張 振,王大勇,陶劍鋒,韓坤男
(1.中車大連機(jī)車車輛有限公司 鑄鍛分公司,遼寧 大連 116022;2.大連交通大學(xué) 軌道交通關(guān)鍵材料省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116028;3.中車大連機(jī)車研究所有限公司,遼寧 大連 116022)
牽引支座是HXD2型電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架裝配的重要零件,如圖1所示,每臺機(jī)車4件,其質(zhì)量為54.3 kg。支座有非加工黑皮面,結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,在1個較大、較薄的不規(guī)則斜板上有1個不對稱且?guī)в薪嵌鹊膱A錐臺,其成型工藝相對復(fù)雜?,F(xiàn)階段牽引支座是外購鍛件,但是其圓錐和斜板過渡位置有夾紋,導(dǎo)致鍛件質(zhì)量無法保證,其生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)能力和供貨周期影響了電力機(jī)車整車的生產(chǎn)進(jìn)度。
圖1 牽引支座
由圖1可知,牽引支座的方形法蘭尺寸為450 mm×300 mm×30 mm,法蘭面積大、厚度較薄,企業(yè)現(xiàn)有大規(guī)格型材為圓型棒料,給方形薄板鍛造帶來困難。薄板上的圓錐臺較細(xì),最大直徑處只有φ163 mm,圓錐臺與水平面成11°夾角,上下不對稱,上端會產(chǎn)生3°的負(fù)角,制造坯料及鍛件拔模有一定難度。法蘭與圓錐臺的銜接R40 mm處為非加工平面,鍛造時要保證表面質(zhì)量滿足設(shè)計要求,同時避免夾紋的產(chǎn)生。
考慮企業(yè)實(shí)際情況,采用30 kN蒸汽-空氣自由鍛錘生產(chǎn),其工藝流程初步設(shè)定為自由鍛制坯→預(yù)鍛→終鍛。牽引支座質(zhì)量較大,為使坯料能充滿型腔,采用增大下料量的方式,其材料利用率較低[1]。
鍛件圖是根據(jù)牽引支座的零件圖進(jìn)行設(shè)計,其法蘭和一般鍛件不同,為一個斜面且厚度不同,上部圓柱與法蘭不垂直,這2種結(jié)構(gòu)使其在鍛造成型過程中容易出現(xiàn)圓柱處填充不滿和局部金屬折疊;除此之外,在牽引支座柱體與底部法蘭連接處的不加工表面,其質(zhì)量也難以保證,影響鍛件的成品率和生產(chǎn)效率,冷鍛件結(jié)構(gòu)如圖2所示[2]。
圖2 牽引支座冷鍛件結(jié)構(gòu)
熱鍛件尺寸按收縮率1.3%確定,其熱鍛件結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。
圖3 牽引支座熱鍛件結(jié)構(gòu)
由于牽引支座質(zhì)量較重,為115 kg,下料質(zhì)量為122 kg,通過計算并考慮車間實(shí)際情況,坯料選用直徑φ220 mm的圓棒料,長度410 mm,坯料制造在30 kN自由鍛錘上對棒料進(jìn)行單側(cè)拔斜度,坯料如圖4所示[3]。
圖4 牽引支座坯料
牽引支座尺寸較大,現(xiàn)場設(shè)備壓力小,采用三次成型,為保證鍛件成型質(zhì)量,設(shè)計預(yù)鍛模對制坯后的坯料進(jìn)行預(yù)鍛,然后終鍛成型,預(yù)鍛模如圖5所示。
圖5 牽引支座預(yù)鍛模
模膛根據(jù)熱鍛件進(jìn)行設(shè)計,熱鍛件的尺寸即為終鍛模膛的尺寸,鍛模結(jié)構(gòu)如圖6所示[2,4]。
圖6 牽引支座終鍛模
觀察發(fā)現(xiàn),外購的牽引支座鍛件在圓錐和法蘭過渡位置有折疊夾紋,鍛件質(zhì)量無法保證。通過牽引支座鍛造過程成型規(guī)律分析發(fā)現(xiàn),由于制造坯料工藝在粗端與細(xì)端之間的過渡區(qū)有一個過渡斜面,該斜面是為了使過渡更加順暢,但容易引起折疊缺陷,需要對制造坯料工藝進(jìn)行數(shù)值模擬檢驗(yàn)是否有夾紋產(chǎn)生,并對成型工藝進(jìn)行優(yōu)化以避免夾紋的產(chǎn)生。在研究原工藝產(chǎn)生缺陷的過程中,考慮能否減少材料浪費(fèi),提高材料利用率,且在一定程度上減輕模具本身的負(fù)荷,以減少模具零件的磨損和損耗。
為了解決金屬堆積問題,設(shè)計了圖7所示的制造坯料方案,采用自由鍛制造坯料,粗端和細(xì)端直接由斜面連接,去除之前的過渡區(qū)域,并在此基礎(chǔ)上對預(yù)鍛模圓角和下料量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,具體方案如表1所示[5]。
圖7 優(yōu)化制坯料
表1 方案設(shè)計
3.2.1 充填分析
先分析預(yù)鍛結(jié)束時坯料的充填情況,如圖8所示。從圖8可以發(fā)現(xiàn),預(yù)鍛結(jié)束時坯料與模具零件之間接觸良好,在牽引支座柱體與法蘭的連接處未出現(xiàn)不接觸的情況,表明3種制造坯料方案的坯料形狀均有利于充填預(yù)鍛模膛。充型質(zhì)量的好壞最終以終鍛結(jié)束時坯料的充型情況為準(zhǔn),截取3種方案終鍛結(jié)束時坯料的充型情況,如圖9所示。從圖9可以發(fā)現(xiàn),3種方案在終鍛成型的效果幾乎相同,牽引支座柱體與法蘭連接處充型飽滿,凸臺四周拐角處充型也飽滿,隨著下料量的逐漸減少,鍛件飛邊也逐漸減小,方案三的飛邊分布均勻,大小合適。
圖8 預(yù)鍛金屬充填效果
圖9 終鍛金屬充填效果
3.2.2 折疊夾紋缺陷分析
設(shè)計3種制造坯料方案的主要目的是為了檢驗(yàn)是否有折疊夾紋缺陷,以下對折疊夾紋缺陷進(jìn)行分析,篩選DeForm-3D軟件的運(yùn)行步,發(fā)現(xiàn)頸部變形時未出現(xiàn)折疊,選取成型狀態(tài)進(jìn)行折疊缺陷分析,其狀態(tài)如圖10所示。
圖10 折疊角狀態(tài)
由圖10可知,3種方案最大折疊角分別為219°、223°、229°,折疊角較小,且出現(xiàn)在底部,沒有折疊傾向,由于3種方案制造坯料方式相同,區(qū)別在于下料的質(zhì)量,采用頂部細(xì)端不變、減少底部粗端坯料的方式,3種方案在同一階段頸部的成型狀態(tài)幾乎相同,起到了優(yōu)化坯料流動的作用,避免了鍛件缺陷的產(chǎn)生。
3.2.3 流動情況分析
通過以上分析,排除了充填不滿和折疊缺陷,通過對3種方案的金屬流動情況進(jìn)行分析,可以清晰地看出金屬流動的情況,并驗(yàn)證坯料是否按需進(jìn)行流動。
由于3種方案的金屬流動基本相似,以方案一為例,選取坯料頸部成型的主要階段,其流速矢量如圖11所示,頸部坯料變形主要分為4個階段,第1階段坯料放入模膛,在模具零件的作用下調(diào)整位置;第2階段頸部坯料受到模具零件擠壓充填上??孜?;第3階段,隨著模具零件的繼續(xù)下壓,除了頸部變形外,底部變形更嚴(yán)重;第4階段頸部變形結(jié)束,開始隨模具零件下移,頸部坯料逐漸充滿模具型腔。從圖11可以看出,整個頸部成型過程金屬流動順暢,第1、2階段除與模具零件接觸部分金屬外,其余金屬均保持向下流動且從上到下,金屬流速逐漸變慢,未出現(xiàn)之前金屬流動斷層及在頸部出現(xiàn)金屬堆積的情況;第3、4階段,頸部金屬逐漸與模具零件貼合,金屬流速變慢,頸部與柱體連接處金屬流動順暢,未出現(xiàn)流動紊亂及金屬堆疊的現(xiàn)象,總體上金屬流動情況較理想,符合設(shè)計預(yù)期[6,7]。
圖11 金屬流速矢量
模具使用壽命和鍛件質(zhì)量性能以及材料利用率也是在優(yōu)化過程中需要考慮的問題,在優(yōu)化方案一的基礎(chǔ)上,分別加大了預(yù)鍛圓角及減少了下料量。
3.3.1 鍛件等效應(yīng)力分析
等效應(yīng)力對鍛件的質(zhì)量性能具有較大的影響,3種方案預(yù)鍛和終鍛結(jié)束后的等效應(yīng)力如圖12所示。對比發(fā)現(xiàn)預(yù)鍛結(jié)束后,鍛件應(yīng)力集中的情況明顯高于終鍛,且隨著預(yù)鍛模頸部圓角增大以及下料質(zhì)量的減小,應(yīng)力集中呈現(xiàn)下降趨勢,預(yù)鍛結(jié)束后,3種方案最大等效應(yīng)力分別為293、285、282 MPa,分布位置集中在柱體與法蘭的連接部位。終鍛結(jié)束后,鍛件應(yīng)力分布較為均勻,3種方案最大等效應(yīng)力分別為421、289、259 MPa,等效應(yīng)力整體呈現(xiàn)下降的趨勢,方案二和方案三表現(xiàn)較好且接近,對比方案二和方案三可以發(fā)現(xiàn),方案二整體等效應(yīng)力高于方案三,且方案二應(yīng)力分布優(yōu)于方案三,方案三雖分布不均勻,但在柱體與底臺的接觸位置,等效應(yīng)力表現(xiàn)較好,下降到100 MPa左右。
圖12 等效應(yīng)力
3.3.2 模具零件磨損分析
熱模鍛過程中由于模具預(yù)熱和受到坯料的加熱,模具零件磨損比較嚴(yán)重,會造成模具失效,對終鍛模進(jìn)行模具零件磨損分析,如圖13所示。從圖13可以看出,3種方案模具零件磨損情況相似,最大磨損量分別為 7.6×10-5、4.12×10-5、3.68×10-5mm,分布位置都在模具側(cè)面分型面位置,呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,分析增大圓角處的模具零件磨損情況發(fā)現(xiàn),此處模具零件磨損較小,對改善模具零件磨損情況可以忽略,模具零件磨損的減少,主要是由于下料質(zhì)量的減小。
圖13 模具零件磨損
3.3.3 行程載荷曲線分析
行程載荷曲線是整個鍛造過程中模具零件及坯料受力最直觀的表達(dá)方式,可以據(jù)此選擇設(shè)備,本次模擬采用整體施加載荷,分析所需載荷,3種方案行程載荷曲線如圖14所示。3種方案成型過程中行程載荷曲線基本相同,最大成型載荷分別為2.73×108、2.41×108、2.6×108N,3種方案最大成形載荷相差不大,方案二所需最大成形載荷最小。實(shí)際生產(chǎn)時,采用加壓板方式,逐次分區(qū)域打擊,30 kN自由鍛錘能滿足需要。
圖14 行程載荷曲線
通過上述分析,根據(jù)成型規(guī)律設(shè)計的3種鍛造方案,都避免了鍛造過程中產(chǎn)生成型缺陷,并對3種方案進(jìn)行了充填效果、流動速度、應(yīng)力、模具零件磨損等分析,根據(jù)分析結(jié)果對3種方案進(jìn)行評價及優(yōu)選。采取評分的形式,滿分10分,方案對比如表2所示,通過對每項(xiàng)進(jìn)行評分,方案三綜合得分最高,所以采用方案三進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)。
表2 方案對比
根據(jù)設(shè)計的工藝選取下料質(zhì)量122 kg、直徑φ220 mm的坯料,生產(chǎn)過程要求操作者嚴(yán)格按照工藝規(guī)程操作。模鍛之前,先將坯料在自由鍛錘砧座上輕打壓扁去除氧化皮,再用風(fēng)槍將氧化皮處理,防止模鍛過程中對非加工面造成墊傷。制坯拔斜度輾尖,預(yù)鍛→終鍛,模鍛過程中坯料不能充滿模膛,需用壓板對坯料進(jìn)行緊壓,使之充滿不對稱的模膛。預(yù)鍛模如圖15所示,終鍛模如圖16所示[8]。
圖15 牽引支座預(yù)鍛模實(shí)物
圖16 牽引支座終鍛模實(shí)物
完成了鍛造工藝編制,預(yù)鍛模、終鍛模及相關(guān)輔助工裝設(shè)計,利用DeForm對牽引支座鍛件進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,驗(yàn)證了是否存在鍛造缺陷,并在研究工藝時產(chǎn)生缺陷的過程中,減少材料浪費(fèi),提高材料利用率,在一定程度上減輕模具的負(fù)荷情況,減少了模具零件的磨損。通過3種方案的比較,確定了最優(yōu)的坯料質(zhì)量、尺寸及工藝;探索利用30 kN蒸汽-空氣錘,通過生產(chǎn)試制,采用胎模鍛的工藝方法,對坯料進(jìn)行拔長輾尖、預(yù)鍛、終鍛等,獲得尺寸符合圖紙技術(shù)要求的鍛件,實(shí)現(xiàn)了利用公司現(xiàn)有的小設(shè)備自主生產(chǎn)大型支座類鍛件的目的。