电力机车加强角锻造工艺改进

文／张涛·中国中车股份有限公司

冯锐·中车大同电力机车有限公司

加强角为某和谐系列电力机车司机室配件，材质为45 钢，经锻造而成，其锻件外形尺寸如图1 所示。由图1 可以看出，该锻件呈直三棱柱形状，底面为直角边80mm 的直角三角形，高度为85mm。

考虑到该锻件是一个直三棱柱，单个锻件若采用自由锻进行锻造难以成形，且操作者需多次翻转坯料，工作强度大。因此设计了1t 自由锻+带锯床锯切的生产工艺，可同时生产多个加强角锻件。具体生产工序如图2 所示。

⑴将φ100mm 的圆棒料加热至规定温度，保温规定时间后，在1t 自由锻锤上进行拔长，锻制成截面为80mm×80mm 的长方坯；

⑵待其冷却后，将长方坯在带锯床锯切成高85mm 方坯；

⑶最后将该方坯的正方形面沿对角线锯切成两个加强角锻件。

生产部门按此工艺生产的加强角锻件在质量检查时发现废品率较高，不符合锻件图纸要求。其主要问题表现在：

⑴锻件直角三角形面的一个边长小于规定尺寸，无法进行下个工序的机械加工；

⑵部分废品无法保证为规则的直三棱柱，直面不直，无法进行下个工序的机械加工。

此外，在生产过程中发现，依照该工艺虽然一次可以锻造多件产品，但必须经过两次锯切才能最终得到成品。这种工艺生产周期长，工序多，能耗高，也使得成本增加不少。

问题分析与改进

尺寸不合格原因分析

对尺寸不合格锻件观察发现，其全部都是锻件直角三角形面且一边长一边短。很明显是在锯切方坯时，锯条没有对准对角线切割，在带锯床上试验两块方坯后发现两点原因。

⑴因为带锯锯条柔韧性强，很容易弯曲扭转，所以其在锯切加强角锻件时锯切方向很容易发生偏转，造成锻件尺寸不合格，如图3(b)所示；

⑵由于带锯床夹持工装为直板状，沿对角线夹持时不牢固。当锯床工作时，锻件受到很大的横向拉力，此时很容易造成锻件偏移，导致尺寸无法保证，如图3(c)所示。

锻件为非规则直三棱柱原因分析

这部分锻件废品，表现为直面不直，具有一定的弧度或斜度。根据锻件情况及观察自由锻锤工作后发现，锻件的直面全是在钢坯第一步拔长时靠自由锻锤的砧面锻平。因为钢坯较长，砧面锤面相对较小，且还存在人工操作及设备稳定性因素的影响，所以造成直面不直的现象。

生产效率低，生产周期长原因分析

通过图2 可以看出，在第一道自由锻拔长工序时，拔长一段钢坯所需时间并不多，然而后两道锯切工序却累计需要0.6 ～1 小时。可见生产工序多、工时长是导致生产效率低的原因。

改进方法

对该加强角锻造工艺改进主要从以下两方面进行，一是提高锻件质量，二是减少工序流程。因此，锻件最好能够一次成形，从而省去后面的锯切工序。要使锻件一次成形，且得到好的锻件质量，简单的自由锻显然不行，这要求钢坯在锻造变形时必须可以控制向理想方向变形。基于以上分析，且加强角锻件较小、形状简单，加工一副锻模成本相对较低，所以决定采用模锻使加强角锻件一次成形。

模锻工艺设计

绘制锻件图

⑴确定分模位置。

根据加强角形状确定三棱柱直角两面为固有的倾斜面，为自然的斜度，不用添加斜度即可自然出模，分模面设置如图4 所示。

⑵确定公差和加工余量。

锻件形状复杂系数较低，根据自身尺寸及有关手册确定其长度、宽度、高度公差为+2mm 和-1mm。

零件底面按等边直角三角形进行考虑，其边长实际为73.5mm。并且零件需铣削加工，加工工序较多，故单边余量设置为6.5 ～11mm。

⑶确定模锻斜度。

加强角锻件的两个直角面为自然斜度，其他两面斜度均设置为5°。

⑷确定圆角半径。

锻件较小，形状不复杂，故圆角半径设置为3mm。

⑸技术条件。

1)未注拔模斜度为5°；

2)未注圆角半径为3mm。

⑹绘制锻件图如图5 所示。

计算锻件主要参数

⑴锻件体积：V件=S底×H=288000mm3

⑵锻件质量：M件=V件×ρ=2.27kg

ρ—钢铁密度取7.85×10-6kg/mm3

⑶分模面周长：C=2×(A+B)=2×(95+113)= 416mm

A、B—锻件分模面边长

⑷分模面投影面积：F件=A×B=95×113=10735mm2

确定模锻锤吨位

按锻件在分模面上的投影面积、锻件复杂程度和变形抗力大小确定模锻锤吨位：

G=αβF件=1×0.09×10735=966.15kg

α—合金变形抗力系数，钢取1.0

β—锻件复杂程度系数，中等复杂取0.09

F件—不包括毛边的模锻件在分模面上的投影面积(mm2)

现有2t 和5t 两种模锻锤，经计算选择2t 模锻锤进行锻造，配合250t 切边压力机。

确定毛边槽尺寸形式

选定毛边槽尺寸为桥部高1.5mm、长10mm，仓部高4mm、长30mm，如图6 所示。

飞边槽横截面积：F飞=F桥+F仓=15+120=135mm2

F桥—飞边槽桥部横截面积

F仓—飞边槽仓部横截面积

确定终锻型槽

终锻模膛是按照热锻件图加工和检验的，热锻件图在锻件图的基础上考虑热收缩率后绘制。加强角材料为45 钢，查阅相关手册确定收缩率为1.2%。根据锻件图设计圆角R3mm，拔模斜度5°。

热锻件图尺寸计算公式：L=l(1+δ)

L—热锻件尺寸

l—锻件尺寸

δ—终锻温度下金属的收缩率

热锻件图如图7 所示。

绘制锻模图

加强角锻模分为上下两块锻模，下模设计终锻模膛，上模为没有模膛的平模。下模终锻模膛设计在锤击中心。锻模下模如图8 所示，加强角锻模加工完成后如图9 所示。

确定坯料尺寸

⑴飞边体积的计算。

模锻时，飞边并不完全充满飞边槽。据经验，按0.7 倍的飞边槽横截面积乘以分模面周长可以得到近似的飞边体积。

V飞=C×0.7F飞=416×0.7×135=39312mm3

⑵坯料体积计算。

V坯=(V飞+V件)×(1+μ)=(39312+288000)×(1+3%)=337131.36mm3

μ—烧损率取3%

⑶平均横截面积。

F均=V坯/L均=337131.36/[(85+95)/2]=3745.90mm2

L均—锻件平均长度

⑷坯料截面积计算。

F坯=kF均=1.2×3745.90=4495.08mm2

k—数值在1.02 ～1.3 之间，根据锻件复杂程度确定为1.2。

⑸坯料直径计算。

d坯=2×(F坯/π)1/2=75.65mm

根据原材料规格，决定生产坯料取直径80mm 的圆棒料。

⑹生产坯料长度计算。

L坯=V坯/S坯=337131.36/[π×(80/2)2]=67.10mm

S坯—生产坯料截面积

经试制调整确定坯料长度为70mm。

加强角锻件锻造

经带锯床锯切下料后，采用天然气炉进行加热，加热温度1170±50℃，始锻温度1150±50℃，终锻温度≥800℃。

结论

按上述工艺对加强角进行模锻生产，经检验，完全符合要求。

加强角锻件的模锻锻造，很好地解决了前期生产中的问题。不仅提高了锻件质量，还有效地提高了生产效率，缩短了生产周期，降低了能耗。对加强角锻造工艺的成功改进，在质量、效益、技术和节能减排方面都起到积极作用，并对以后同类产品的生产也起到借鉴作用。