火車驅動齒輪的鍛造工藝研究

文／徐光順，邸偉佳，劉巧紅，陸亞娟·張家港海陸環形鍛件有限公司

火車驅動齒輪的鍛造工藝研究

文／徐光順，邸偉佳，劉巧紅，陸亞娟·張家港海陸環形鍛件有限公司

市場分析

我國從1997年第一次鐵路大提速以來.機車提速后對火車驅動齒輪的強韌性、耐磨性、抗熱裂性、抗疲勞性和抗剝離性等性能提出了更高的要求。因此.研究火車驅動齒輪環鍛件成形工藝.提升該鍛件的綜合質里.制造優質的火車驅動齒輪是實現鐵路運輸和提速的有力保證。

火車驅動齒輪是火車的重要零部件.對火車的安全性及鐵路系統的安全性起到至關重要的作用。但是.目前國內生產的17CrNiMo6等滲碳鋼齒圈仍存在諸多問題.例如心部性能差、鍛件組織不均勻導致滲碳淬火時.齒圈出現畸變、開裂等現象。鍛造產品具有很多優點.內部組織比較均勻、晶粒細化、組織存在纖維方向等等.因此鍛件的許多力學性能要遠高于鑄件及焊接件。因此通過鍛造方式來生產該零件市場潛力巨大。

鍛件工藝可行性分析

驅動齒輪（圖1）是火車上的重要零部件.這要求鍛件有一定的強度、耐磨性.才能保證零件的性能達到要求。我公司結合自身情況.對生產該鍛件制定了以下生產工藝：

⑴在鋼錠的可鍛溫度區間內采用十字交叉鍛造工藝.確保17CrNiMo6鍛件在可鍛溫度區間內達到所需的變形里.使鋼錠鍛透且變形里均勻。

⑵通過ABAQUS軟件三維仿真模擬軸徑向軋制過程、芯輥徑向進給速度曲線.以優化模具幾何尺寸及軋制工藝參數。

⑶根據材料的特性設計合理的動態階梯升溫曲線.確保鍛件表面與心部溫度一致.組織均勻。

⑷根據零件尺寸圖.設計近凈成形軋制技術。

圖1 火車驅動齒輪三維圖

具體工藝過程

下料裝爐加熱

對采購的原材料進行嚴格的化學成分分析和表面缺陷檢查.選擇符合要求的鋼錠.確保鍛件的各種性能達到要求.尤其是耐熱的要求。選擇鋸床下料的方式確保棒材的表面切割質里和尺寸精度。鋸床下料不僅能提高生產效率.而且還能節約成本.操作簡便。

鋸好的坯料裝爐時要保持適當間距.將坯料底部墊空.以防止加熱后坯料出現“陰陽面”.避免出現坯料上下溫度不一致的情況.從而影響制坯過程或者造成鍛件內部組織性能不同。嚴格控制始終鍛溫度.使鍛件得到良好的綜合力學性能。

設備方面

由于零件尺寸不大.所需成形壓力較小.選擇1600t水壓機作為壓力設備即可。水壓機具有鍛造加壓速度快.環境污染小等優點.很適合小鍛件的制坯。軋制設備選擇直徑為3m的數控輾環機。該設備操作簡單.工作效率高。

鍛件成形工藝

通過研究零件的尺寸.綜合考慮成本、材料成形和設備等方面的因素.確定了以中軸線以上為矩形.中軸線以下為內凹輪緣形狀的鍛件形狀.如圖2b所示。此驅動齒輪內側有一個內伸的臺階.且靠近輪面的一側.輪面的另一側雖然也是凹面輪緣形.但由于沒有此小臺階.因此可以設計成矩形。為了保證此小臺階能夠順利成形.并且節約材料.輪面另一側設計成凹面形。經過計算.此成形方案與上下兩側均是異形方案（圖2a）相比.節省材料近40kg；從成形角度來分析.根據最小阻力定律.單側異形要比兩側異形成形容易.而且還能減少模具的復雜程度和加工成本。

鍛模

為保證鍛件的尺寸精度和性能要求.采用軸向和徑向結合的軋制方式。遵循模具設計的一般原則.根據上述成形方案.參照模擬的結果和生產實踐經驗.采用圖3所示的成形工藝.該成形工藝包括下料→鐓粗→下沖頭沖孔→沖透孔→專用主模+芯輥軋制成形。

圖2 兩種異形軋制鍛件截面圖

圖3 鍛件軋制工藝流程

輪緣水平部分的最大成形距離在110mm左右.為增大一次成形的幾率.在進行正式軋制前.在制坯過程中先進行一下預成形.即通過修改下沖頭.設計成臺階形狀.在毛坯的下側預成形出輪緣形狀.減小軋制過程對輾環機的要求和軋制難度.同時在沖孔下砧板上放置了墊圈.如圖4a、b所示.以防止在沖心料的過程中導致臺階沖頭因成形力過大而變形。專用臺階沖頭和墊圈的結合處設置了7。的斜角.以利于拔模。

圖4 專用臺階沖頭和墊圈

ABAQUS仿真模擬

在進行正式軋制之前.運用ABAQUS有限元軟件進行了軋制過程的模擬.圖5為鍛件的應力分布云圖.從圖中可以看出.內孔和內側的輪緣表面成形所需的軋制力較小.而外側的成形力較大.從成形面積上看.外側的變形面積較大.內側的變形面積較小.所以內側的成形力要小于外側；圖6為鍛件的應變分布云圖.應變大小的變化情況基本符合對應力的分析。由軋制過程可知.在主驅動輥和芯輥的作用下.外表面和內表面同時產生應變.隨著軋制過程的進行.外側金屬的流動要大于內側.產生的變形里較大.相應的應變要大于內側。應變的變化規律和實際軋制過程的鍛件成形規律基本吻合.即從內向外隨著變形里的增大.相應的應變也隨之增大.二者呈現出正相關的關系。軋制過程的軋制力隨時間變化的曲線如圖7所示.在經過尺寸逐漸增大的過程后.軋制力慢慢趨于穩定.但仍然是一個波動的過程。

圖5 應力分布云圖

圖6 應變分布云圖

圖7 軋制力隨時間變化曲線

設置上述工藝條件下的模擬參數.主輥直徑為φ1025mm/φ556mm.芯輥主徑為φ230mm.工作直徑為φ440mm.徑向進給速度為2.5mm/s.軋制時間為28s.主輥轉速為20r/min.摩擦因子為0.3.軋制溫度區間在850～1150℃之間。運用軟件進行軋制過程的相關模擬.不僅可以驗證工藝方案的可行性.還能通過模擬給出的參數對實際的軋制過程進行指導.為軋制出理想外觀尺寸的鍛件提供了科學的參考依據。

鍛件實際軋制情況

通過以上的工藝分析和軟件的模擬仿真.證明采用單側異形的軋制方案是可行的.根據前期試制的兩件鍛件（圖8）.測里顯示內徑型腔高度偏低.與設計的坯形尺寸有出入.并帶有一圈凹槽.凹槽深度為10mm.寬度為5mm。經過分析.臺階沖頭的臺階高度偏低.導致制坯高度不夠.軋制時與異形芯輥不匹配.最終無法軋制出設計的鍛件。通過重新設計臺階沖頭的高度.改進墊圈外觀.增加與毛坯的配合度.又進行了兩件試制.產品如圖9所示。

圖8 試制鍛件

圖9 第二次試制鍛件圖

經過改進后.鍛件的內槽表面質里明顯變好。凹槽的深度明顯減小.證明以上的工藝改進是正確的.圖10是第二次試制產品的尺寸測里數據圖.圖11是精加工后的產品。

圖10 二次試制產品的尺寸測里圖

圖11 精加工成品圖

結束語

目前.鐵路運行行業正處在高速發展的時期.國家對于高鐵的投資力度越來越大.相應的對鐵路機車整體質里也提出了更高的要求.作為部分機件產品的生產方.良好的質里承擔著巨大的社會責任.也創造著巨大的社會經濟財富。通過采用先進技術讓產品的質里上一個新的臺階.不僅是企業追求的目標.也是國家和社會發展的需要。該火車驅動齒輪環鍛件的成功開發.預計年銷售額近千萬元.在創造巨大社會財富的同時.也給國家的技術進步做出了應有的貢獻。

徐光順.助理工程師.主要從事新材料性能提高、異形環鍛件產品開發、模具設計和軋制新工藝的研究.參與完成多種異形環鍛件產品的開發和大型設備研發。