滑动叉是轨道交通内燃机车上用于传递扭矩的零件，采用模锻工艺成型。滑动叉形状复杂，一端为杆，另一端为叉头，如图1所示。原模锻工艺为1模1件，在终锻前使用自由锻锤对坯料进行预制，使其形状接近模膛形状。自由锻制坯过程可控性较差，制坯尺寸精度低，不易满足工艺要求，且生产效率低，劳动强度大。预制坯在模膛内摆放时，无法保证其有效定位，上述不稳定因素易使锻件出现废品。
图1 滑动叉零件及锻件图
现采用1模2件合锻工艺，将2个锻件的叉口对合，形成一个圆环，消除原锻件的叉头形状。合锻工艺锻件形状为中心对称阶梯轴，形状相对简单，锻造工艺流程为：下料→加热→制坯→终锻→切边→检查。锻造时在压力机上制坯，解决了原工艺易出现折叠等质量问题，操作简便可靠，效率高，可节约原材料和锻造工时。滑动叉锻件质量为24.5 kg，总长为247 mm，杆部直径φ116 mm。原工艺为：下料（坯料规格150 mm×150 mm）、加热、10 kN自由锻锤预制坯、加热、25 000 kN压力机模锻、切边、热处理，其中10 kN自由锻锤预制坯和25 000 kN压力机模锻工序均需要6名操作工。预制坯工艺变形过程如图2所示，先使用压棍在方坯上定位3处凹槽，再锻出叉口形状，最后拔长杆部，使预制坯形状接近锻件形状，其过程复杂，生产效率低，劳动强度大。采用自由锻工艺制坯，锻件形状尺寸由操作工控制，变形体之间尺寸差异较大，终锻时部分变形体叉口部位无法放置在模膛内（见图3），叉头部位翘起，杆部下沉，导致金属在填充上、下模膛时流动紊乱，造成叉头处折叠缺陷，如图4所示。
图2 预制坯过程
图3 变形体在模膛外
图4 叉头处折叠缺陷将2个滑动叉叉头对接，拼凑为新的形状，如图5所示。锻件两侧杆部呈长轴类回转体，中间为不完全球体，避免了原工艺锻件的叉口形状设计，预变形过程更为简单。锻件的重心与几何中心重合，能保证坯料平稳放置于模膛内，不发生偏斜，终锻时不易出现锻造缺陷且新工艺锻件更容易定位、装夹。将锻件整体车削后，再从中间锯切，节约了加工工时，提升了加工效率。
图5 新工艺锻件三维模型锻件形状呈中心对称分布，选取锻件高度1/2处平面为锻件分模面，为便于锻件顺利脱模，设定锻件外拔模斜度为5°，内拔模斜度为7°，内孔拔模斜度为10°。考虑锻件的复杂程度、后续锯切工序及现场锻制能力等因素，设定锻件高度及宽度方向单面加工余量为4 mm，长度方向单面加工余量为12 mm。锻件中心孔内切直径d=φ118 mm，孔深h=66.5 mm。d/h＜2.5，采用平底连皮，如图6所示，结合车间以往生产经验，选取s=20 mm，R1=15 mm[1]。
图6 平底连皮计算锻件体积V1=6 381 cm3，锻件相应外轮廓包容体体积V2=13 374 cm3，锻件复杂系数k=V1/V2=0.48，复杂系数为k2级，锻件材质系数为M1级。参考GB/T 12362《钢制模锻件公差及加工余量》，确定锻件尺寸公差，绘制锻件图如图7所示[2]。
图7 新工艺锻件图根据生产经验，螺旋压力机公称压力选择可按公式（1）确定。式中：P——螺旋压力机公称压力，kN；K——系数，锻件轮廓比较简单时，约为50 kN/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），cm2；q——变形系数，变形程度不大的锻件取1.3。锻件在分模面上的投影面积为706 cm2，飞边槽设计宽度为30 mm，充满系数约为0.7，飞边面积为411 cm2。P=50×（706+411）/1.3=42 961 kN，采用2～3次打击成型，则按计算值减小一半，车间有25 000 kN高能螺旋压力机，打击能力满足成型要求[3]。根据平面变形假设，绘制计算毛坯图如图8所示，根据毛坯截面积变化曲线，使用微积分计算毛坯的体积。分段计算结果为：L1=132 mm，V1=1 570 cm3；L2=38 mm，V2=552 cm3；L3=154 mm，V3=2 512 cm3，总体积V计= 2V1+2V2+ V3=6 756 cm3，质量m计=54 kg[4]。
图8 计算毛坯图新工艺锻件形状简单，不需要复杂的预制坯过程，可直接使用25 000 kN压力机对规格为φ150 mm圆钢进行制坯，且终锻时模膛更容易被充满。将圆钢拔长至截面形状为矩形的阶梯轴，结合计算毛坯图截面积沿锻件轴线分布情况，绘制预变形图如图9所示。根据预变形图尺寸计算预变形体质量m体=56 kg，m体与m计相差不大，预变形工艺设计合理[5]。
图9 预变形图终锻工装模膛根据热锻件进行设计，热锻件的尺寸即为模膛尺寸，终锻工装结构如图10所示[6]。
图10 终锻工装结构根据预变形图设计25 000 kN压力机预变形工装，为了使圆钢在拔长变形过程中，金属更易沿轴向流动，将台阶过渡圆角设计为R30 mm，过渡斜面为40°。将φ150 mm圆钢毛坯放置在预变形工装下模上，完成第1次打击变形后，毛坯翻转90°完成第2次打击变形。圆钢毛坯经过2次打击达到预变形图规定形状尺寸后，放置在终锻模膛内，完成终锻成型。工装设计时要注意模块承击面所受应力，防止分型面压陷或压崩，工装材料选用5CrMnMo，按公式（2）对工装强度进行校核，σ=25 000 000/（660×340）=111.4 MPa<350 MPa，承击面满足要求[6]。式中：σ——工装底部单位面积所承受应力，MPa； P——设备公称压力，N；F——工装底面实际面积，mm2。主要分析预变形和终锻成型过程。对预变形工装、终锻工装及规格为φ150 mm圆钢三维实体建模，定义工装为刚性体，圆钢毛坯为塑性体。忽略毛坯和工装之间的热交换，减少计算时间，定义设备为25 000 kN压力机，摩擦系数为0.4，预变形体温度为1 150 ℃，工装预热温度为250 ℃，设定网格边长为2 mm，计算步长为0.7 mm。建立拔长预变形及终锻成型有限元模型如图11所示[7]。
图11 有限元模型
进行第1次打击变形，当变形工装上胎模与圆钢毛坯接触后，继续下压51 mm，毛坯拔长至453 mm，再将毛坯翻转90°进行第2次打击变形，下压95 mm，毛坯拔长至484 mm。毛坯经2次变形后，尺寸符合工艺要求，如图12所示。选取B、D尺寸作为高度尺寸，将变形体放置在模膛内，进行终锻成型，经2次打击后金属能充满模膛，如图13所示。
图12 预变形分析
图13 终锻分析按拟定工艺进行试制生产，锻件和飞边总质量约54 kg。需进行1次加热，按经验取3%烧损量，计算下料质量为55.6 kg。参照有限元分析过程，使用25 000 kN压力机预变形工装进行预变形，预变形体能平稳放置在终锻模膛内，如图14所示。最后终锻成型、切边，经检查测量，尺寸满足工艺要求，无锻造折叠缺陷，实际试制结果与有限元分析结果相符，如图15所示。
图14 预变形体放置平稳
图15 试制结果原工艺与新工艺对比如表1所示。新工艺比原工艺少一次加热，减少了3%毛坯烧损，节约50%燃油消耗。新工艺省去了自由锻锤预制坯工序，节约50%人工成本，提升了生产效率。新工艺增加了 25 000 kN压力机预变形工装，但其简单不易损坏，成本可忽略。新工艺使毛坯在终锻前发生较大程度的变形，可有效清除加热产生的大量氧化皮，防止氧化皮垫伤锻件，新工艺1次成型2个锻件，延长了模具相对使用寿命。▍原文作者:于学海 1王大勇 2
▍作者单位：1. 大连机车车辆有限公司 铸锻分公司；2. 大连交通大学 轨道交通关键材料省重点实验室
来源：模具工业
