文/ 楊光，蔣鵬，楊勇·北京機(jī)電研究所

陳明達(dá)·中國(guó)北車齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司

16型鉤尾框輥鍛制坯工藝

文/ 楊光，蔣鵬，楊勇·北京機(jī)電研究所

陳明達(dá)·中國(guó)北車齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司

輥鍛工藝可以使坯料延伸變形，坯料經(jīng)輥鍛模壓縮后，除一小部分金屬沿橫向流動(dòng)而使坯料寬度有所增加外，大部分被壓縮的金屬沿著坯料的長(zhǎng)度方向流動(dòng)。輥鍛還可以進(jìn)行多道次成形，主要考慮各個(gè)道次的匹配關(guān)系，最終將原始坯料進(jìn)行合理的體積分配，得到各截面積符合要求的輥鍛件。輥鍛變形過(guò)程中輥鍛模只與毛坯一部分接觸，所以變形力較小。

輥鍛工藝的特點(diǎn)是：①生產(chǎn)效率高；②節(jié)約金屬材料；③提高鍛件的內(nèi)在質(zhì)量；④勞動(dòng)條件好；⑤容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。由于輥鍛工藝具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，所以在國(guó)內(nèi)外都得到了普遍的應(yīng)用。鐵路火車用16型鉤尾框鍛造前的制坯采用了輥鍛工藝，本文介紹了在φ1250mm輥鍛機(jī)上輥鍛制坯16型鉤尾框的工藝數(shù)值模擬過(guò)程及結(jié)果，主要包括輥鍛模的設(shè)計(jì)過(guò)程、利用Catia三維軟件進(jìn)行輥鍛模參數(shù)設(shè)計(jì)、完成三維造型、利用QFORM-3D模擬軟件對(duì)輥鍛成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬、對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，最后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)情況，對(duì)模擬結(jié)果加以驗(yàn)證。

16型鉤尾框輥鍛制坯工藝

16型鉤尾框與17型鉤尾框相比較，框板和鉤尾框尾部尺寸相差不大，其主要區(qū)別在兩個(gè)端部，16型鉤尾框大頭端部最大截面成形需要直徑為φ180mm的坯料。但是現(xiàn)有φ1000mm輥鍛機(jī)的最大輥鍛坯料直徑為φ160mm，因此要想完成16型鉤尾框的成形，輥鍛結(jié)束后需要增加一個(gè)鐓頭的工序，使大頭坯料截面尺寸由φ160mm變?yōu)棣?80mm，再進(jìn)行模鍛成形。整個(gè)鍛造過(guò)程需要兩火次完成，對(duì)生產(chǎn)效率及鍛件的質(zhì)量都產(chǎn)生了影響。φ1250mm輥鍛機(jī)最大輥鍛坯料直徑為φ200mm，能滿足16型鉤尾框最大截面積的要求，φ1000mm及φ1250mm輥鍛機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 φ1000mm輥鍛機(jī)和φ1250mm輥鍛機(jī)基本參數(shù)

確定工藝流程

針對(duì)16型鉤尾框異形、薄壁、有深腔的成形特點(diǎn)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)車間實(shí)際設(shè)備的配置情況，采用φ1250mm輥鍛機(jī)制坯+500kJ對(duì)擊錘上模鍛的成形工藝。因此確定16型鉤尾框的工藝流程為：中頻爐加熱→φ1250mm輥鍛機(jī)制坯→500kJ對(duì)擊錘終鍛→切邊→彎曲。該工藝具有以下優(yōu)勢(shì)：

⑴精度高、加工余量少、材料利用率高。輥鍛工藝能更準(zhǔn)確合理地控制分配金屬體積變形過(guò)程。

⑵產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量好。輥鍛是坯料延伸變形的工藝過(guò)程，金屬沿著坯料的長(zhǎng)度方向流動(dòng)，金屬流線好，內(nèi)部組織致密，晶粒細(xì)小，其機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性和疲勞壽命明顯高于用自由鍛工藝生產(chǎn)的鍛件。

⑶生產(chǎn)效率高。使用輥鍛-整體模鍛工藝后，提高了生產(chǎn)效率，加熱火次可減成一火。

⑷綜合成本低。該工藝具有材料利用率高、機(jī)加工工時(shí)少、生產(chǎn)能耗低等優(yōu)點(diǎn)，因而綜合成本較低。

16型鉤尾框曾采用φ160mm的坯料在φ1000mm輥鍛機(jī)上制坯+8000t摩擦壓力機(jī)上模鍛的成形工藝，但是得到的產(chǎn)品表面質(zhì)量粗糙，鉤尾框兩頭填充不滿，有缺料現(xiàn)象。為了滿足16型鉤尾框鍛件最大截面積的要求，需要下料尺寸為φ180mm×875mm，因此，采用了更大規(guī)格的輥鍛機(jī)。

輥鍛模具設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)16型鉤尾框鍛件圖進(jìn)行分析，給出鍛件各部位截面圖并計(jì)算出毛坯尺寸，根據(jù)輥鍛件最小截面積的總延伸系數(shù)，計(jì)算出輥鍛道次，選擇合適的型槽系組合，確定合理可行的輥鍛毛坯圖（圖1），最終設(shè)計(jì)出各個(gè)道次的輥鍛模。

圖1 16型鉤尾框輥鍛制坯工步及各道次輥鍛件圖

QFORM-3D模型建立

基于QFORM-3D平臺(tái)，采用上述工藝對(duì)整個(gè)輥鍛過(guò)程進(jìn)行模擬。輥鍛完成后，彈性部分釋放的殘余應(yīng)變比塑性部分引起的殘余應(yīng)變小的多，因此我們采用剛塑性模型來(lái)完成整個(gè)模擬過(guò)程。模擬參數(shù)設(shè)置為：⑴變形體材料確定為45號(hào)鋼，牌號(hào)AISI-1045；⑵變形體劃分網(wǎng)格數(shù)為80000單元，坯料加熱溫度為1200℃；⑶摩擦模型采用庫(kù)侖摩擦，摩擦系數(shù)為μ＝0.4；⑷在模擬過(guò)程中采用剛塑性有限元模型；⑸輥鍛機(jī)轉(zhuǎn)速為0.837rad/s；⑹材料為各 向同性并服從Mises屈服準(zhǔn)則；⑺模具在輥鍛和模鍛過(guò)程中變形量相對(duì)于坯料的變形量微小，所以模具材料設(shè)為剛體；⑻下料尺寸為φ180mm×875mm。

輥鍛過(guò)程等效應(yīng)變場(chǎng)

等效應(yīng)變反映了材料在不同部位壓下量不同時(shí)的變形程度，16型鉤尾框輥鍛工藝四道次輥鍛成形過(guò)程的各道次等效應(yīng)變場(chǎng)分布如圖2所示。

圖2a為第一道次的輥鍛成形等效應(yīng)變場(chǎng)，可明顯看出最大變形部位產(chǎn)生于坯料被咬入的厚壁部分即鉤尾框框板位置，這是由于坯料初始狀態(tài)是靜止的，被咬入后隨著鍛輥一起運(yùn)動(dòng)，靜止的坯料要與鍛輥線速度一致需要一個(gè)加速過(guò)程，輥鍛模與加速過(guò)程的輥坯接觸角度與時(shí)間較大，而且輥坯越靠近中心線的部位壓下量越大，進(jìn)而導(dǎo)致坯料這部分的變形較大。從圖2b可以看出，坯料經(jīng)90°旋轉(zhuǎn)進(jìn)入圓形型槽，這時(shí)第一道輥坯兩側(cè)面變形區(qū)域進(jìn)入第二道型腔中心線部位，得到的變形較均勻。由圖2c可以看出，第三道次輥鍛主要成形鉤尾框尾部，并且對(duì)前后框板部位進(jìn)行預(yù)成形。由于壓下量沒(méi)有第一道次那么大，所以變形較為均勻。由圖2d可知，第四道輥鍛成形部位只有鉤尾框框板處，鉤尾框尾部在第四道次輥鍛成形中后部也發(fā)生了較為明顯的變形，使輥鍛件有嚴(yán)重的缺料現(xiàn)象，會(huì)造成模鍛成形時(shí)鉤尾框尾部充不滿的缺陷。

由圖2a、2b等效應(yīng)變場(chǎng)分析可知，第三道次鉤尾框尾部本不該在第四道發(fā)生變形，但在第四道次輥鍛過(guò)程中發(fā)生了明顯的變形，說(shuō)明第四道次輥鍛過(guò)程存在與第三道次型腔不匹配的問(wèn)題。通過(guò)模擬分析對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)對(duì)模擬結(jié)果的測(cè)量，決定將第四道模具鉤尾框尾部后面部分進(jìn)行修改，并得到了合格的輥坯。

圖2 各道次變形結(jié)束時(shí)輥坯等效應(yīng)變圖

輥鍛過(guò)程溫度場(chǎng)

圖3為16型鉤尾框輥鍛過(guò)程各道次結(jié)束時(shí)金屬坯料的溫度場(chǎng)分布。坯料出中頻爐的溫度為1200℃，輥鍛結(jié)束時(shí)坯料溫度有所下降，如圖3a所示，其中輥坯變形區(qū)域的溫度有明顯下降，該區(qū)域的金屬長(zhǎng)時(shí)間與模具接觸，受到輥鍛模激冷作用，溫度迅速下降。變形過(guò)程沿著縱向由變形區(qū)首端向末端移動(dòng)，坯料的溫度逐步降低，分析輥鍛變形特點(diǎn)可知，從變形區(qū)首端到末端變形量逐漸減小，因此，在變形區(qū)末端會(huì)出現(xiàn)最低溫度（至1010℃）。后續(xù)道次輥鍛過(guò)程中，溫度場(chǎng)變化規(guī)律和第一道輥鍛基本一致，均為變形區(qū)域溫度下降明顯，但由圖3b、3d也可以看出，由上一道次經(jīng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)入下一道輥鍛時(shí)，變形區(qū)溫度有所回升，這是由于這道輥鍛過(guò)程中上一道變形區(qū)域再次變形，從而有變形熱補(bǔ)償了溫度損失。此外，不參與變形的工藝頭和鉤尾框大頭部位由于一直在空氣中，與空氣產(chǎn)生了熱交換，溫度也稍有下降。

圖3 輥鍛成形過(guò)程的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

工藝試驗(yàn)

根據(jù)上述QFORM-3D模擬的結(jié)果，在φ1250mm輥鍛機(jī)上進(jìn)行四道次輥鍛試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)對(duì)各道次坯料的實(shí)際測(cè)量，鉤尾框輥鍛件的形狀尺寸滿足鍛件圖的設(shè)計(jì)要求，未出現(xiàn)折疊、飛邊和充不滿等缺陷，為后續(xù)的模鍛工藝提供了合適的輥鍛坯料。各道次輥坯的實(shí)測(cè)溫度比模擬結(jié)果偏低，經(jīng)分析是輥鍛后氧化皮對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，其實(shí)際溫度能滿足后續(xù)模鍛的溫度要求，并且模鍛后鍛件溫度也保證了熱切邊工序?qū)囟鹊囊?。工藝試?yàn)得到的輥鍛毛坯照片見(jiàn)圖4，最終合格的16型鉤尾框鍛件如圖5所示。

圖4 試驗(yàn)得到輥鍛坯料照片

圖5 16型鍛造鉤尾框成品

結(jié)束語(yǔ)

φ1250mm輥鍛機(jī)能滿足最大輥鍛坯料直徑為φ200mm，選用φ180mm×875mm規(guī)格的坯料可以完成16型鉤尾框的輥鍛工藝。減少了加熱火次，提高了生產(chǎn)效率，并提高了鍛件的質(zhì)量。通過(guò)QFORM-3D軟件對(duì)輥鍛工藝過(guò)程的數(shù)值模擬，在模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了道次不匹配等現(xiàn)象，并及時(shí)解決了問(wèn)題。