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原文传递钩尾框成形辊锻工艺弯曲缺陷分析及工艺优化

论文题名：	钩尾框成形辊锻工艺弯曲缺陷分析及工艺优化
关键词：	铁路货运列车;钩尾框;成形辊锻;弯曲缺陷;有限元分析;变形机理;控制方法
摘要：	钩尾框是铁路运输车钩缓冲装置的重要组成部分，在车辆牵引、连挂和缓冲时，钩尾框将完成车辆间纵向力的传递。近年来，铁路在货运运输领域实施了重载与提速并举战略，有力推动了铁路货运列车生产技术迅速提高和车辆性能的不断升级。由于钩尾框承受纵向冲击力最大，因此其质量的好坏是火车是否能安全运行的关键。现在越来越多的相关试验研究工作在开展，而钩尾框的生产也逐渐由原本的铸造钩尾框向锻造钩尾框发展。通过锻造工艺生产的钩尾框质保期由8年提高到25年。然而，钩尾框结构复杂，锻造工艺难度大，为了降低所需设备吨位以及实现工艺可行性，钩尾框锻造一般采用框体展开模锻成形加弯曲工艺，最后通过焊接工艺将锻件头部两侧焊接连接板的工艺方案。　　13B钩尾框由两端头、两端连接板以及中间本体组成，其中两端头形状尺寸不同，连接板宽而薄，截面起伏大。若采用精密成形辊锻加局部模锻工艺，在辊锻工序中完成连接板全部成形以及中间本体部分成形，在模锻中只成形两端头及中间本体，可以大大地降低模锻时的成形载荷，符合我国节能减材的要求。　　成形辊锻虽然在减材和降低能耗方面有诸多优势，但锻件的成形质量容易受到温度、摩擦条件、辊锻速度、孔型结构等的影响，实际成形结果与设计有不同，需要较长时间的现场调试和多次修模。在本文中所研究的13B钩尾框锻件辊锻工艺中在小头连接板与中间本体过渡区出现严重的弯曲等缺陷，导致辊锻件不能满足后续模锻生产的需要，出现报废情况。本文以13B钩尾框四道次成形辊锻过程为研究对象，针对辊锻中出现弯曲缺陷，利用有限元分析软件建立精密的有限元分析模型，研究成形辊锻过程中金属变形，分析缺陷出现的机理，寻找缺陷控制的方法。论文主要内容如下：　　①建立钩尾框成形辊锻的有限元模型，对辊锻过程进行数值模拟仿真，通过模拟结果与实际结果的对比，确定模型的可靠性；通过对模拟结果中温度场、应变场分布，以及辊锻载荷的变化，获得辊锻过程的总体认识。　　②分析了辊锻过程中金属变形过程，发现辊锻弯曲缺陷产生的原因主要是是中间本体上下表面延伸不同以及模具与辊锻件特征段不匹配，在连接板过渡区上下表面 X向分别产生大小相等的压应力和拉应力，在上下表面应力形成的力偶的作用下因扭曲变形而出现弯曲缺陷。而模具与辊锻件特征不匹配问题则是由第二、第三道次连接板充填不满、第三、第四道次中间本体打滑以及第三道次中间本体与小头连接板过渡区打滑而共同作用而引起的。　　③针对弯曲缺陷出现的原因的分析，对辊锻工艺及模具结构进行修改优化。首先，对连接板和中间本体单特征段的金属充填情况进行优化。对于连接板部分，在第二道次提出立椭圆型腔结构。这种结构的应用不仅可以保证第二道次金属充满模具型槽，增加辊锻稳定性；而且可以确保第三道次金属对型槽的充填。对中间本体部分，将第三道次型腔结构设计为不对称结构，这样既可以消除第三道次的打滑问题，又可以分担第四道次型腔不对称而引起的附加应力。然后，修改第三道次中间本体与连接板过渡形式，将原来的直线连接修改为圆弧过渡形式，增加变形时坯料与模具的接触面积和压下量，消除过渡区的打滑问题。第三，重新计算模具纵向尺寸时，在体积不变的前提下，考虑型腔的充不满率，在计算锻件截面积和长度时将型腔的充填率取值99％，同时根据模拟结果对各特征段取不同的前滑值，尽量保证纵向长度的匹配性。最后，在第三、第四道次后端增加导向槽，防止后端坯料向下弯曲与模具干涉。　　通过本课题的研究，解决了13B钩尾框成形辊锻中出现的弯曲缺陷，为企业后续生产优化提供可靠的基础。同时，论文的研究结果对于其他类型的零件的辊锻工艺提供设计的参考依据，加速辊锻工艺的发展和应用。
作者：	刘旭光
专业：	材料加工工程
导师：	周杰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文