一种中心锲块模锻工艺优化

时间：2024-09-03

盛志敬，罗彦云，张洞川，牛迎春，何熙时

（株洲中车天力锻业有限公司，湖南株洲 412000）

本文中中心锲块属于铁路货车缓冲器上的关键零件，需模锻成形。该产品非加工面占比达到95%以上，表面质量和尺寸精度要求较高。中心锲块现有锻造工艺为：制方坯—卡压预锻—终锻成形—切边—整形，操作工艺流程复杂，且零件叉部尖角易出现折叠。

1 工艺分析

中心锲块如图1所示，属于对称叉口锻件[1]，除了叉口钻孔和方孔尾部端面铣平需加工外，其余均为非加工面。根据中心锲块零件图分析，此锻件采用开式模锻方案，因为锻件上、下对称故分模面选择在锻件中间位置。通过分析计算锻件各部分的截面积，该中心锲块锻件方孔尾部最小截面积相当于直径Φ100mm的圆棒料，方孔尾部最大截面积相当于约直径Φ140mm的圆棒料。锻造时尾部金属有从最小截面积向最大截面积处流动的趋势。现工艺一般采用先制方坯，然后卡压预锻，最后终锻工序，工序多，工件流转时间长。

图1 中心锲块

2 锻模设计

根据以上工艺分析，本文设计了一款中心锲块锻模，把制坯和卡压预锻工序合成一道工序，节省了工序和工件流转时间。锻模设计图如图2所示，预锻型腔高度比终锻型腔高度尺寸大5mm，长度和宽度比终锻小1mm～3mm左右，预锻叉形部位采用大圆角加斜面和平直段形式，用于坯料劈开分流，其中平直段长度比叉部开口小约5mm，中间设计凹弧，便于坯料放置；预锻型腔四周采用大于7°的斜度和大圆角，用于减小坯料往四周扩散的趋势从而使坯料易于往叉部尖端流动，同时保证预锻件进入终锻型腔易于对正。终锻型腔按锻件图加工，热胀率取1.2%，合模方向按负差制作。

图2 锻模图

3 数值模拟

对坯料、锻模进行3D建模，然后导入仿真模拟软件。始锻温度设置1150℃，模具的预热温度设定为300℃，上模下压运动速度取为300mm/s，摩擦系数设定为0.3，将有限元模型进行定义材料、划分网格、设置运动条件、设置坯料、模具等相对位置后，进行分析求解，最后对数据进行分析处理。

坯料纵向直接放入预锻型腔。随着锻模上模金属在初始成形时，坯料叉部端先被劈开分流，然后成形底部方孔，最后往叉部尖端流动，整个预锻过程中金属流动性良好，无折叠，见图3。图4为预锻后金属与模具间隙距离图，借助于仿真模拟软件分析可知预锻后金属并未全部充满型腔，其中两个方孔部位与模具型腔间隙最大相差7mm左右，其原因为此部位筋板厚度不足10mm，高度为35mm，导致金属流动阻力大且冷却速度较快，所以容易产生充不满的情况。图5为锻件温度场分布图，从图中可以看出预锻后锻件温度在1030℃～1180℃之间，其中锻件薄壁部位温度略低。

图3 预锻金属流动图

图4 预锻后金属与模具间隙距离图

图5 预锻后锻件温度场分布图

预锻型腔比终锻型腔在高度方向高5mm左右，在锻造过程中金属流动有向受力最小的方向流动趋势，故预锻造后直接进入终锻。终锻模拟，预锻件根据拔模斜度先自行对正，然后尾部方孔与叉部随着模具打靠，金属全部充满模具终锻型腔，整个过程金属流动性良好，无折叠。图6为终锻时锻件金属流动图，箭头的指向表示金属流动方向，不同的颜色表示金属流动速度大小。从图中可以看出锻件两个方孔部位金属流动比其它部位大，金属流动方向基本沿锻件外形轮廓，无交叉、乱流。图7为终锻造后金属与模具之间间隙距离图，从图中可以看出，锻件与模具间隙距离≤0.1mm，表明终锻后金属充满型腔。图8为终锻后锻件温度场分布图，工件温度1110℃～1170℃之间。图9为锻造过程中载荷—时间图，从图中可以看出预锻时最大锻造力为3810t，终锻时最大锻造力为2770t。

图6 终锻金属流动图

图7 终锻后金属与模具间隙距离图

图8 终锻后锻件温度场分布图

图9 锻造过程载荷—时间图

4 工艺验证

工艺试验根据锻造模拟，坯料中频电感应加热后先在预锻型腔内进行预锻，紧接着进行终锻，锻件充满性良好，终锻后使用红外线测温仪测得表面温度在1050℃左右，其中锻件薄壁部位温度略低，锻造实际生产过程与模拟过程基本相符。中心锲块锻件实物如图10所示，锻件无损检测未发现表面有裂纹、折叠等缺陷，尺寸检测完全满足工艺图纸要求，锻件飞边连续且比较均匀，说明锻模及工艺设计都比较合理。该产品现已批量生产，产品合格率为100%。

图10 中心锲块锻件实物图