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1、铁路货车钩尾框精密辊锻模锻复合成形技术 1 简介 铁路货车重载提速 铁路道路方面主要是对原有道路的适应性改造 货车车辆方面主要是增加各部件的承载能力锻件的强度和可靠性大大加强 铸改锻铁路锻件锻造的一般特点 需要大吨位的锻造设备 锻造工艺复杂 成形难度大 锻造钩尾框工艺特点锻造钩尾框优点 产品质量和铸造比明显提高 2 车钩部分实物照片 3 车钩缓冲装置示意图 1 钩舌2 钩身3 钩尾4 钩尾销5 钩尾框6 8 从板7 缓冲器 4 钩尾框材料工艺的发展 锻造钩尾框的研制试制始于2003年 由于我国铁路技术的发展 尤其是铁路货车的载重 开行5000 10000吨牵行重量列车 和速度 100 120公
2、里 小时 的提高 给货车的各零部件提出了更高的可靠性的要求 这二个指标是世界上独一无二的 欧洲铁路是高速轻载 北美铁路是重载低速 所以中国铁路的要求是最苛刻的 锻造钩尾框就在这样的背景下提出 发展起来的 5 铸造钩尾框故障统计表 年份总件数 件 破损率 2005234053 42004198024 5随着列车使用的大幅度提速 铸造钩尾框的强度和可靠性已不能满足要求 数据来源 铁道车辆 2006 1 18 24 6 钩尾框破损的位置 图a d是钩尾框框身折断 图b是钩尾框上片折断 图c是钩尾框弯角处产生裂纹和平板处损伤 7 锻造钩尾框产品的优点 疲劳强度高 锻造钩尾框产品比铸造钩尾框产品提高80
3、 疲劳寿命高 锻造钩尾框产品比铸造钩尾框产品提高60倍 质量保证期大大延长 锻造钩尾框产品25年 铸造钩尾框产品8年 提高了2 13倍 8 锻造钩尾框的两火锻造工艺 锻造钩尾框于2003年开始研制 2005年上半年研制成功并生产出第一批锻造钩尾框 南京中盛铁路配件有限公司首先投入生产 两火锻造 两火锻造工艺流程 锯床下料 加热 自由锻制坯 二次加热 31500kN以上摩擦压力机上锻造 展开锻造 液压机上折弯 整形 焊接 超声波探伤 机械加工 热处理 表面处理 磁粉探伤 成品两火锻造工艺问题 能耗大 材料利用率低 劳动条件差 生产效率低 生产成本高 产品表面质量较差 9 17型锻造钩尾框图片 1
4、0 钩尾框锻件简图 11 展开后钩尾框锻件三维实体锻件图 12 辊锻的基本原理 13 辊锻工艺的分类 1 普通辊锻 或称制坯辊锻 2 精密辊锻 或称成形辊锻 精密辊锻大致可分为两种类型 其应用情况简述于下 1 锻件在辊锻机上终成形 或在精密辊锻后 再辅以整形工序 2 锻件上一部分结构在辊锻机上终成形 另一部分结构采用其它锻造工艺方法成形 也称为精密辊锻模锻复合技术 14 辊锻工艺技术经济优越性 所需设备吨位小生产效率高公害小 劳动条件好材料利用率高 模具寿命高 易于实现机械化和自动化 15 锻件重量重 100kg以上 工件展开长 约为2000mm 需要用大吨位模锻设备来成形 根据计算 展开平锻
5、的工艺需打击力在15000吨以上 锻件主轴线上下部分形状有较大不对称性 而锻件主轴线前后的形状是对称的 钩尾框属形状复杂的 异形长锻件 局部很薄 形状难以控制 在两端金属是较难填充成形的 锻件纵向截面起伏变化较多 某些部位具有较大的高度落差 钩尾框锻件的特点 16 精密辊锻模锻复合成形技术方案 主要工艺流程为下料 加热 1000 辊锻机上4道次精密辊锻 40000KN以上摩擦压力机或高能螺旋压力机上模锻 切边 在通用设备上用专用工装或用专用液压折弯机折弯 整形 此工艺主要优点为材料利用率高 需要设备吨位小 生产效率高和生产环境好 符合国家要求 节能环保 17 精密辊锻模锻复合技术工艺方案 18
6、 辊锻模设计步骤 根据钩尾框热锻件图绘制展直辊锻件图 第四道辊锻件 钩尾框精密辊锻道次最佳效果为设计为四道次 在第1 2道孔型中辊锻件不出飞边 第3 4道孔型为成形辊锻 辊锻件可以出飞边 根据各道次延伸系数 设计辊锻工序毛坯图 绘制辊锻件图顺序为 第4道锻件 第3道锻件 第2道锻件 第1道锻件 19 辊锻模的设计 20 锻模设计 21 模拟技术方案流程图 22 模拟参数的设定 我们基于DEFORM 3D平台 采用上述工艺对整个辊锻过程进行模拟 参数设定如下 变形体材料 45号钢变形体单元数 80000单元坯料加热温度 1200 摩擦系数 0 4辊锻机转速 3 14rad s模具材料 刚体下料参
7、数 145 880mm 23 参数化建模 第一道辊锻上 下模 24 参数化建模 第二道辊锻上 下模 25 参数化建模 第三道辊锻上 下模 26 参数化建模 第四道辊锻上 下模 27 第一道辊锻过程的数值模拟分析 第一道次主要起分料和拔长的作用 变形部位是两个平板处 第一道次辊锻件下图所示 第一道辊锻件变形部位截面 28 第一道次辊锻模扭矩分析 对第一道次辊锻模所受扭矩进行分析来验证1m辊锻机是否满足要求 从扭矩曲线图中可以看出第一道辊锻模具受到最大扭矩M 123KN m 允许最大扭矩Mmax 700KN m M 123KN m Mmax 700KN m 所以辊锻机是安全的 29 第二道次如同第
8、一道次起分料和拔长的作用 变形部位是两个平板处 第二道次辊锻件下图所示 第二道辊锻件变形部位截面 钩尾框第二道辊锻过程的数值模拟分析 30 第二道次辊锻模扭矩分析 同样对第二道次辊锻模所受扭矩进行分析 从扭矩曲线图中可以看出第二道辊锻模具受到最大扭矩M 124KN m 允许最大扭矩Mmax 700KN m M 124KN m Mmax 700KN m 所以辊锻机是安全的 31 第三道次如同前两道次起分料和拔长的作用 变形部位是两个平板处 但第三道次的成形对第四道次成形起到至关重要的作用 第三道辊锻件变形部位截面 钩尾框第三道辊锻过程的数值模拟分析 32 由上图可以看出A处有局部变窄的现象 对此
9、进行简单分析如下 辊锻件在截面突变处受力模型 33 第三道次辊锻力分析 辊锻模Y方向受力曲线图 最大压力约为3000KN 34 第三道辊锻件应变图 第三道次辊锻件的最大应变为约2 31 35 第三道辊锻模扭矩曲线图 从扭矩曲线图中可以看出模具所受最大扭矩M 235KN m 允许最大扭矩Mmax 700KN m M 235KN m Mmax 700KN m 所以辊锻机是安全的 第三道次辊锻模扭矩分析 36 在钩尾框辊锻过程中 第四道辊锻是最重要的工步 成形部位为中部和前 后平板 这三个部位经过第四道次辊锻必须完全达到锻件尺寸要求 在模锻时是不变形的部位 大大减小模锻时打击力 平板处截面图 中部截
10、面图 钩尾框第四道辊锻过程的数值模拟 37 第四道次辊锻力分析 辊锻模Y方向受力曲线图 最大压力约为7000KN 38 第四道辊锻件应变场 第四道次辊锻件的最大应变为约2 89 39 第四道辊锻件温度场 第四道次辊锻件的最高温度为1210 40 第四道次辊锻模扭矩分析 第四道次辊锻件变形量是最大的 所以对第四道次辊锻模扭矩分析也是必要的 扭矩如下图所示 从扭矩曲线图中可以看出模具所受最大扭矩M 605KN m 允许最大扭矩Mmax 700KN m M 605KN m Mmax 700KN m 所以辊锻机是安全的 41 参数化建模 利用PROE强大的三维造型功能对锻模进行参数化建模 首先设计预锻
11、件和终锻件 分别如下图所示 预锻件图 42 终锻件图 43 预锻上模预锻下模 44 终锻上模终锻下模 45 3 模锻数值模拟过程分析 1 预锻模拟结果分析 预锻件成形图 46 预锻模具受力曲线图 预锻打击力曲线 47 终锻件成形图 48 终锻受力曲线图 最大打击力为120000KN 终锻打击力曲线 49 最高温度约为1090 终锻锻件温度场图 终锻锻件温度场图 50 3 弯曲模拟结果分析 在现场生产过程中切边很少出现问题 所以没有进行切边模拟 利用PROE进行三维造型 造型切边后的锻件如下图所示 利用此三维图进行弯曲模拟 终锻件三维图 51 锻件弯曲成形图 52 弯曲压下力曲线图 最大压力约为
12、1200KN 弯曲压下力曲线 53 模拟动画 54 工艺试验 试验条件如下 坯料材料 45钢坯料参数 160 810 模具材料 5CrNiMo坯料加热温 1200 主要试验设备 a 750KW中频加热炉 b 1000 辊锻机 c 6300T摩擦压力机 d 1000T摩擦压力机 e 简易油压机 55 加强型自动辊锻机 56 安装在辊锻机上的模具 57 第四道辊锻件 58 63000kN摩擦压力机 59 10000kN摩擦压力机 60 实际工艺流程 圆棒料经过750KW中频加热炉一次加热 出炉热锻件出炉时温度1200 左右 热坯料送到 1000 辊锻机进行四道次辊锻 把热辊锻件送到63000kN摩
13、擦压力机进行预锻和终锻 送料小车把终锻件送到10000kN摩擦压力机切边 用送料小车把锻件送到油压机进行弯曲用自制液压装置进行热校正 最后进行焊接 机加工 热处理和抛丸等工序 最终得到合格零件 61 各工步的锻件如下图 第四道辊锻件 预锻件 62 终锻件 切边后合格终锻件 63 弯曲后合格锻件 钩尾框热弯曲件和合格产品 64 问题与解决办法 第四道辊锻件弯曲分析热锻件直接送到 1000 辊锻机进行四道次辊锻 由图6可知 辊锻后锻件在机械手夹持端锻件平板处有向下弯曲的现象 对此进行分析产生弯曲的原因 初步分析 在锻件自身重力作用下锻件弯曲处抗弯强度不够 使之产生弯曲 建立一个锻件在高温 1050
14、 时悬臂梁数学模型 如下图12所示 65 图12悬臂梁数学模型 用材料力学理论计算此梁危险截面的抗弯强度 最大应力大于抗弯强度 锻件在1050 时的真实应力 时 就要发生塑性变形 产生弯曲 经计算得 160 1Mpa 100Mpa 所以锻件在危险截面处必然弯曲 66 目前解决方法是 在第四道次辊锻结束时立刻将机械手旋转90 在这种状态下进行分析在危险截面处是否仍然产生弯曲 建立一个锻件在高温 1050 时悬臂梁数学模型如下图所示 计算得 最大应力为44 2Mpa远小于抗弯强度100Mpa 所以锻件在危险截面处不产生弯曲 67 辊锻机上的自动托料装置 68 问题和解决办法 第四道水平方向弯曲问题
15、 加后导卫板 第四道辊锻过程中闷车 调整第三 四道辊锻的匹配关系终锻时耳朵充不满 调整预锻模膛的形状 69 目录 1项目背景简介2钩尾框材料工艺的发展3技术方案的确定417型钩尾框成形过程的数值模拟5工艺试验与工艺调试6生产应用情况7存在问题和解决办法8结论 70 主要设备配置如下 1 750kW中频加热炉用于加热圆坯料 2 1000mm辊锻机用于辊锻成形 3 63000kN摩擦压力机用于整体模锻成形 4 10000kN摩擦压力机用于切边 5 6300kN油压机用于弯形 6 专用油压整形机用于整形 71 生产线平面布置图 72 生产线平面布置图 73 工艺应用情况 宁波捷丰机械公司生产现场2007年湖北三环车桥有限公司2007年齐齐哈尔轨道交通装备公司 宏兴锻业 2008年 74 用该技术生产的钩尾框锻件 75 钩尾框成本比较表 76 工艺过程录象 精密辊锻模锻复合技术 77
