流線在后繼加工過(guò)程中遭到破壞。新型鍛造鉤舌所暴露出的問(wèn)題嚴(yán)重制約了貨運(yùn)列車(chē)向高速、重載方向的發(fā)展以及國(guó)內(nèi)外的推廣[1-2]。

為了滿足發(fā)達(dá)國(guó)家市場(chǎng)對(duì)鍛造鉤舌產(chǎn)品的需求，同時(shí)為了降低鍛造鉤舌的生產(chǎn)制造成本，對(duì)鉤舌產(chǎn)品的鍛造成形工藝進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，結(jié)合6300t熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)線對(duì)鍛造鉤舌在該設(shè)備上的成形工藝進(jìn)行了研究，采用DEFORM軟件對(duì)鍛造工藝方案進(jìn)行模擬研究，最終開(kāi)發(fā)出了熱模鍛壓力機(jī)上鉤舌兩火鍛造成形，并成功的完成了該產(chǎn)品的生產(chǎn)試制和批量生產(chǎn)。圖1所示為鍛造鉤舌產(chǎn)品圖，圖2所示為6300t熱模鍛壓力機(jī)鉤舌鍛造生產(chǎn)線。

圖1 鍛造鉤舌產(chǎn)品

圖2 6300t熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)線

1 工藝方案的制定

1.1 工藝分析

為了減少加工量和確保成形質(zhì)量采用了立式鍛造的工藝方案，鍛件毛坯如圖3。鉤舌產(chǎn)品為難成形的模鍛件產(chǎn)品，產(chǎn)品截面尺寸變化較大、形狀復(fù)雜，且該產(chǎn)品尺寸要求精，存在不容易鍛造的薄筋。①鍛造工藝性差，具體表現(xiàn)為鍛件截面積變化大，最小截面和最大截面相差近6倍；②鉤舌高度尺寸大，過(guò)渡圓角小，高度達(dá)到280mm，過(guò)渡圓角僅為R3～5mm；③頭部減重槽形成的高筋深度達(dá)60mm，寬度僅為16mm，難以充滿成形；④S面及沖擊與牽引面之間的曲面阻斷金屬流動(dòng)，易造成折疊、充不滿等缺陷，給鍛造工藝的設(shè)計(jì)增加了難度[3-4]。

圖3 鍛造鉤舌鍛件毛坯

1.2 一次加熱成形研究

首先對(duì)鉤舌一火鍛造成形工藝進(jìn)行研究，選用圓坯料通過(guò)DEFORM軟件對(duì)鍛造工藝過(guò)程進(jìn)行分析模擬。鉤舌一火成形鍛造工藝流程如圖4所示。工藝流程為：下料→加熱→去除氧化皮→局部鐓粗成形→小端第一次拍扁→小端第二次拍扁→整形、錯(cuò)移→預(yù)鍛→→終鍛→切邊修磨。

鉤舌一火成形采用圓坯料時(shí)，鉤舌一火鍛造成形需要經(jīng)過(guò)6個(gè)生產(chǎn)工步，最快生產(chǎn)節(jié)拍需要在90s左右，坯料溫度降低嚴(yán)重，預(yù)鍛成形后上下?tīng)恳_(tái)部位的金屬由于所占體積百分比較小、溫降嚴(yán)重，已經(jīng)接近終鍛溫度。在終鍛成形中，由于坯料繼續(xù)和模具接觸散熱以及從預(yù)鍛到轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的溫度損失，終鍛后上下?tīng)恳_(tái)部金屬溫度在800℃以下，低于終鍛溫度，其余大部分溫度分布也在終鍛溫度范圍左右。終鍛件溫度太低，即影響后續(xù)的熱切邊質(zhì)量，又會(huì)由于坯料溫度的降低使得成形力急劇增加，加劇模具的磨損，甚至造成模具的破壞。

采用6個(gè)成形工步無(wú)法在6300t熱模鍛壓力機(jī)工作臺(tái)面上布置，同時(shí)由于預(yù)鍛成形與終鍛成形分模面垂直，且預(yù)鍛成形分模面有毛刺產(chǎn)生，在終鍛成形中容易產(chǎn)生鍛造缺陷。

圖4 鍛造鉤舌一火成形工藝流程

基于以上研究，排除了在6300t熱模鍛壓力機(jī)上一次加熱成形的生產(chǎn)工藝方案。

1.3 兩次加熱成形研究

針對(duì)一火成形工藝所存在的問(wèn)題，我們提出6300t熱模鍛壓力機(jī)上的鉤舌兩火鍛造成形工藝，其工藝路線圖如圖5所示。工藝流程為：下料→加熱→去除氧化皮→局部鐓粗成形→一次壓扁成形→二次壓扁成形→整形→預(yù)鍛→切邊修磨→加熱→去除氧化皮→終鍛→切邊修磨。

在兩火成形工藝中，采用圓坯料。采用鋼塑性有限元理論對(duì)鉤舌兩火鍛造成形過(guò)程進(jìn)行模擬研究[5-9]。

2 兩次加熱模鍛成形工藝方案模擬

2.1 幾何模型建立

對(duì)兩次加熱模鍛成形方案進(jìn)行幾何模型的建立，同時(shí)采用DEFORM軟件對(duì)溫度場(chǎng)和成形過(guò)程進(jìn)行工藝過(guò)程模擬，中間各工步均繼承前一工步的模擬計(jì)算結(jié)果。模擬過(guò)程流程圖如圖6所示，其模擬過(guò)程為：設(shè)定坯料和模具的初始溫度→局部鐓粗成形過(guò)程模擬→轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程坯料溫度場(chǎng)模擬→第一次壓扁成形過(guò)程模擬→轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程坯料溫度場(chǎng)模擬→第二次壓扁成形過(guò)程模擬→轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程坯料溫度場(chǎng)模擬→整形工步模擬→轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程坯料溫度場(chǎng)模擬→預(yù)鍛成形過(guò)程模擬→設(shè)定終鍛模具溫度和坯料溫度→終鍛成形過(guò)程模擬[10]。

2.2 邊界條件設(shè)定

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得25MnCrNiMo各項(xiàng)塑性指標(biāo)，在模擬軟件的材料屬性模塊中創(chuàng)建25MnCrNiMo鋼的材料模型。分析模擬中的邊界條件主要包括熱邊界條件、摩擦條件和速度邊界條件，其設(shè)定值如下。

圖5 鉤舌兩次模鍛成形工藝流程

圖6 兩次模鍛成形過(guò)程模擬

2.2.1 熱邊界條件

坯料初始鍛造溫度：設(shè)定原始坯料的加熱溫度為1200℃～1250℃，考慮到坯料出爐后除磷以及運(yùn)輸過(guò)程中的溫度降，在第一工步成形模擬時(shí)設(shè)定坯料初始鍛造溫度為1150℃，其他各工步的溫度均繼承前一個(gè)工步的模擬計(jì)算結(jié)果。模具溫度：各工步模具初始溫度設(shè)定為200℃。環(huán)境溫度：設(shè)置模擬過(guò)程中的環(huán)境溫度為20℃。對(duì)流換熱系數(shù)取0.02N/s·mm·℃；熱傳導(dǎo)系數(shù) 11N/s·mm·℃。

2.2.2 摩擦條件

模擬過(guò)程選用剪切摩擦條件，摩擦系數(shù)設(shè)定0.3。

2.2.3 速度邊界條件

模具的速度邊界條件按照?qǐng)D7（6300t熱模鍛壓機(jī)滑塊行程-速度曲線）設(shè)定。

圖7 6300t熱模鍛壓機(jī)滑塊行程-速度曲線

2.3 預(yù)鍛（第一火）成形模擬結(jié)果分析

2.3.1 成形過(guò)程的溫度場(chǎng)分析

預(yù)鍛成形各工步溫度場(chǎng)分布如圖8所示。從模擬結(jié)果可以看出，各工步成形結(jié)束后坯料表面溫度低，心部溫度高。由于成形過(guò)程中坯料與模具的模腔壁接觸，再加之坯料與外界環(huán)境的對(duì)流換熱，坯料的自身的熱量將出現(xiàn)損失，表現(xiàn)為坯料在成形過(guò)程中表面溫度的降低。成形速度越慢、各工步之間轉(zhuǎn)移時(shí)間越長(zhǎng)，坯料表面溫度越低且低溫層厚度越深。坯料心部溫度較表面高，有局部區(qū)域溫度高于初始鍛造溫度，整個(gè)鍛造過(guò)程中最高溫度為1190℃，但不足以使坯料產(chǎn)生過(guò)燒。這是由于在鍛造成形過(guò)程中，一部分變形能轉(zhuǎn)化為熱能，而轉(zhuǎn)化的熱能不能及時(shí)通過(guò)坯料釋放出去，最終積聚在坯料內(nèi)部以熱量的形式表現(xiàn)出來(lái)，使得坯料心部溫度升高。成形速度越快，變性能越大，轉(zhuǎn)化的熱能越多，坯料與外界熱交換的時(shí)間越短，熱量損失就越少，坯料溫度升高越多，因此，在成形過(guò)程中要嚴(yán)格控制成形速度[11-12]。

圖8 第一次模鍛成形各工步溫度場(chǎng)分布圖

2.3.2 等效應(yīng)變分析

從制坯工步到預(yù)鍛成形結(jié)束，各成形工步的等效應(yīng)變?nèi)鐖D9所示。從圖中可以看出，各工步成形結(jié)束后的等效應(yīng)變均在0.5～1之間，在預(yù)鍛成形結(jié)束后累積等效應(yīng)變?cè)?.1以上，根據(jù)對(duì)數(shù)應(yīng)變與鍛比之間的關(guān)系可以看出，預(yù)鍛成形中，工件的鍛比達(dá)到3以上，滿足成形要求[13]。

圖9 第一次模鍛成形各工步成形等效應(yīng)變場(chǎng)分布圖

2.3.3 各工步成形載荷分析

通過(guò)模擬計(jì)算，第一火成形過(guò)程中各工步的成形力載荷與滑塊行程之間的曲線關(guān)系如圖10所示。6300t熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)鍛造鉤舌，其鐓粗工步最大載荷為8600kN；第一次壓扁工步最大載荷為2580kN；第二次壓扁工步最大載荷為4400kN；整形工步最大載荷為14500kN；預(yù)鍛工步最大載荷為46000kN。從成形載荷曲線可以看出，從制坯工步開(kāi)始到預(yù)鍛成形結(jié)束，各工步成形載荷均沒(méi)有超出設(shè)備載荷范圍（該設(shè)備公稱(chēng)載荷為63000kN）。

2.4 終鍛成形（第二火）模擬結(jié)果分析

2.4.1 終鍛過(guò)程中的金屬流動(dòng)分析

鉤舌在終鍛成形過(guò)程中坯料的速度場(chǎng)分布如圖11所示。從模擬結(jié)果可以看出，變形開(kāi)始階段，金屬以鐓粗的方式充滿型腔。但當(dāng)飛邊形成后，一直到終鍛成形結(jié)束，金屬在很大的壓力作用下以擠入的方式充滿終鍛模具型腔，多余金屬通過(guò)飛邊橋部流入倉(cāng)部。在整個(gè)成形過(guò)程中，金屬流動(dòng)穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)折疊等鍛造缺陷。

圖10 第一次模鍛成形各工步成形力-位移曲線圖

圖11 終鍛成形過(guò)程速度場(chǎng)分布圖

2.4.2 終鍛過(guò)程的溫度場(chǎng)分析

終鍛成形是第二火成形，將預(yù)鍛件切邊修磨后重新放入到加熱爐中加熱到鍛造溫度，終鍛過(guò)程坯料的初始鍛造溫度為1150℃，成形結(jié)束后工件的溫度場(chǎng)分布如圖12所示。從模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，終鍛成形后工件的溫度場(chǎng)分布規(guī)律與第一火各成形工步溫度場(chǎng)分布規(guī)律相同，工件表面溫度降低，心部溫度升高，終鍛最高溫度為1190℃，但不足以使坯料產(chǎn)生過(guò)燒。終鍛成形過(guò)程中工件的變形時(shí)間短，熱量散失較少，溫度場(chǎng)分布于預(yù)鍛成形相比，從表面到心部溫度差別較小。

圖12 終鍛成形后溫度場(chǎng)分布圖

2.4.3 等效應(yīng)變分析

圖13 終鍛成形后等效應(yīng)變場(chǎng)分布圖

終鍛成形后工件的等效應(yīng)變場(chǎng)分布如圖13所示。從數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可以看到，成形結(jié)束后，鉤舌零件大部分的等效應(yīng)變?cè)?左右，特別是上、下?tīng)恳_(tái)等效應(yīng)變?cè)?～1.2左右，滿足成形所需鍛造比。

2.4.4 終鍛成形載荷分析

終鍛成形過(guò)程中的成形載荷-位移曲線如圖14所示，終鍛成形最大載荷 為43000kN。最大成形力沒(méi)有超出設(shè)備載荷范圍（該設(shè)備公稱(chēng)載荷為63000kN）。

圖14 終鍛成形力-位移曲線圖

3 工藝試驗(yàn)

通過(guò)工藝模擬及優(yōu)化，完成了鉤舌在6300t熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)線上的工藝方案，并在實(shí)際生產(chǎn)中完成了鉤舌的生產(chǎn)制造，如圖15所示，鉤舌充型完整、生產(chǎn)穩(wěn)定。采用改進(jìn)的工藝方案有效的提升了鍛造效率，降低了加熱火次，提高了材料利用率，節(jié)省了工藝制造成本。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)鍛造鉤舌的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合6300t熱模鍛壓力機(jī)設(shè)備特點(diǎn)，制定了鉤舌6300t熱模鍛壓力機(jī)上兩火鍛造成形工藝。

（2）對(duì)兩火模鍛成形工藝方案進(jìn)行模擬研究，結(jié)果顯示，鉤舌兩火鍛造成形，預(yù)鍛、終鍛溫度都在材料允許溫度范圍內(nèi)，鍛比滿足鉤舌成形要求，且各工步模擬載荷都在設(shè)備額定范圍之內(nèi)。

圖15 工藝優(yōu)化后生產(chǎn)的鉤舌鍛件圖

（3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)，充型飽滿，最終產(chǎn)品尺寸合格且質(zhì)量穩(wěn)定，采用改進(jìn)的工藝方案有效提升鍛造效率，降低成本。