内燃机车牵引杆叉头锻造工艺研究

2022-08-24于学海王大勇全景厚韩坤男周蓬磊

模具工业 2022年8期

0 引言

牵引杆叉头是轨道交通内燃机车转向架上的关键受力零件，有较高的力学性能要求，工艺为模锻成型。每台机车需要装配4 个该零件，生产规模属中小批量生产。原工艺采用20 kN 自由锻锤拔长制坯，再将制坯体放置在螺旋压力机上模锻成型。自由锻过程中可控性不佳，制坯精度差，生产效率低，资源消耗高。终锻后，锻件表面质量不佳，后期需要进行大面积的打磨处理。以现有设备对原工艺进行改进，解决上述问题，设计预变形工装，采用25 000 kN 高能螺旋压力机对钢坯预变形，缩减变形时间，提高变形精度。钢坯预成型后放入终锻工装成型，使预成型与终锻之间无缝衔接，精简锻造工序，并对预成型及终锻进行有限元模拟，分析成型过程中金属流动规律和填充程度

。确保金属充满终锻模膛，验证预变工装设计的合理性，并通过试制生产验证改进后的工艺方案可行性。

1 原锻造工艺及存在的问题

1.1 原锻造工艺

牵引杆叉头锻件结构如图1 所示，材质为35钢，锻件下料质量为49.5 kg。锻件外形属于长轴叉类，一端为叉口，另一端为圆锥台，总长为410 mm，最大宽度为155 mm，最小宽度为64 mm，最厚厚度为160 mm，最薄厚度为20 mm，叉口宽度为75 mm。锻件尺寸分布变化较大，原锻造工艺为：下料→加热→20 kN自由锻锤预制坯→加热→25 000 kN高能螺旋压力机终锻→切边→打磨→热处理。

8例患者治疗过程顺利，随访2 ～ 24个月，平均11个月；身高由术前（145.8±8.5）cm增加至术后（156.3±5.3）cm，差异有统计学意义（P ＜ 0.05）。7例特发性脊柱侧凸患者手术时间为241 ～ 332 min，平均286 min；出血量400 ～ 1 600 mL，平均850 mL。1例结核性脊柱后凸患者手术时间为330 min，出血量为3 000 mL。所有患者术后畸形明显改善，末次随访时无假关节形成、内固定失败等并发症，矫形未见明显丢失。

1.2 原工艺存在的问题

（1）成型零件质量不稳定。20 kN 自由锻预制坯是通过锤砧逐次锤击拔长方坯的过程。自由锻锤可控性不佳，作业时间长，钢坯温度无法长时间维持在锻造温度范围。制坯体变形质量无法保证，变形表面存在深浅不一的压痕，如图2 所示。钢坯的变形量较小，表面氧化皮不易脱落，二次加热后会形成更厚氧化皮，不易清除，因此终锻后锻件会出现锥面填充不满和氧化皮垫伤表面的缺陷，后期需要进行表面大面积打磨处理。

（2）锻件制造成本高、生产效率低。原工艺成型过程中需要两班组进行作业，工序繁琐，工时较长。坯料在两班组之间传递，造成时间和资源浪费，并需要两火次加热，燃油的消耗和坯料的烧损较大，后期表面打磨处理，也占用较长的工时。

（3）缩短模具使用寿命。终锻前，制坯体表面较硬的氧化皮不易清除，会加剧模膛的磨损。制坯体对应锻件圆锥尾部的位置金属分布过多，终锻时会有大量的金属从模膛相应位置流出，加速此处模膛的磨损。

2 工艺改进

2.1 工艺分析

牵引杆叉头为长轴类锻件，其毛坯尺寸计算如图3所示。由图3可知，锻件最大截面积为193 cm

，位于叉口部位，最小截面积为34 cm

，位于另一端头。锻件两端材料分布差距较大，从左到右呈递增趋势，需要对钢坯进行滚挤拔长变形，使材料在轴线上的分配更接近毛坯计算图

。

针对原工艺存在的问题进行改进，为提高生产效率，缩短成形工时，取消20 kN 自由锻锤制坯工序，设计预变形工装，在25 000 kN 高能螺旋压力机对钢坯进行预变形，之后将预变形体置于模膛内终锻。预变形的目的是改变原毛坯的形状，合理分配材料，以适应锻件横截面积要求，使金属更好地充满模膛

。预变形体的形状尺寸由预变形工装决定，因此预变形工装的设计是工艺改进的关键。

预变形工装结构如图4 所示，下工装有夹角为168°凹槽，钢坯放置在下工装上，在重力作用下，能自然地固定在凹槽最深处，不会随意滚动。上、下工装右侧型腔面平行，闭合后间距为120 mm，用于变形锻件叉口端形状，能保证其尺寸小于锻件最大宽度155 mm，大于叉口宽度75 mm，有利于变形体在终锻时摆放及充满模膛。上、下工装左侧型腔面夹角为25°，用于变形锻件圆锥一侧形状，尺寸略小于锻件锥面锥度，能使金属更容易向左侧流动，利于拔长。钢坯如图4 所示放置在下工装上，经2 次挤压变形，沿长度方向截面积为矩形，轮廓接近锻件轮廓

。

2.2 预变形工艺及工装设计

进行第二次预变形模拟，将第一次预变形的钢坯绕长度方向旋转90°放置。上工装下压100 mm，钢坯压至380 mm，最大宽度为145 mm，变形体可完全放置在模膛内。第二次变形金属仍主要沿长度方向流动，长度方向两侧保持圆弧形状，宽度仅发生微量变形，如图6所示。

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对预变形和终锻成型过程进行分析，检验预变形工装、工艺设计及钢坯规格选取的合理性，对具体变形参数进行拟定，使用CREO 绘制预变形工装、终锻工装及φ230 mm×145 mm 圆柱钢三维实体，保存为stl格式，导入有限元分析软件。定义工装为刚性体，圆柱钢毛坯为塑性体，忽略毛坯和工装之间的热交换，减少计算时间。定义设备为25 000 kN压力机，定义摩擦系数为0.4，预变形体温度为1 200 ℃，工装预热温度为250 ℃，设定网格边长为2 mm，计算步长为0.7 mm，建立预变形有限元模型及终锻成型有限元模型

。

3 有限元分析

3.1 有限元模型建立

附属绿地的建设新老城区差距较大。老城区空间小，绿地少；新城区附属绿地拥有量较高，但是内部使用为主，外部观赏效果较差，没有发挥附属绿地延续街景的作用。

3.2 有限元结果分析

进行终锻成型模拟，将变形体放置在终锻模膛内，变形体与模膛叉口处边缘对齐，确保预变形体能平稳放置在模膛内。终锻模拟效果如图7 所示，金属能完全充满模膛，飞边分布均匀

。

将下料钢坯由原规格150 mm×150 mm×270 mm方钢改为φ230 mm×145 mm 圆柱钢。预变形时，将圆柱钢坯底面与模座保持垂直，侧面与工装接触放置，此时仅有侧面较小一部分区域与工装接触。根据最小阻力定律，金属更容易沿圆柱径向流动，且两端呈自然圆弧状，一次打击变形后，将预变形体绕轴线方向翻转90°，进行二次打击变形，即可完成预变形过程。整个预变形过程可在15 s 内完成，比自由锻变形节约40 s，缩短钢坯的冷却时间，保证终锻前变形体温度在锻造温度范围内。钢坯无需经历二火次加热，减少了燃油及钢坯烧损消耗。预变形过程中，毛坯变形量较大，表面氧化皮能完全剥落，不会影响锻件表面质量。

进行第一次预变形成型模拟，上工装下压120 mm，钢坯拔长至315 mm，此时钢坯金属向四周流动，径向流动明显大于轴向流动，如图5所示。变形结束后，变形体两侧仍保持原有的圆弧形状，与锻件形状接近。

为研究PRB利用率等网络性能指标与用户感知指标的相关性,在项目实践过程中,采用三个网络性能指标作为样本属性(即自变量),由于丢包率对于用户感知影响最大,采用丢包率作为样本标签(即因变量),并采用多元线性回归算法研究相关性。AAC采集数据与训练出算法模型之后,采用模型估算出丢包率,在4G移动互联网的实时应用中,业务丢包率2%是门限值,大于等于2%被视为影响用户感知,将拒绝本次调用。多元线性回归的模型见公式(1)。

4 现场试制

按拟定预变形工艺进行试制生产，锻件和飞边总质量约47.5 kg。参照有限元分析过程，使用25 000 kN 高能螺旋压力机预变形工装进行预变形。预变形时圆柱钢坯能在预变形工装上完全定位，如图8所示，最后终锻成型、切边，经检查测量，尺寸满足工艺要求，金属能完全充满模膛，飞边均匀，无锻造折叠缺陷。实际试制结果与有限元分析结果基本相符，如图9所示。工艺改进后，锻件表面质量有较大改善，如图10所示。

5 原工艺与改进后工艺对比

原工艺与改进后工艺对比如表1 所示，改进后工艺采用25 000 kN高能螺旋压力机预变形工装，替代自由锻锤预制坯工序，节约50%人工成本，提升了生产效率；改进后工艺比原工艺减少一火次加热，节约50%燃油消耗，减少了3%毛坯烧损，可减轻氧化皮垫伤锻件、提高锻件表面质量，并且省去了打磨工序。

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6 结束语

结合有限元模拟分析，对牵引杆叉头锻造工艺进行改进，分析原工艺的不足，设计新的成型工艺，对新的成型工艺进行模拟分析和试制生产验证。通过对比发现，改进后工艺能精简锻造流程、提高生产效率、节省资源、降低锻造成本，同时改善零件锻后的表面质量，减小氧化皮垫伤而造成零件报废的风险，可为同类零件的工艺及工装设计提供参考。