铁路货车牵引杆的锻造工艺研究

铁路货车牵引杆的锻造工艺研究

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中车齐齐哈尔交通装备有限公司黑龙江齐齐哈尔161002

摘要：为了适应我国铁路货物运输提速重载的进一步发展需要，提高铁路货车运用的安全稳定性，满足澳大利亚等发达国家出口市场的需要，我公司在铸造牵引杆的基础上结合锻造工艺的实际特点设计开发了锻造牵引杆产品，结合我公司新上的500KJ对击锤生产线，我们对锻造牵引杆产品在该生产线上的成形工艺进行了研究，通过大量的实验确定了25MnCrNiMoA钢的材料性能数据，进行了以刚塑性有限元法为基础，在DEFORM数值模拟软件中导入测定的25MnCrNiMoA钢材料数据对锻造成形过程进行了模拟，否定了预制圆形截面辊锻件的方案，确定了预制方形截面辊锻件满足在500KJ对击锤上的锻造成形，并通过工艺模拟揭示了锻件的变形规律和工艺成形过程，确定了预制方形截面辊锻件后在500KJ对击锤上模锻的工艺方案。

关键词：锻造牵引杆；数值模拟；500KJ对击锤

引言：为了适应我国铁路货物运输提速重载的进一步发展需要，提高铁路货车运用的安全稳定性，满足澳大利亚等发达国家出口市场的需要，我公司在铸造牵引杆的基础上结合锻造工艺的实际特点设计开发了锻造牵引杆产品（图1），结合我公司新上的500KJ对击锤生产线，我们对锻造牵引杆产品在该生产线上的成形工艺进行了研究，通过模拟研究否定了预制圆形截面辊锻件进行终锻的方案，最终采用预制方形截面辊锻件满足模锻成形的工艺方案，并通过工艺模拟揭示了锻件的变形规律和工艺成形过程。

图1锻造牵引杆三维产品图图2锻造牵引杆锻件三维毛坯

1工艺方案的初步制定

1.1工艺分析

锻造牵引杆为长杆类锻件，头部和杆部截面积相差较大，杆部有较深的减重槽。该产品横向投影面积大需要的锻造打击力大，由于头部和杆部截面积相差大需要在终锻之前进行制坯。我们按对该产品进行批量生产准备进行工艺研究，拟采用在1250mm辊锻机进行辊锻制坯后在500KJ对击锤上模锻成形的工艺方案。

1.2500KJ对击锤设备特点

对击锤为锻锤类设备，上下锤头反向运动，可以通过多次打击来完成锻件的成形；其相对模锻锤模锻具有：

1）变形速度小，变形均匀性较好；能有效提高材料塑性，对避免裂纹和避免金属流动缺陷较为有利。

2）有顶出装置扩大了锻件的成形范围。

3）其缺点主要是操作不方便，不能进行多模膛锻造。

基于以上特点在对击锤上无法进行预锻制坯，因此需要在辊锻机上进行辊锻制坯。

1.3通过以上工艺分析我们制定了在1250mm辊锻机上进行坯料制坯后在500KJ对击锤（图3）上进行一次终锻成形的锻造工艺。结合对击锤上生产的工艺特点设计了锻件图如图2。

图3500KJ对击锤图4室温拉伸实验设备及试件

2工艺模拟确定锻造工艺

2.125MnCrNiMoA钢材料性能研究

该产品材料为25MnCrNiMoA钢，我们对该材料进行了工艺试验，测试出材料在常温和热态下变形抗力，作为模拟用材料参数输入DEFORM数值模拟软件材料库进行工艺模拟。

2.1.1室温下的拉伸实验

室温下拉伸实验的实验设备及试件如图4所示，根据实验测得25MnCrNiMoA钢σs=745MPa，σb=921MPa，弹性模量E=195×103MPa，断后延伸率15.5%。

2.1.2高温下的压缩实验

采用Gleeble-3500热模拟试验机进行高温压缩实验（图5为Gleeble-3500高温压缩实验操作室），通过进行25MnCrNiMoA钢高温下压缩试验，测得25MnCrNiMoA钢不同温度、不同应变速率下压缩流变应力曲线（如图6）。

图6高温下25MnCrNiMoA钢压缩流变应力曲线

2.1.3高温下的拉伸实验

高温的下拉伸实验的实验设备如图7所示（InspektTable100高温拉伸实验），根据实验测得25MnCrNiMoA钢不同温度、不同应变速率下拉伸流变应力曲线如图8所示。

图7InspektTable100高温拉伸实验

图11圆形截面1/4模型模拟坯料三维图和模拟初始位置图

2）模拟参数设置

采用相对网格划分为136993个；上、下模温度均设定为250℃，移动速度设定为2700mm/s，定义上模为主模具，与工件摩擦系数设定为0.3；下模温度设定为250℃，移动速度设定为2700mm/s，与工件摩擦系数设定为0.3。上下模接触容差设定为0.103。

3）模拟结果

采用圆形截面辊锻件最终成形后结果如图12，可以看出头部已经完全成形，而杆部采用圆截面坯料无法充型完全。因此采用圆形截面截面辊锻件的方案不予采用。

图14方形截面1/4模型模拟坯料三维图和模拟初始位置图

2）模拟参数设置

采用相对网格划分为170192个；上、下模温度均设定为250℃，移动速度设定为2700mm/s，定义上模为主模具，与工件摩擦系数设定为0.3；下模温度设定为250℃，移动速度设定为2700mm/s，与工件摩擦系数设定为0.3。上下模接触容差设定为0.0883。

3）模拟结果

采用方形截面辊锻件最终成形后结果如图15，通过模拟结果可以看出模锻后各部位完全成形，成形力为9100吨。

图15终成形时成形结果

对模拟结果分析可以看出锻造终锻成形后在头部和杆部过渡处飞边较多，可以判定坯料分配不尽合理，同时通过模拟分析发现头部成形较为容易，成形状态良好，头部的坯料可以适当减少。

2.3方形截面辊锻件在500KJ对击锤上模拟

基于以上模拟分析，可以对方形截面辊锻件进行局部调整，将辊锻件总尺寸减少20mm，将头部和杆部过渡处向头部一侧移动10mm。

1）模拟模型设计

由于是对500KJ对击锤工况进行模拟，需设定整体的能量参数，因此对整体模型进行模拟，模拟的初始状态如图16。

2）模拟参数设置

采用相对网格划分为243245个；上、下模温度均设定为250℃，按对击锤模式设置，能量设置为500KJ，打击效率为0.9，上锤头重量为61800kg，下锤头重量为65500kg。与工件摩擦系数设定为0.3。上下模接触容差设定为0.439。

3）模拟结果

采用调整后方形截面辊锻件进行模拟，在对击锤打击效率为0.9的条件下共需进行三次锻击（如图17），第一次锻击最大成形力1130吨，第二次锻击最大成形力为2300吨，第三次锻击成形时打击力为6860吨。

第三次锻击产品成形

图17三次锻击成形过程

通过模拟分析可以看出经过三次锻击后锻件完全成形，成形后的飞边均匀连贯，通过优化模型有效的降低了下料重量、减少了锻造变形抗力。

3结论：

通过数值模拟确定了在500KJ对击锤上锻造成形牵引杆需采用方形截面辊锻件，同时通过模拟优化了辊锻件尺寸，成功的制定了锻造成形方案。

参考文献：

[1]李尚健.锻造工艺及模具设计资料[M].北京：机械工业出版社，1991.

[2]彭颖红.金属塑性成型仿真技术[M].上海：上海交通大学，1999.

[3]吕丽萍.有限元方法及其在锻压工程中的应用[M].西北工业大学出版社，1989.

[4]田柱平，郝南海，卢志勇.塑性成型过程三维刚塑性有限元模拟软件开发[J].太原重型机械学院学报，1998，19（12）：281-289