G1050 型中拉桿是鐵路貨車轉向架制動裝置中的關鍵部件之一，中拉桿兩端與固定杠桿和游動杠桿相連接(圖1)，起到傳遞制動力和緩解力的作用，LG1050 型中拉桿(圖2)作為升級換代產品，可以和三孔中拉桿進行完美互換，無論是制造成本，還是加工成本遠低于三孔中拉桿，重量更輕，結構更優化。

圖1 中拉桿(三孔)組裝示意圖

圖2 LG1050 型中拉桿

工藝制定

LG1050 型中拉桿為“兩頭大，中間細”的長桿類鍛件，截面積分布差異大，兩端頭部的截面積是中間桿部截面積的4 倍，鍛造毛坯重量為29.1kg，材質為20 鋼，鍛造毛坯總長度為1265mm。

當前工藝

目前，我公司采用1t 錘自由鍛的方式進行LG1050 型中拉桿生產，由于中拉桿兩端結構較復雜，鍛造時需用扣頭模、卡模1、卡模2、卡模3、 φ47mm 摔子和 φ45mm 摔子六套模具進行成形，兩端頭的鍛造時間占中拉桿整體鍛造時間的75%以上，單件鍛造時間為5min 左右，生產效率低，勞動強度大。

改進工藝

根據中拉桿的結構特點，制定了模鍛＋自由鍛復合鍛造工藝方案來代替自由鍛造方案，采用6300t 熱模鍛壓力機進行模鍛，利用模鍛將中拉桿兩端頭部鍛造出來，模鍛后，再采用自由鍛造對中間部位進行摔桿拔長，拔長后的最終中拉桿毛坯如圖3 所示。

圖3 LG1050 型中拉桿最終毛坯

鍛造工藝流程：鋸床下料→感應加熱→模鍛→切邊→打磨→感應加熱→自由鍛拔桿→校直→檢查、交出。

工藝設計

LG1050 型中拉桿中間桿部的尺寸為 φ45 +- 2 1mm，為了提高自由鍛摔桿的效率與質量，我們在模鍛毛坯上設計了長度為20mm、直徑為 φ46mm 的近似最終桿部尺寸的過渡段，如圖4 所示，兩端頭尺寸與最終成品尺寸一致。

圖4 LG1050 型中拉桿模鍛毛坯

LG1050 型中拉桿采用 φ90mm 的20 鋼進行下料，采用中頻感應爐進行加熱，中拉桿鍛模如圖5 所示，

圖5 LG1050 型中拉桿鍛模

中拉桿模鍛時分三個工位進行，利用模鍛前1 工位和2 工位將坯料進行拔長分料，1 工位預鍛后旋轉90°進行2 工位預鍛，2 工位預鍛后再翻轉90°進行3 工位終鍛。為了實現1、2 工位坯料定位、頂出以及工位間的翻轉，我們在模具上設計了具有自頂出功能的頂出器，不依靠設備的頂出系統。

工藝模擬

采用 Deform-3D 有限元模擬軟件對改進方案的模鍛過程進行模擬，模擬過程包括：搬運過程→1 工位預鍛→2 工位預鍛→終鍛。

搬運過程

中拉桿坯料前兩工位主要起到拔長分料的作用，坯料的溫度對拔長的尺寸影響很大，為了得到更加精確的模擬結果，對中拉桿模鍛全程進行溫度模擬，首先對坯料出爐到放置在1 工位模具上這段搬運過程的熱量變化進行模擬，這段過程的熱損失主要是由于坯料與空氣之間的熱傳遞造成的，坯料出爐溫度為1200℃，室溫為20℃，與空氣對流換熱系數為0.02 N/s·mm·℃，搬運過程時間為35s。溫度變化如圖6 所示，坯料表面溫度下降很快，由1200℃下降到1080℃，心部溫度也有所下降。

圖6 LG1050 型中拉桿坯料搬運過程的溫度變化

1 工位預鍛

繼承搬運過程的模擬結果，進行1 工位預鍛模擬，坯料網格劃分數量為118996 個；采用熱模鍛壓力機進行模擬，總行程為460mm，鍛造行程為41mm，曲軸旋轉速度為0.667rad/s，每步步進1mm，庫倫摩擦系數設定為0.3；選用材質的AISI-1020 材料進行模擬，上下模具溫度為150℃，坯料與模具熱傳導系數為11 N/s·mm·℃。

1 工位預鍛的初始位置如圖7 所示，坯料下料尺寸為 φ90mm×630mm，經過1 工位預鍛后，長度變為660mm，如圖8 所示。

圖7 1 工位預鍛的初始位置

圖8 1 工位預鍛的變形結果

2 工位預鍛

繼承1 工位預鍛的模擬結果，將坯料翻轉90°進行2 工位預鍛模擬，鍛造行程為76mm，其他前處理參數不變。2 工位預鍛的初始位置如圖9 所示，經過2 工位預鍛后，坯料長度變為720mm，如圖10 所示，坯料各部尺寸符合設計要求，無折疊缺陷，變形較為理想。

圖9 2 工位預鍛的初始位置

圖10 2 工位預鍛的變形結果

終鍛

繼承2 工位預鍛的模擬結果，將坯料翻轉90°進行終鍛模擬，鍛造行程為86mm，其他前處理參數不變。終鍛的初始位置，如圖11 所示，經過終鍛后，坯料各部充型完整，無鍛造缺陷，如圖12 所示。坯料終鍛后的溫度場分布，如圖13 所示。坯料兩端及中間的表面溫度為1070℃左右，過渡區域由于截面較小，溫度補償差，溫度降低到920℃左右，但仍符合終鍛溫度要求。由圖14 可以看出，坯料終鍛所需打擊力為305t，6300t 熱模鍛壓力機滿足鍛造要求。

圖11 終鍛的初始位置

圖12 終鍛的變形結果

圖13 終鍛后坯料的溫度場

圖14 中拉桿鍛造所需打擊力

工藝驗證

在確定工藝方案及完成工藝設計和模擬后，我公司用該工藝方案進行了試制和批量生產，通過模鍛得到中拉桿兩端頭部成形的模鍛毛坯，然后再采用自由鍛進行摔桿，最終得到成品，如圖15 所示。

圖15 LG1050 型中拉桿模鍛毛坯和成品毛坯

工藝優化

在中拉桿模鍛過程中，發現部分中拉桿頭部R5mm 圓角處存在缺肉問題，且多集中在下模圓角成形位置，如圖16 所示。通過對中拉桿鍛造過程進行分析，2 工位預鍛后的坯料放置在終鍛型腔內，坯料與型腔的接觸位置僅為 φ46mm 過渡位置，該位置是型腔的最高點，將整個毛坯墊起，使得坯料與頭部型腔產生較大距離，在鍛造過程中，金屬還未來得及填充圓角就從模具橋部跑出，造成圓角處沒有金屬填充，形成缺肉。針對這一問題，在不影響后續自由鍛工藝的前提下，我們對模具型腔進行了局部改動，將過渡段 φ46mm 尺寸改為□48mm，將2 工位頭部型腔深度尺寸由45mm 改為35mm，如圖17 所示，減小終鍛時坯料頭部與型腔的距離，優化后，解決了中拉桿圓角缺肉問題，返修率由10%降低到1%。

圖16 R5mm 圓角缺肉問題

圖17 2 工位型腔深度尺寸優化

結論

⑴采用模鍛+自由鍛的方式進行LG1050 型中拉桿生產，目前已經實現批量生產，相比于自由鍛造，中拉桿生產效率提高了4 倍，改善了作業環境，降低了生產成本及操作人員的勞動強度。

⑵針對R5mm 圓角缺肉問題，對模具型腔進行了局部改動，將過渡段 φ46mm 尺寸改為□48mm，將2 工位頭部型腔深度尺寸由45mm 改為35mm，減小終鍛時坯料頭部與型腔的距離，解決了中拉桿圓角缺肉問題。

作者簡歷

陳明達 ，鍛造分廠技術副廠長，高級工程師，主要從事鐵路貨車配件鍛造工藝及多元產品鍛造工藝開發。

——來源：《鍛造與沖壓》2020年第21期