鉤尾框

鐵路貨車鉤尾框精密輥鍛模鍛復(fù)合成形技術(shù),簡介,鐵路貨車重載提速鐵路道路方面主要是對原有道路的適應(yīng)性改造；貨車車輛方面主要是增加各部件的承載能力鍛件的強度和可靠性大大加強鑄改鍛鐵路鍛件鍛造的一般特點：需要大噸位的鍛造設(shè)備、鍛造工藝復(fù)雜，成形難度大鍛造鉤尾框工藝特點鍛造鉤尾框優(yōu)點：產(chǎn)品質(zhì)量和鑄造比明顯提高,車鉤部分實物照片,車鉤緩沖裝置示意圖,1-鉤舌2-鉤身3-鉤尾4-鉤尾銷5-鉤尾框6、8-從板7-緩沖器,鉤尾框材料工藝的發(fā)展,鍛造鉤尾框的研制試制始于2003年。由于我國鐵路技術(shù)的發(fā)展，尤其是鐵路貨車的載重（開行500010000噸牽行重量列車）和速度（100120公里、小時）的提高，給貨車的各零部件提出了更高的可靠性的要求。這二個指標是世界上獨一無二的，歐洲鐵路是高速輕載，北美鐵路是重載低速，所以中國鐵路的要求是最苛刻的。鍛造鉤尾框就在這樣的背景下提出、發(fā)展起來的。,鑄造鉤尾框故障統(tǒng)計表,年份總件數(shù)（件）破損率（）2005234053.42004198024.5隨著列車使用的大幅度提速，鑄造鉤尾框的強度和可靠性已不能滿足要求。數(shù)據(jù)來源：鐵道車輛，2006（1）：18-24,鉤尾框破損的位置,圖a、d是鉤尾框框身折斷，圖b是鉤尾框上片折斷，圖c是鉤尾框彎角處產(chǎn)生裂紋和平板處損傷。,鍛造鉤尾框產(chǎn)品的優(yōu)點,疲勞強度高：鍛造鉤尾框產(chǎn)品比鑄造鉤尾框產(chǎn)品提高80%。疲勞壽命高：鍛造鉤尾框產(chǎn)品比鑄造鉤尾框產(chǎn)品提高60倍。質(zhì)量保證期大大延長：鍛造鉤尾框產(chǎn)品25年，鑄造鉤尾框產(chǎn)品8年，提高了2.13倍。,鍛造鉤尾框的兩火鍛造工藝,鍛造鉤尾框于2003年開始研制，2005年上半年研制成功并生產(chǎn)出第一批鍛造鉤尾框。南京中盛鐵路配件有限公司首先投入生產(chǎn)：兩火鍛造。兩火鍛造工藝流程：鋸床下料加熱自由鍛制坯二次加熱31500kN以上摩擦壓力機上鍛造（展開鍛造）液壓機上折彎整形焊接超聲波探傷機械加工熱處理表面處理磁粉探傷成品兩火鍛造工藝問題：能耗大，材料利用率低，勞動條件差，生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)成本高，產(chǎn)品表面質(zhì)量較差,17型鍛造鉤尾框圖片,鉤尾框鍛件簡圖,展開后鉤尾框鍛件三維實體鍛件圖,輥鍛的基本原理,輥鍛工藝的分類,1）普通輥鍛（或稱制坯輥鍛）2）精密輥鍛（或稱成形輥鍛）精密輥鍛大致可分為兩種類型，其應(yīng)用情況簡述于下：（1）鍛件在輥鍛機上終成形，或在精密輥鍛后，再輔以整形工序。（2）鍛件上一部分結(jié)構(gòu)在輥鍛機上終成形，另一部分結(jié)構(gòu)采用其它鍛造工藝方法成形，也稱為精密輥鍛模鍛復(fù)合技術(shù),輥鍛工藝技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)越性,所需設(shè)備噸位小生產(chǎn)效率高公害小、勞動條件好材料利用率高。模具壽命高。易于實現(xiàn)機械化和自動化。,鍛件重量重（100kg以上），工件展開長（約為2000mm），需要用大噸位模鍛設(shè)備來成形，根據(jù)計算，展開平鍛的工藝需打擊力在15000噸以上。鍛件主軸線上下部分形狀有較大不對稱性，而鍛件主軸線前后的形狀是對稱的。鉤尾框?qū)傩螤顝?fù)雜的、異形長鍛件，局部很薄，形狀難以控制，在兩端金屬是較難填充成形的。鍛件縱向截面起伏變化較多，某些部位具有較大的高度落差。,鉤尾框鍛件的特點,精密輥鍛模鍛復(fù)合成形技術(shù)方案,主要工藝流程為下料加熱1000輥鍛機上4道次精密輥鍛40000KN以上摩擦壓力機或高能螺旋壓力機上模鍛切邊在通用設(shè)備上用專用工裝或用專用液壓折彎機折彎整形。此工藝主要優(yōu)點為材料利用率高、需要設(shè)備噸位小、生產(chǎn)效率高和生產(chǎn)環(huán)境好，符合國家要求，節(jié)能環(huán)保。,精密輥鍛模鍛復(fù)合技術(shù)工藝方案,輥鍛模設(shè)計步驟,根據(jù)鉤尾框熱鍛件圖繪制展直輥鍛件圖（第四道輥鍛件）。鉤尾框精密輥鍛道次最佳效果為設(shè)計為四道次。在第1、2道孔型中輥鍛件不出飛邊，第3、4道孔型為成形輥鍛，輥鍛件可以出飛邊。根據(jù)各道次延伸系數(shù)，設(shè)計輥鍛工序毛坯圖。繪制輥鍛件圖順序為：第4道鍛件第3道鍛件第2道鍛件第1道鍛件。,輥鍛模的設(shè)計,鍛模設(shè)計,模擬技術(shù)方案流程圖,模擬參數(shù)的設(shè)定,我們基于DEFORM-3D平臺，采用上述工藝對整個輥鍛過程進行模擬。參數(shù)設(shè)定如下：變形體材料：45號鋼變形體單元數(shù)：80000單元坯料加熱溫度：1200摩擦系數(shù)：0.4輥鍛機轉(zhuǎn)速：3.14rad/s模具材料：剛體下料參數(shù)：145880mm,參數(shù)化建模,第一道輥鍛上、下模,參數(shù)化建模,第二道輥鍛上、下模,參數(shù)化建模,第三道輥鍛上、下模,參數(shù)化建模,第四道輥鍛上、下模,第一道輥鍛過程的數(shù)值模擬分析,第一道次主要起分料和拔長的作用，變形部位是兩個平板處。第一道次輥鍛件下圖所示：,第一道輥鍛件變形部位截面,第一道次輥鍛模扭矩分析,對第一道次輥鍛模所受扭矩進行分析來驗證1m輥鍛機是否滿足要求。,從扭矩曲線圖中可以看出第一道輥鍛模具受到最大扭矩M=123KNm，允許最大扭矩Mmax700KNm，M=123KNmMmax700KNm，所以輥鍛機是安全的。,第二道次如同第一道次起分料和拔長的作用，變形部位是兩個平板處。第二道次輥鍛件下圖所示：,第二道輥鍛件變形部位截面,鉤尾框第二道輥鍛過程的數(shù)值模擬分析,第二道次輥鍛模扭矩分析,同樣對第二道次輥鍛模所受扭矩進行分析。,從扭矩曲線圖中可以看出第二道輥鍛模具受到最大扭矩M=124KNm，允許最大扭矩Mmax700KNm，M=124KNmMmax700KNm，所以輥鍛機是安全的。,第三道次如同前兩道次起分料和拔長的作用，變形部位是兩個平板處，但第三道次的成形對第四道次成形起到至關(guān)重要的作用。,第三道輥鍛件變形部位截面,鉤尾框第三道輥鍛過程的數(shù)值模擬分析,由上圖可以看出A處有局部變窄的現(xiàn)象，對此進行簡單分析如下：,輥鍛件在截面突變處受力模型,第三道次輥鍛力分析,輥鍛模Y方向受力曲線圖,最大壓力約為3000KN,第三道輥鍛件應(yīng)變圖,第三道次輥鍛件的最大應(yīng)變?yōu)榧s2.31,第三道輥鍛模扭矩曲線圖,從扭矩曲線圖中可以看出模具所受最大扭矩M=235KNm，允許最大扭矩Mmax700KNm，M=235KNmMmax700KNm，所以輥鍛機是安全的。,第三道次輥鍛模扭矩分析,在鉤尾框輥鍛過程中，第四道輥鍛是最重要的工步，成形部位為中部和前、后平板，這三個部位經(jīng)過第四道次輥鍛必須完全達到鍛件尺寸要求，在模鍛時是不變形的部位，大大減小模鍛時打擊力。,平板處截面圖,中部截面圖,鉤尾框第四道輥鍛過程的數(shù)值模擬,第四道次輥鍛力分析,輥鍛模Y方向受力曲線圖,最大壓力約為7000KN,第四道輥鍛件應(yīng)變場,第四道次輥鍛件的最大應(yīng)變?yōu)榧s2.89,第四道輥鍛件溫度場,第四道次輥鍛件的最高溫度為1210,第四道次輥鍛模扭矩分析,第四道次輥鍛件變形量是最大的，所以對第四道次輥鍛模扭矩分析也是必要的。扭矩如下圖所示：,從扭矩曲線圖中可以看出模具所受最大扭矩M=605KNm，允許最大扭矩Mmax700KNm，M=605KNmMmax700KNm，所以輥鍛機是安全的。,參數(shù)化建模,利用PROE強大的三維造型功能對鍛模進行參數(shù)化建模。首先設(shè)計預(yù)鍛件和終鍛件，分別如下圖所示：,預(yù)鍛件圖,終鍛件圖,預(yù)鍛上模預(yù)鍛下模,終鍛上模終鍛下模,3、模鍛數(shù)值模擬過程分析,1）預(yù)鍛模擬結(jié)果分析,預(yù)鍛件成形圖,預(yù)鍛模具受力曲線圖,預(yù)鍛打擊力曲線,終鍛件成形圖,終鍛受力曲線圖,最大打擊力為120000KN,終鍛打擊力曲線,最高溫度約為1090,終鍛鍛件溫度場圖,終鍛鍛件溫度場圖,3）彎曲模擬結(jié)果分析,在現(xiàn)場生產(chǎn)過程中切邊很少出現(xiàn)問題，所以沒有進行切邊模擬。利用PROE進行三維造型，造型切邊后的鍛件如下圖所示，利用此三維圖進行彎曲模擬。,終鍛件三維圖,鍛件彎曲成形圖,彎曲壓下力曲線圖,最大壓力約為1200KN,彎曲壓下力曲線,模擬動畫,工藝試驗,試驗條件如下：坯料材料:45鋼坯料參數(shù):160810模具材料:5CrNiMo坯料加熱溫：1200主要試驗設(shè)備:a)750KW中頻加熱爐；b)1000輥鍛機；c)6300T摩擦壓力機；d)1000T摩擦壓力機；e）簡易油壓機,加強型自動輥鍛機,安裝在輥鍛機上的模具,第四道輥鍛件,63000kN摩擦壓力機,10000kN摩擦壓力機,實際工藝流程,圓棒料經(jīng)過750KW中頻加熱爐一次加熱，出爐熱鍛件出爐時溫度1200左右；熱坯料送到1000輥鍛機進行四道次輥鍛；把熱輥鍛件送到63000kN摩擦壓力機進行預(yù)鍛和終鍛；送料小車把終鍛件送到10000kN摩擦壓力機切邊；用送料小車把鍛件送到油壓機進行彎曲用自制液壓裝置進行熱校正；最后進行焊接、機加工、熱處理和拋丸等工序，最終得到合格零件。,各工步的鍛件如下圖：,第四道輥鍛件,預(yù)鍛件,終鍛件,切邊后合格終鍛件,彎曲后合格鍛件,鉤尾框熱彎曲件和合格產(chǎn)品,問題與解決辦法,第四道輥鍛件彎曲分析熱鍛件直接送到1000輥鍛機進行四道次輥鍛，由圖6可知，輥鍛后鍛件在機械手夾持端鍛件平板處有向下彎曲的現(xiàn)象，對此進行分析產(chǎn)生彎曲的原因。初步分析，在鍛件自身重力作用下鍛件彎曲處抗彎強度不夠，使之產(chǎn)生彎曲。建立一個鍛件在高溫（1050）時懸臂梁數(shù)學(xué)模型，如下圖12所示。,圖12懸臂梁數(shù)學(xué)模型,用材料力學(xué)理論計算此梁危險截面的抗彎強度，最大應(yīng)力大于抗彎強度（鍛件在1050時的真實應(yīng)力）時，就要發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生彎曲。經(jīng)計算得，160.1Mpa.100Mpa，所以鍛件在危險截面處必然彎曲。,目前解決方法是，在第四道次輥鍛結(jié)束時立刻將機械手旋轉(zhuǎn)90，在這種狀態(tài)下進行分析在危險截面處是否仍然產(chǎn)生彎曲，建立一個鍛件在高溫（1050）時懸臂梁數(shù)學(xué)模型如下圖所示。計算得，最大應(yīng)力為44.2Mpa遠小于抗彎強度100Mpa，所以鍛件在危險截面處不產(chǎn)生彎曲。,輥鍛機上的自動托料裝置,問題和解決辦法,第四道水平方向彎曲問題加后導(dǎo)衛(wèi)板；第四道輥鍛過程中悶車調(diào)整第三、四道輥鍛的匹配關(guān)系終鍛時耳朵充不滿調(diào)整預(yù)鍛模膛的形狀,目錄,1項目背景簡介2鉤尾框材料工藝的發(fā)展3技術(shù)方案的確定417型鉤尾框成形過程的數(shù)值模擬5工藝試驗與工藝調(diào)試6生產(chǎn)應(yīng)用情況7存在問題和解決辦法8結(jié)論,主要設(shè)備配置如下,1）750kW中頻加熱爐用于加熱