均衡梁锻造工艺及模具设计研究

[摘要]文章分析了均衡梁锻造工艺的可行性,介绍工艺及模具设计过程。根据现场条件和锻造过程中金属的流动和应力应变情况,在原有工艺的基础上,通过分析、试验,获得了理想的效果。通过本课题的研究,将模锻工艺和模具CAD技术结合起来,达到了缩短产品开发周期、提高模具寿命、降低成本等目的。生产实践证明,工艺及模具设计合理,产品质量满足设计要求。

[关键词]均衡梁 模锻 锻造工艺 高能螺旋压力机

一、前言

均衡梁是机车转向架上的重要零件,属弯曲、长轴类零件。其外形基本上不加工,属黑皮锻件,尺寸精度和表面质量由锻造保证,为保证均衡梁表面质量,须一火锻造。

均衡梁锻件过去一直在3吨自由锻锤上锻制,锻件尺寸精度差,生产率低,劳动条件恶劣。随着铁路向“高速、重载”方向发展,对产品质量要求越来越高。为了提高大型模锻件的模锻水平,优质高效地生产均衡梁等锻件,打算在25000kN高能螺旋压力机上生产,为我们提出一项新的课题。由于目前尚没有高能螺旋压力机的工艺规范和标准,研究均衡梁高能螺旋压力机上模锻工艺及模具设计,制定其规范和标准,对充分发挥高能螺旋压力机的性能有重要意义。

二、工艺分析

方案的选择。根据零件特点和现场条件,均衡梁可采用胎模锻和压力机上模锻等方案。

胎模锻:锻件精度较低,表面较粗糙,且模具寿命短,工人劳动强度大,生产率较低,适用于中小批量生产。

压力机上模锻:锻件尺寸精度高,生产效率高。锻件是一次成型或两次成型,模具寿命较高;由于有顶料装置,模锻斜度较小,可节省原材料。易于实现机械自动化,工人的劳动强度可以大大降低,劳动条件明显改善。

根据以上分析,为提高锻件质量,采用一火成形。决定采用高能螺旋压力机上制坯和模锻的工艺方案。

三、锻件图的设计

锻件图是根据零件图制定的,它全面地反映锻件的情况。锻件图是编制锻造工艺卡片,设计模具和量具以及最后检验锻件的依据。

图1 锻件图

分析零件图,确定锻件为第Ⅱ类锻件――长轴类、叉类锻件。确定分模面位置最基本原则是保证锻件形状尽可能与零件形状相同,锻件容易从锻模型槽中取出,争取获得镦粗充填成形的效果。根据均衡梁的形状特点,可采用以下两种分模方式:

(1)沿均衡梁高度方向对称阶梯式分模。

(2)沿均衡梁宽度方向平面式分模。

由于现场的高能螺旋压力机没有配备制坯设备,考虑简化操作工序,选用对称阶梯式分模。锻件如图1所示:

四、飞边槽的作用及结构型式

本课题锻件采用开式模锻,开式模锻的终锻型槽周边有飞边槽。飞边槽有三个方面的作用:一是造成足够大的水平面方向阻力,促使型槽得以充满。二是容纳多余金属。三是缓冲锤击。与锤上模锻相比,飞边槽的桥部高度较大。根据本课题锻件特点,选用第Ⅰ类飞边槽型式,其尺寸和形式如图2所示:

图2 飞边槽结构尺寸

五、设备吨位的确定及其有关参数

根据实际生产经验,螺旋压力机吨位选择可按下式确定。

P = K×S /q(kN)

式中 P――螺旋压力机公称压力;

K――系数,在热锻和精压时,约为80kN/cm2,锻件轮廓比较简单时,约为50kN/cm2;

S――锻件总变形面积(包括锻件面积,冲孔连皮面积及飞边面积按仓部1/2求)(cm2);

q――变形系数,变形程度小的精压件取1.6;变形程度不大的锻件取1.3;变形程度大的锻件取0.9~1.1。

均衡梁属于变形程度不大的锻件,取q=1.3

均衡梁的轮廓也比较简单,因此取K=50KN/cm2

锻件面积 S=F锻+F飞边=708.76cm2

F锻――锻件的面积;

F飞边――飞边的面积。

P=KS/q=27260KN

25000kN高能螺旋压力机最大打击力为40000kN,满足要求。

25000kN的高能螺旋压力机的技术参数,见表1。

表1 NPS25000kN高能螺旋压力机技术参数

在高能螺旋压力机上模锻,考虑均衡梁截面变化不大,采用卡压制坯,操作方便。工艺流程为:下料―加热―卡压―终锻―切边。坯料规格为70×70。

六、锻模的设计

1.锻模结构设计。锻模结构设计对锻件质量、生产率、劳动强度、模具的使用寿命、以及模具的加工制造都有影响。锻模模块按结构形式分为镶块式和整体式两种形式。镶块式锻模可节省模具钢,缩短生产周期,降低模具成本,便于模具的标准化。模架设计考虑通用性和实用性,采用组合式(镶块式)锻模模架,顶料机构采用压力机顶杆-顶板-顶杆的结构,扩大了顶料范围。

2.模具材料的选择。锻模材料应该满足:在一定高温条件下,具有良好的冲击韧性,导热性,耐磨性和抗热疲劳性能等;具有良好的淬透性和回火稳定性;具有良好的尺寸稳定性,价格低廉。选模具材料为: 5CrMnMo。

3.模膛设计。模膛是根据热锻件来进行设计的。热锻件图是以冷锻件图为依据,将所有尺寸增加收缩值。热锻件尺寸即为终锻模膛的尺寸。锻模结构如图3所示。

图3 锻模结构

4.锻模承压力的计算及校核。模具的设计要注意模块承击面所受应力,以防止分模面压陷。

根据公式 σ=P/F

式中σ――模具底部所承受单位面积(MPa);

P――设备公称压力(N);

F――模块底面实际尺寸(mm2).

σ=25000000/(150X340X2+170X680X2)=75.3MPa

七、结论

均衡梁模锻工艺及模具设计通过工艺试验和生产验证,产品质量满足设计要求,效果良好,取得了一定经验。产品尺寸精度、生产率明显提高。

均衡梁模锻工艺及模具设计的成功,对高能螺旋压力机上模锻弯曲、长轴类零件积累了一定经验。

参考文献:

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