16型钩尾框锻造工艺的研究

文/姚惠幸·齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司

16型钩尾框锻造工艺的研究

文/姚惠幸·齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司

姚惠幸，总经理办公室秘书，工程师，主要从事铁路货车模锻产品的锻造工艺研究，完成了以17型、16型锻造钩尾框为代表产品的工艺设计和产品试制工作。

随着国内铁路提速重载的不断推进，铁路通用货车随之进行了大规模的升级换代，同时对钩缓配件的承载能力及各方面性能都提出了更高的要求，铸造配件向锻造方向发展的趋势愈发明显。

目前，17型锻造钩尾框的锻造工艺普遍采用的是一种铁路货车钩尾框精密辊锻模锻复合成形技术，其生产工艺包括下料（φ160mm圆棒料）→中频感应加热→φ1000mm加强型辊锻机上4道次部分成形辊锻→3150t以上摩擦压力机或高能螺旋压力机上锻造→切边→在通用设备上用专用工装或用专用液压折弯机折弯→整形。整个锻造过程一火就可完成，使用该技术可以提高产品质量，降低原材料消耗，提高生产效率，改善工人劳动条件。

16型钩尾框是铁路货车钩缓装置的关键配件，应用于80C型敞车。80C型敞车是主要应用在大秦线上的运煤火车，此火车是翻斗车厢，因此要求车缓装置轴向可转动，这样对16型钩尾框的强度要求大幅提高，因此将铸造16型钩尾框改为锻造16型钩尾框迫在眉睫。

工艺方案的确定

16型锻造钩尾框具有异形、薄壁、内圆深腔、钩尾销孔形状复杂的特点，锻件图如图1所示。16型钩尾框的中段和两个平板与17型钩尾框几乎相同，但是16型钩尾框的两个头部与17型钩尾框的两个头部完全不同，这也是锻造16型钩尾框的难点。经过计算，16型钩尾框的大头需要料径为φ180mm的坯料，而小头需要料径为φ160mm的坯料，我厂现有辊锻机只能辊料径最大为φ160mm的坯料，所以确定坯料料径为φ160mm。而要满足大头需要的料径，必须应用某种工艺使坯料的一端从φ160mm变为φ180mm。根据17型钩尾框锻造工艺的经验来确定16型钩尾框锻造工艺，工艺路线为辊锻→镦头→整体模锻→切边→弯曲。综合考虑产品加工工艺，在锻造过程中应该重点解决以下难点：

图1 16型钩尾框锻件示意图

⑴头部内腔转动套内球面不进行机械加工，需要精锻成形。

⑵控制好头部框板的厚度，减少外侧和内圆腔的加工量。

⑶钩尾销孔复杂。锻造过程中在凸凹部相接处体积较小，容易产生折叠，并且依靠机械加工方法，效率十分低下。

⑷尾部承载面四角处的过渡球形，也需要控制锻造精度，不经过机械加工，就可达到产品图纸要求。

确定工艺方案后，采用辊锻→镦头→整体模锻，使各工步模具相互配合，提高材料利用率，控制成本，提高生产效率，生产出质量合格的产品。

图2 500/630t镦锻机

表1 500/630t镦锻机技术参数

工艺试制过程

试制条件

坯料材质为50钢，坯料规格为φ160mm× Lmm(L在调试过程中确定)，坯料加热温度为1250～1280℃；模具材料为5CrNiMo，辊锻模具为室温，模锻模具温度为250～300℃。

试验设备

试验采用的设备主要有中频感应加热炉、用于锻件二次加热的燃气炉、500/630t镦锻机、φ1000mm加强型辊锻机（带防弯曲脱料装置）、用于切边的2 000t液压机、用于锻件弯曲的专用液压折弯机、8000t双盘摩擦压力机。

8000t双盘摩擦压力机是青锻生产的型号为J53-8000，在此设备上完成模锻。四道次精密辊锻在加强型φ1000mm辊锻机（带机械手）上进行，该设备是北京机电研究所在引进德国EUMUCO公司技术的基础上设计完成的，该设备具有液压慢速启动、快速辊锻成形的特点，并采用偏心调整中心距和消除大齿轮齿侧间隙的机构，辊锻机的扭矩抗轴向力的能力较强。

为了满足工艺要求使用500/630t镦锻机如图2所示，主要技术参数见表1。

工艺试验过程

采用高速带锯床下料使坯料两个端面平整，保证长度尺寸的精确。送料机构自动将坯料连续送入加热炉，中频感应加热炉将坯料加热到1150～1200℃后将坯料从炉口推出，快速提料装置将坯料快速拉出炉膛，经红外测温仪检测后，温度达到始锻温度的坯料由翻转装置将坯料送入辊道，推料气缸将坯料送入辊锻机一工位机械手的钳口中。

16型钩尾框辊锻过程与17型钩尾框辊锻过程完全相同。当第四道辊锻结束后直接将辊锻件送到镦锻机进行镦头，镦头过程为将第四道次辊锻件需要镦头的一端送进镦锻机，并且水平放置，压紧油缸向下滑动把锻件压紧，之后镦压油缸水平伸出进行镦头，达到要求后镦压油缸和压紧油缸同时缩回，完成镦头。镦锻后锻件头部如图3所示。

图3 镦锻后锻件头部

由于镦头后锻件的温度低于始锻温度，大约850℃左右（由操作过程决定），不能直接进行模锻，需要二次加热，燃气炉就是二次加热的设备。将镦头后的锻件直接放进燃气炉里进行二次加热，由于镦头后的锻件本身有850℃左右，加热到1100℃大概需要40min，加热时间比较短，对锻件表面质量影响很小。

装出料机将二次加热后的锻件运到预锻模膛中，用夹钳将锻件摆正，打击1次，完成预锻后迅速移至终锻模膛，连续打击3～4次，完成模锻过程。模锻完成后，装出料机将终锻件运到2000t液压机上进行切边。由于切边后锻件的温度还有800℃左右，可以满足锻件的弯曲，所以装出料机直接将切边后的锻件运到专用液压折弯机上进行弯曲，弯曲后的锻件如图4所示。

试验结果与分析

经计算和试验后选用φ160mm×980mm规格坯料可以完成锻造，辊锻件可以直接进行镦锻，再二次加热后进行整体锻造。试验过程见表2。

试验过程中产生的问题及解决方法

⑴镶块不脱模。产生原因是拔模斜度小，解决办法为将拔模斜度5°改为7°、R5mm改为R10mm，如图5、6所示。

⑵S面与内腔球面处未充满，钩尾销孔缺肉，凹凸过渡处产生折叠，如图7所示。产生原因为一侧的圆料端头横截面积小，金属流动性差，解决办法为增大截面面积。

图4 16型钩尾框弯曲后锻件

图5 修改前镶块模

图6 修改后镶块模

图7 钩销孔处缺陷

图8 框板过渡处缺陷

表2 试验过程

⑶承载尾部与框板过渡处存在缺肉（图8）。产生原因是锻造尾部的成形未能按理论走料，未将框板整体进行拉伸，拉伸处正处于承载面与框板过渡处，所以造成缺肉。解决方法为修改R300mm和R500mm。经现场优化模具消除了以上锻件缺陷，优化模具后钩销孔如图9所示，框板过渡处如图10所示，模具优化后生产的合格零件如图11所示。

图9 优化模具后钩销孔

图10 优化模具后框板过渡处

图11 16型钩尾框成品图

结束语

本文介绍了16型钩尾框锻造试制的全过程，验证了16型钩尾框锻造工艺的合理性，用该工艺生产出了合格产品，锻件成形良好，能满足后序加工的要求。在试制过程中将镶块模的拔模斜度由5°改为7°和R5mm改为R10mm后解决了锻件脱模问题，并能提高镶块模的使用寿命。锻件镦头后直接进行二次加热，产生的氧化皮很薄，并不影响锻件的表面质量。