趙增華
中車齊齊哈爾車輛有限公司 黑龍江齊齊哈爾 161002
制動杠桿是我公司研發(fā)的一種新型鐵路貨車轉(zhuǎn)向架制動部分的關(guān)鍵零部件,是一種U形黑皮鍛件。制動杠桿上有4個機(jī)加工的通孔,中間鑲襯套,由于制動杠桿孔中心距的變化可以改變制動部件的行程,從而影響列車制動力大小,因此制動杠桿的制造質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高。制動杠桿的材質(zhì)為42CrMo鋼,需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,圖樣要求杠桿必須為模鍛件。
制動杠桿的使用狀態(tài)如圖1所示。制動杠桿是一種典型的U形板類鍛件,整體厚度為20mm,U形位置板間距為20mm,與板厚相同。制動杠桿上有4個通孔,其中孔3為同軸雙孔,孔3位置的外側(cè)形狀為R38mm半圓弧,其中心軸線與杠桿整體中心軸線同軸。工作時,孔1、孔2 和孔3通過作用于整體支柱并帶動制動梁組成實現(xiàn)車輛制動或制動緩解。為了保證轉(zhuǎn)向架制動倍率精確,杠桿的孔距以及孔3和孔2所在平面的平面度、平面間距的尺寸必須準(zhǔn)確。制動杠桿零件結(jié)構(gòu)如圖2所示, 三維實體如圖3所示。
圖1 使用中的制動杠桿
圖2 制動杠桿零件結(jié)構(gòu)
圖3 制動杠桿三維實體示意
分析制動杠桿的形狀特點(diǎn)可知,其成形工藝可由兩種工藝方法完成,第一種工藝方法為整體模鍛后進(jìn)行機(jī)加工,由機(jī)加工來保證杠桿彎曲部位的關(guān)鍵尺寸;第二種工藝方法為將杠桿展開為平板進(jìn)行鍛造,再進(jìn)行彎曲成形,由彎曲成形工藝來保證杠桿彎曲部位的關(guān)鍵尺寸。
該工藝方法具體工序為:模鍛→機(jī)加工(加工外形及鉆孔)→熱處理→精加工孔。整體模鍛如圖4所示。此工藝方法的優(yōu)點(diǎn)如下。
圖4 整體模鍛示意
1)U形部位通過機(jī)加工成形,尺寸精度高,表面質(zhì)量好。
2)U形部位的中心軸線與杠桿整體中心軸線同軸度較好,能保證4個孔的位置精度。
此工藝方法的缺點(diǎn)如下。
1)整體模鍛,機(jī)加工余量大,生產(chǎn)效率低,鍛件的成本高。
2)鍛件部分位置為加工面和黑皮面過渡,加工時過渡位置易形成缺陷,需要打磨處理。
3)U形部位通過機(jī)加工完成,鍛件的綜合機(jī)械強(qiáng)度相比彎曲成形工藝低。
一般情況下,U形杠桿可采取彎曲成形工藝方法。具體工藝過程為:模鍛→彎曲→粗加工孔→熱處理→精加工孔。
杠桿的模鍛工藝較為簡單,將杠桿按軸線方向展開,根據(jù)使用的設(shè)備類型設(shè)計相適應(yīng)的鍛模工藝進(jìn)行鍛造。模鍛工藝設(shè)計時注意以下幾點(diǎn)。
1)由于薄板類鍛件模鍛后溫度降低較快,因此需制定合理的冷卻方式,以防止因鍛件快速降溫而引起鍛件變形。
2)由于薄板類鍛件模鍛后溫度降低較快,鍛件的熱收縮量有較明顯變化,為保證鍛件切邊后殘余飛邊、毛刺量小,需精細(xì)考慮切邊凹模和鍛模的匹配問題。
3)鍛件切邊后直接進(jìn)入彎曲工序,需考慮鍛件的軸向和縱向定位基準(zhǔn),從而保證彎曲尺寸準(zhǔn)確。
(1)常規(guī)彎曲成形工藝 將制動杠桿毛坯(見圖5)按照軸線方向展開為直板形狀(見圖6),杠桿完成模鍛、切邊后直接進(jìn)行彎曲成形。采用此工藝方法的優(yōu)缺點(diǎn)如下。
圖5 制動杠桿毛坯示意
圖6 制動杠桿展開示意
1)鍛件模鍛后直接彎曲成形,不用對形狀尺寸再進(jìn)行機(jī)加工,節(jié)省原材料和機(jī)加工工時。
2)鍛件彎曲部位為彎曲成形,鍛造流線保持完整,杠桿彎曲部位的綜合機(jī)械強(qiáng)度比采用機(jī)加工成形工藝高。
通過對杠桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,杠桿的厚度為20mm,U形部位板間距為20mm,若采用常規(guī)的彎曲成形工藝,則成形難度較大,成形質(zhì)量不佳,主要體現(xiàn)在以下兩方面。
1)杠桿彎曲部位的變形程度較大,變形過程中杠桿內(nèi)側(cè)面受壓、外側(cè)面受拉,變形部位變形量大,容易形成彎曲缺陷,彎曲部位杠桿的寬度尺寸不符合要求。
2)彎曲成形必須有精準(zhǔn)的軸向和徑向定位,若徑向定位不準(zhǔn)確,則彎曲后杠桿U形部位的中心軸線易與杠桿整體中心軸線出現(xiàn)偏差(邁步)缺陷。如果軸向定位不準(zhǔn)確,彎曲后的杠桿孔3和孔1、孔2部位中心距會出現(xiàn)偏差。
為了驗證杠桿大變形量彎曲后的變形缺陷,我們用20mm的42CrMo鋼板切割出與杠桿變形位置相同寬度的工件進(jìn)行彎曲試驗。試驗結(jié)果證實了杠桿彎曲位置存在嚴(yán)重的變形,如圖7所示。
圖7 杠桿變形缺陷驗證
(2)改進(jìn)后的彎曲成形工藝 為了消除彎曲成形過程中產(chǎn)生的鍛件缺陷,我公司對彎曲工藝進(jìn)行了改進(jìn)。將杠桿模鍛的展開形狀進(jìn)行優(yōu)化,利用模鍛的成形特點(diǎn),將彎曲成形易形成缺陷的部位直接模鍛成形[1](見圖8),然后再進(jìn)行彎曲成形(見圖9)。改進(jìn)后杠桿彎曲工藝將原U形部位的大幅度變形(直板彎曲成U形),優(yōu)化到U形兩側(cè)兩個部位進(jìn)行小幅度變形(V形板彎曲成U形),減小彎曲位置變形程度,消除杠桿變形位置兩側(cè)面的嚴(yán)重變形缺陷;同時,模鍛成形可以精確鍛造出杠桿的定位基準(zhǔn),滿足杠桿彎曲成形的精準(zhǔn)定位需求,解決了杠桿彎曲后易出現(xiàn)縱向和橫向偏差缺陷的問題。
圖8 優(yōu)化后的杠桿展開示意
圖9 改進(jìn)后的杠桿彎曲工藝
改進(jìn)后的彎曲成形工藝,消除了彎曲部位變形量大形成的缺陷,解決了杠桿彎曲定位不準(zhǔn)確且易出現(xiàn)各個方向偏差等質(zhì)量問題,同時也保證了杠桿鍛造流線的完整性,提高了杠桿強(qiáng)度。
鍛造+彎曲成形工藝與鍛造+機(jī)加工工藝相比,杠桿彎曲部位的鍛造流線完整,鍛件的綜合力學(xué)性能更好,由于杠桿的需求數(shù)量較大,考慮到杠桿的生產(chǎn)效率,我們選擇了改進(jìn)后的模鍛成形+彎曲工藝方案用于本批次杠桿生產(chǎn)。
根據(jù)我公司現(xiàn)有鍛造設(shè)備的能力,制定了在80MN摩擦壓力機(jī)模鍛、20MN液壓機(jī)切邊、630kN液壓機(jī)彎曲的生產(chǎn)工藝方案,并設(shè)計了相應(yīng)的模具。模具包括鍛造模具、切邊模具和彎曲模具。
其中,hj表示各消費(fèi)支出項目與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的和諧度,wj表示各消費(fèi)項目所占權(quán)重,通常用各項消費(fèi)支出在總消費(fèi)支出中所占比重來表示。
根據(jù)鍛件形狀及成形工藝,并考慮鍛造設(shè)備特點(diǎn),鍛模采取單模膛布置,模具通過燕尾形式與通用模座連接,模具組成通過T形螺栓安裝到設(shè)備上。
(1)模膛尺寸 根據(jù)制動杠桿的材質(zhì),選定熱膨脹系數(shù)為1.5%,根據(jù)改進(jìn)后的杠桿展開方式,生成制動杠桿熱鍛件圖,完成模具模膛尺寸的確定。
(2)飛邊槽尺寸 由于鍛件的截面尺寸不均勻,且鍛件原材料(圓鋼)與鍛件兩端截面相差較大, 并根據(jù)設(shè)備噸位,通過查閱參考文獻(xiàn)[2],選擇飛邊槽形式的結(jié)構(gòu)尺寸,如圖10所示。
圖10 飛邊槽形式結(jié)構(gòu)尺寸
(3)模膛的排布 制動杠桿模膛為單模膛設(shè)計,為減小鍛模在使用中的錯移量,延長主螺桿及導(dǎo)軌、鍛模本身的使用壽命,模膛的中心應(yīng)與設(shè)備的主螺桿中心重合。
(4)導(dǎo)鎖設(shè)計 由于80MN摩擦壓力機(jī)導(dǎo)向精度較差,因此為了減小鍛件的錯移量,我們采用了角鎖扣形式的導(dǎo)鎖,來保證上下模具模膛對正。
(5)模具的最小壁厚和承擊面積 為了保證模具的使用壽命和使用過程中的安全性,模具的尺寸需通過最小壁厚和模具的承擊面積來確定。查閱參考資料,確定模鍛模膛的最小外壁厚公式為[2]
式中S——模鍛模膛的最小外壁厚(mm);
K——系數(shù);
h——模膛最大深度(mm)。
杠桿鍛模模膛的最大深度為10mm,選取系數(shù)K=2,計算得出模具最小壁厚應(yīng)>20mm。
模鍛時,鍛模應(yīng)有足夠的接觸面積來阻止分模面的下沉,這個上下模具的接觸面積被稱為承擊面積積,其是由分模面減去模膛、飛邊槽、導(dǎo)鎖等處后的面積。由于摩擦壓力機(jī)行程速度較慢,模具受力條件較好,因此開式模鍛模具的承擊面積一般可為錘上模鍛的 1/3。查閱相關(guān)資料并按經(jīng)驗公式換算[3],80MN摩擦壓力機(jī)的打擊能量與16t(160kN)模鍛錘相當(dāng),因此選用16t模鍛錘承擊面積的1/3來計算杠桿模塊的承擊面積。
綜合模塊的最小壁厚和最小承擊面積要求,考慮到80MN摩擦壓力機(jī)的裝模高度和模具的重復(fù)利用次數(shù),選取模具長、寬、高尺寸,分別為920mm、465mm和360mm。
由于與80MN摩擦壓力機(jī)配套使用的熱切邊壓力機(jī)為20MN液壓機(jī),因此切邊模具的設(shè)計需要考慮20MN液壓機(jī)的設(shè)備特性(裝模高度、工作行程和速度)??紤]到杠桿鍛件厚度薄、熱量損失快,從模鍛結(jié)束后到切邊開始,鍛件的外形尺寸會有縮小,因此切邊凹模的刃口尺寸應(yīng)比鍛模模膛的尺寸小,在實際應(yīng)用中,鍛模模膛的熱膨脹系數(shù)一般取1.5%,而切邊模具刃口尺寸的熱膨脹系數(shù)取1.4%。
彎曲設(shè)備采用配套的630kN液壓機(jī),彎曲模具分為上下模結(jié)構(gòu),下模開口與鍛件彎曲部位匹配,利用鍛件的自定位來保證鍛件的彎曲質(zhì)量。
為確保制動杠桿鍛造后的尺寸和外觀質(zhì)量,防止鍛件出現(xiàn)過熱、過燒、裂紋和變形缺陷,需制定合適的加熱工藝和冷卻工藝規(guī)范。
鍛件的材質(zhì)為42CrMo鋼,經(jīng)查閱文獻(xiàn)[4],42CrMo鋼的始鍛溫度為1150℃、終鍛溫度≥850℃。原材料規(guī)格為φ50mm圓鋼,由于加熱設(shè)備為雙門室式燃?xì)鉅t,因此長時間加熱時圓鋼表面會產(chǎn)生較多氧化皮,為降低氧化皮產(chǎn)生量,制定了以下加熱工藝:加熱溫度為1100~1150℃;加熱時間為20~25min;初始裝爐量不多于10件,然后采取續(xù)料加熱方式生產(chǎn)。
制動杠桿鍛件為薄板彎曲件,若冷卻速度過快,鍛件溫度應(yīng)力過大,則容易使鍛件產(chǎn)生變形,從而影響杠桿的質(zhì)量。結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)條件,采取了在料斗內(nèi)堆冷的冷卻方式。采用堆冷工藝措施,可有效減緩鍛件的冷卻速度,使鍛件的各截面能緩慢均勻冷卻,從而降低溫度應(yīng)力對杠桿尺寸的影響。
通過實際生產(chǎn)驗證(見圖11~圖13),采用優(yōu)化后的彎曲工藝生產(chǎn)的制動杠桿鍛件,尺寸符合圖樣要求,杠桿變形部位成形質(zhì)量良好,杠桿的軸向和縱向偏差符合技術(shù)要求。
圖11 鍛造模具
圖12 鍛造后的毛坯
圖13 彎曲后的毛坯
1)通過對杠桿幾種鍛造成形工藝的比較,將杠桿彎曲成形質(zhì)量差的部位采用模鍛方式預(yù)先鍛造成形、然后再彎曲成形的方案,有效地解決了鍛件彎曲質(zhì)量缺陷,也提升了杠桿彎曲工序的生產(chǎn)效率。
2)受現(xiàn)有的加熱設(shè)備限制,燃?xì)鉅t加熱效率較低,鍛件加熱過程中產(chǎn)生了較多的氧化皮,對鍛件的表面質(zhì)量有一定的影響,后期可以在現(xiàn)場配置中頻感應(yīng)加熱設(shè)備,以提升杠桿的加熱效率和質(zhì)量,降低鍛件生產(chǎn)的能源成本。