铁路货车锻造钩舌两火模锻成形工艺研究

第44卷第!期锻压装备与制造技术
Vol.44No.6CHINA METALFORMING EQUIPMENT&MANUFACTURING TECHNOLOGY Dec.2020铁路货车锻造钩舌两火模锻成形工艺研究
唐振英，温建利，唐林，陈明达
(中车齐齐哈尔车辆有限责任公司，黑龙江齐齐哈尔161002)
摘要:锻造钩舌是铁路货车车钩的关键牵引部件，该产品截面变化大，形状复杂，产品尺寸要求高，存在不容易锻造的薄筋。

为克服之前采用的自由锻制坯-模锻工艺加热火次多、生产成本高等缺点，本文结合6300t热模锻压力机生产线的特点，采用数值模拟技术开发出了钩舌在6300*热模锻压力机上两火锻造成形工艺。

通过模拟研究结果显示，钩舌两火锻造成形，预锻、终锻温度都在材料允许锻造温度范围内，锻比满足钩舌成形要求,且各工步模拟载荷都在设备额定载荷范围之内。

通过现场试验，锻件充型饱满且质量稳定可靠，较之前采用的锻造工艺减少了一火次锻造,有效的降低了生产成本并提升了锻造生产效率。

关键词:锻造钩舌;数值模拟；热模锻压力机;制坯;模锻
中图分类号:TG316.3文献标识码:A
D01：10.16316/j.issn.1672-0121.2020.06.023文章编号：1672-0121(2020)06-0093-07
钩舌位于机车车厢之间，起到传递载荷、保持车距以保证列车正常运行的作用。

钩舌与钩头、钩尾框以及缓冲器等组成车钩缓冲装置。

随着铁路货运不断向高速和重载方向发展，钩舌作为连接机车以及车辆的主要部件,受到更加强烈的摩擦、冲击以及交变载荷的作用力，由于钩舌的形状非常复杂，之前大都采用铸造工艺成形，但强度，铁路货
收稿日期:2020-07-28；修订日期:2020-08-29车进一步的提速和重载的需要，已逐渐被锻造成形工艺取代。

造钩舌具有很好的发展前景，然而锻造成形经验不，采用自由-成形工艺，加，造成和的大，具
重的，不加加工工，
使钩舌的组加工到。

芥造钩舌的重货运列车向高速、重载方向的发展以及的[1-2]o
Influence of initial temperature of die on
hot forming of high-strength steel thick plate
ZHENG Qiutong,WANG Min,ZHANG Hanbing
Hubei of$山＞72442000’H/hei Chi27)
Abstract：The study of the microstructure distribution and evolution of thick plate during hot forming and quenching process is of great significance for obtaining ideal mechanical properties of automotive thick plate. Taking the22MnB5steel plate with6mm thickness as an object,the finite element prediction model of martensite transformation during hot forming and quenching process has been established,while the influence of the distribution and evolution of the martensite structure of the thick plate at the initial temperature of the die(20-80V)has been analyzed.The results show that when the holding pressure is40MPa and the holding time is30s,the higher the initial temperature of the die is,the initial temperature of the die increases slightly,but the uniformity of the temperature distribution has not greatly been affected by the initial temper­ature of the die;the transformation rate of tensite decreases,and the distribution of martensite does not change much.From the perspective of the thickness direction,as the initial temperature of the die increases, the temperature of the sheet metal increases,while the martensite conversion rate decreases.In summary,a lower initial die temperature is conducive to the adequacy and efficiency of martensite transformation.
Key words：Hot forming;High-strength steel;Thick plate;Numerical simulation
第55卷
锻压裝备与制造技术
为了满足发达国家市场对锻造钩舌产品的需
求，同时为了降低锻造钩舌的生产制造成本,对钩舌
产品的锻造成形工艺进一步开发，结合6300t 热模锻 压力机生产线对锻造钩舌在该设备上的成形工艺进
行了研究，采用DEFORM 软件对锻造工艺方案进行
模拟研究，最终开发出了热模锻压力机上钩舌两火
锻造成形，并成功的完成了该产品的生产试制和批
量生产。

图1所示为锻造钩舌产品图，图2所示为
6300$热模锻压力机钩舌锻造生产线。

图1锻造钩舌产品
图2 6300$热模锻压力机生产线
1工艺方案的制定
1.1工艺分析
为了减少加工量和确保成形质量采用了立式锻
造的工艺方案，锻件毛坯如图3。

钩舌产品为难成形 的模锻件产品，产品截面尺寸变化较形 ，
且该产品尺寸求，在
锻造的薄筋。

①锻
造工艺性差，体表现为锻件截面积变化，最小截
面和最截面相近6 ;②钩舌 尺寸，
图3锻造钩舌锻件毛坯
圆角小，高度达到280mm ，过渡圆角仅为！3〜5mm ; ③ 减 形成的
达60mm ，宽度仅为
16mm ，难
成形;④S 面
面 的
面
， 造成
，
锻造工艺的设
加了难X 。

1・2 —次加热成形研究
对钩舌一火锻造成形工艺进行研究， 用
坯 DEFORM 软件对锻造工艺 进行
模拟。

钩舌一火成形锻造工艺
如图4所示。

工
艺 为 ！加热！
化！局部卡敦粗成
形！小
一!小
! 形
!锻一终锻！
o
钩舌一火成形采用 坯 时， 钩舌一火锻造成
形需要经过6个生产工步,最快生产节拍需要在90s
，坯 降低，锻成形上
的 所 体积 较小 降 ，
近终锻 °在终锻成形中，坯
和模具
热
锻 的
，终
锻上
在800；
，低终锻，
布也在终锻
范围 。

终锻件
太低,即影响 的热 质量,又会由
坯
的降低使得成形力急剧增加，加剧模
的，甚至造成模具的破坏。

采用6个成形工步无法在6300$热模锻压力机
工作面上布置，同时 锻成形终锻成形分
图4锻造钩舌一火成形工艺流程
唐振英，等:铁路货车锻造钩舌两火模锻成形工艺研究第6期
模面垂直,且预锻成形分模面有毛刺产生,在终锻成形中容易产生锻造缺陷。

基于以上研究,排除了在6300t热模锻压力机上一次加热成形的生产工艺方案。

1.3两次加热成形研究
针对一火成形工艺所存在的问题，我们提出6300$热模锻压力机上的钩舌两火锻造成形工艺，其工艺路线图如图5所f。

工艺流程为:下料！加热！去除氧化皮！局部S粗成形！一次压扁成形！二次压扁成形！整形！预锻！切边修磨！加热！去除氧化皮！终锻！切边修磨。

在两火成形工艺中，采用圆坯料。

采用钢塑性有对钩舌两火锻造成形程模拟研究円。

2两次加热模锻成形工艺方案模拟2.1几何模型建立
对两次加热模锻成形方案进行几何模型的建立，同时采用DEFORM软件对温度场和成形过程进工艺程模，中工一工的模。

模程流程图如图6所示，其模
程为：料和模具的温度！局部S粗成形程模拟！程料温度场模拟！一次压扁成形程模!程坯料温度模!二次压扁成形程模!程坯料温度模！整形工模拟！程坯料温度模！预锻成形过程模!终锻模具温度和料温度！终锻成形程模拟㈣。

2.2边界条件设定
根据实验所得25MnCrNiMo各项塑性指标，在模拟软件的材料属性模块中创建25MnCrNiM。

钢的料模。

分模中的边件主要包括热边界
加热、除磷
二火第二火
切边、打磨去除毛刺
图5钩舌两次模锻成形工艺流程翻转190：
第一火
局部s粗成形
程模
第一次压成
形程模
转运过程坯料
温度场模拟
第二次压扁成
形程模
程一料
温度模
8I
SS
醴
度
两次模锻成形过程模拟
6
图
第55卷锻压装备与制造技术
条件、摩擦条件和速度边界条件,其设定值如下2
221热边界条件
坯料初始锻造温度；设定原始坯料的加热温度为1200'〜1250+,考虑到坯料出炉后除磷以及运输过程中的温度降，在第一工步成形模拟时设定坯料初始锻造温度为1150,,其他各工步的温度均继承前一个工步的模拟计算结果。

模具温度:各工步模具初始温度设定为200-o环境温度:设置模拟过程中的环境温度为20.o对流换热系数取0.02N/s・mm*3;热传导系数llN/s^mm*4o
2.2.2摩擦条件
模拟过程选用剪切摩擦条件，摩擦系数设定0.3。

223速度边界条件
模具的速度边界条件按照图7(6300t热模锻压机程-速度设定。

呈
毎
輕
2.3预锻(第一火)成形模拟结果分析
2.3.1$成形过程的温度
锻成形各工步温度如图<o模 拟结果以出，各工步成形结后坯料表面温度低，心部温度高。

由成形过程中坯料与模具的模腔壁接触，再加之坯料与外界环境的对流换热,坯料的的热出，表为坯料在成形过程中表面温度的降低。

成形速度各工步时，坯料表面温度越低低温度。

坯料心部温度表面高，部温度高初始锻造温度，个锻造过程中高温度为H9&>，以坯料过。

由在锻造成形过程中，一部形为热，的热及时过坯料出，在坯料部以热的形
表出，坯料心部温度高。

成形速度，
，的热，坯料与界热换的时，热，坯料温度高，
温度场/I
1180
901
618
336
温度/°C
(b)第一次压篇成形后温度场分布图
温度场/L温度场/M
(c)第二次压篇成形后温度场分布图
温度场/N温度场/P
(d)整形后温度场分布图
温度/Q温度场/R
12101210
(e)预锻后温度场分布图
图8第一次模锻成形各工步温度场分布图此，在成形过程中成形速度[11；12]o
2.3.2等效应变分析
坯工步到锻成形结，各成形工步的效应变如图9所示。

从图中可以看出,各工步成形结后的均在0.5〜1之间，在锻成形结后
唐振英，等:铁路货车锻造钩舌两火模锻成形工艺研究
第6期
等效应变
等效应变等效应变
1.5 1 1.5 1
1.0
0-5“八5,
01
等$应变
(c)第二次压扁成形后等效应变场
(d)整形后等效应变场
等效应变
(a)局部墩粗成形后等效应变场
(e)预锻后等效应变场
图9第一次模锻成形各工步成形等效应变场分布图
累积等效应变在1-1以上，根据对数应变与锻比之间
的关系可以看出，预锻成形中，工件的锻比达到3以
上,满足成形要求问。

2.3.3各工步成形载荷分析
通过模拟计算，第一火成形过程中各工步的成
形力载荷与滑块行程之间的曲线关系如图10所示。

6300t 热模锻压力机生产锻造钩舌,其k 粗工步最大
载荷为8600kN ；第一次压扁工步最大载荷为
2580kN ；第二次压扁工步最大载荷为4400kN ；整形 工步最大载荷为14500kN ；预锻工步最大载荷为
46000kN 。

从成形载荷曲线可以看出,从制坯工步开
始到预锻成形结束，各工步成形载荷均没有超出
备载荷 载荷为63000kN )。

2.4终锻成形(第二火)模拟结果分析
2.4.1 ' 锻过程中的
分析
钩舌在终锻成形过程中坯料的速度场分布如图
11所示。

从模拟结果可以看出，变形开始阶段，属
以k 粗的方充满型腔。

形成，一到终
锻成形结束，
在很大的压力
以挤入的方
充满 锻模 ，
通过。

在整 成形过程中,金属流动稳定，没有出现
(a)局部k 粗成形力一位移曲线
(b)第一次压扁成形力一位移曲线
行程/mm
(c)第二次压扁成形力一位移曲线行程/mm
(d)整形成形力一位移曲线
(e)预锻成形力一位移曲线
图10
第一次模锻成形各工步成形力-位移曲线图
第55卷
锻压裝备与制造技术
速度场/mm 382024501270
1270
00
0度场/(mm • s -1)3820 耳
度场/ (mm • s -1) 3820 G
1270
24502450折叠等锻造缺陷。

242终锻过程的温度场分析
图11终锻成形过程速度场分布图
件大部分的等效应变在1左右，特别是上、下牵
等
变在1〜1.2左右，满足成形所 锻造比。

终锻成形是第二火成形，将预锻件切边修磨后
2.4.4 终锻成形 分析
重新放入到加热炉中加热到锻造温度，终锻过程坯
终锻成形过程中的成形载荷-位移曲线如图14
料的初始锻造温度为1150(,成形结束后工件的温
度场分布如图12所示。

从模拟计算结果可以看出， 终锻成形后工件的温度场分布规律与第一火各成形
工步温度场分布规律相同,工件表面温度降低,心部
温度升高，终锻最高温度为1190*,但不足以使坯料
产生过烧。

终锻成形过程中工件的变形时间短，热量 散失较少，温度场分布于预锻成形相比,从表面到心5000040000300002000010000
行程/mm
图14终锻成形力-位移曲线图
所示， 终锻
成形最大
为
43000.N 。

最
大成形
出
载荷范围部温度
2.4.3 等 变分析
图 12 终锻成形后温度场分布图
(该设备公
称载荷为63000.N )(
3 工艺试验
过工 模拟 , 成
了钩舌在6300t 热模锻
生产上的工 ，在
生产中 成 的生产 造,
如图15所示，
、生
产稳定。

采用改进的工艺方案有效的
提升了锻造效率，降低了加热火次，提高了材料利用
， 工 造成本。

终锻成形后工件的等效应变场分布如图13所 示。

从
模拟计算结果可以看到,成形结束后，
1.00.5
等 变1.5
图13终锻成形后等 变场分布图
4结论
(1)根据锻造钩舌的结构特点，结合6300t 热模
锻
特点，
6300t 热模锻压力
上两火锻造成形工。

2
火模锻成形工
模拟 ，结
果显示， 火锻造成形，预锻、终锻温度 在
料 温度 ，锻 足 成形 ， 各工
唐振英&等:铁路货车锻造钩舌两火模锻成形工艺研究
第6期
图15工艺优化后生产的钩舌锻件图
步模拟载荷都在设备额定范围之内。

(3
)通过现场工艺试验;充型饱满；最终产品尺
寸合格且质量稳定；采用改进的工艺方案有效提升 锻造效率;降低成本。

参考文献：
[I] 姜 岩,于跃斌，等•我国铁路货车钩缓技术发展及展望(待续)
[J] •铁道车辆,2(13,51(1():14—16.
⑵ 李晓峰，刘敬刚，王 文•钩舌结构分析及优化设计[J].铁道机车
车辆,2(10,(1):22-24.
⑶ 唐振英，唐 林,赵增华，等•铁路货车锻造钩舌成形工艺及数值
模拟优化[J].锻压技术,2012,( 3):11-14.
[4]
卜文学,赵增华，杨 勇，等.F51AE 型钩舌的锻造工艺分析及模
具设计[J].锻压技术,2(13, (5):29-32.
[5]
吕丽萍•有限元方法及其在锻压工程中的应用[M]•西安:西北工业 大学出版社，1989.
[6]
田柱平，郝南海,卢志勇•塑性成形过程三维刚塑性有限元模拟软 件开发[J]•太原重型机械学院学报,1998,19(12)： 281-289.
[7] 中国锻压协会•锻压工艺模拟[M]•北京:国防工业出版社,2((9.
[8]
张 莉,李升军.Deform 在金属塑性成形中的应用[M].北京:机械
工
, 2((9.
[9]
王以华，吕景林,姜剑敏，等•锻模设计技术及实例[M].北京:机
工
, 2((9.
[1(]张学奇，董万鹏，苏 铉，等•基于Deform-3D 的花键轴叉热锻成
工艺 [J]. 锻压技术,2(17,42(1) 5-9.
[II]
,刘 , ,等. 用 锻 成 工艺的
[J]. 锻压技术,2(17,42 4) 14-2(.
[12]李林鑫，银强,陈显均•基于DEFORM-3D 的半轴齿轮锻造工艺
优化设计与仿真分析[J]•锻压技术,2(18,43(3):26-3(.
The technical study of twice die Urging forming for forged knuckles of railway wagons
TANG Zhenying, WEN Jianli, TANG LIN, CHEN Mingda
(CRRC Qiqihar Rolling Stock Co., Ltd., Qiqihar 161002, Heilongjiang China )
Abstract ： The forged knuckle is the critical traction component of railway wagons.The product has great
change in cross-section and complex shape and precise size requirements,it exist thin ribs that was not easy to forge. In order to overcome the defects that multiple heating and higher cost produced by the process of open die forging to blank forming 一 die forging, this text is combined with the characters of the 6300t hot
die forging press product line,applied the numerical simulation technology,we exploited twice heating forging forming process. Through the simulate research show that the knuckle temperature including twice heating
forging forming and preforming and finish forging is located in the range of material forging temperature,the forging ratio is satisfied with the requirements of knuckle forming , the simulated load of each step is under
the load rating of equipment. Through the field trial,the forging is filled full and has stability and reliability
quality,comparing the former forging process, it reduces once heating forging.it cuts down the cost of produc ­tion and elevates the forging product effectively.
Key words ： Forging knuckles; Numerical simulation; Hot die forging press; Blank; Die forging。