大型環軌鍛件制造工藝研究

文／任文·太原重工鍛造分公司

馬紅翠·山西長鋒公司

大型環軌鍛件制造工藝研究

文／任文·太原重工鍛造分公司

馬紅翠·山西長鋒公司

環軌類鍛件的傳統鍛造工藝方案有兩種：第一種是先經過鍛造成方條形狀，再機加工成圓弧形狀；第二種是先經過鍛造成方條形狀，再進行冷彎曲成形。第一種工藝方案不僅鍛件料凈比大、生產成本高，而且車削加工后打斷了金屬纖維方向，零件的力學性能會受到影響，另外此工藝方案也只適用于小型環軌。第二種工藝方案生產周期長，而且冷彎曲后易形成裂紋折疊等缺陷。隨著我公司環軌產品的訂貨不斷增多，尤其是有批量的大型環軌產品，這就要求我公司必須改變傳統工藝，制造合適的模具和工裝，采取熱彎曲成形的工藝方法，克服傳統工藝的不足。研制出一套成熟的鍛造成形、模具制作、調質處理工藝，不僅能保質保量按期交貨，而且為公司后期生產環軌類鍛件市場打下基礎。

產品主要技術參數及指標

本批環軌產品材質為34CrNi1Mo，成品環軌組合后外徑為15700mm，截面尺寸210mm×208mm。

材料為34CrNi1Mo熔煉分析要求見表1。

鍛件生產過程

鍛件原材料的控制

原材料回廠后取樣并委托理化中心進行檢測，包括原材料的化學成分和金相檢測。化學成分檢測結果如表2所示。

表1 熔煉分析（質量分數：%）

我公司實際采購鋼錠的化學成分中，P、S、Cu等有害元素的含量遠低于標準要求，且其余金屬元素基本都控制在標準要求的中間值附近。

金相檢驗結果見表3和表4。

檢測結果顯示，晶粒度為5.0級；組織為粒狀珠光體；帶狀組織級別為0.5級。

無皮下氣泡、裂紋、翻皮，無非金屬夾雜及夾渣，無異金屬夾雜物。

模具和工裝的制造

通過計算機模擬和精確計算，設計出鍛造環軌用上下模具（見圖1），為保證模具的耐久性，模具材料使用5CrMnMo。由于環軌鍛件長度較長且截面小，熱狀態下極易因自身重力發生變形，我分公司特制工裝（見圖2），原理是工裝中間開一個與鍛件截面相同的方眼，鍛造時利用工具緊緊套住坯料的一端，操作機夾住另一端，以下砧子為支點，以三點定一平面的原理，既防止修整中發生熱變形，又防止出現大晃動和偏移。另外制作鐵皮樣板，弧度尺寸與圖紙尺寸相符，便于在熱彎成形時測量鍛件弧度是否合格。

表2 化學成分檢測結果（質量分數：%）

表3 非金屬夾雜物

表4 材料低倍級別檢測結果

圖1 鍛造環軌用上下模具

圖2 特制工裝

圖3 環軌鍛件鍛造尺寸

環軌的鍛造成形

環軌鍛件鍛造尺寸見圖3。

工藝方案為：鋼錠拔長并下料至規格為6500mm×245mm×245mm的方坯，要求表面質量良好，不得有裂紋折疊等缺陷；再進行熱壓彎成形，壓彎始鍛溫度800～850℃，由專用模具進行壓彎，并利用鐵皮樣板紅檢。

鍛造步驟：第一步，先從坯料中部開始下壓，并以大約半砧子尺寸的送進量直至坯料的一端部全部壓彎；第二步，水壓機操作機夾住已壓彎的一端，仍先從坯料中部開始下壓，以大約半砧子尺寸的送進量直至坯料的另一端部全部壓彎；第三步修整，利用特制的工具套住坯料的一端，操作機夾住另一端，以下砧子為支點，以三點定一平面的原理，既防止修整中發生熱變形，又防止出現大晃動和偏移。

環軌的熱處理

⑴環軌鍛后進行消應力退火處理，退火溫度550℃，保溫時間7h，冷卻速度≤25℃/h，爐溫低于200℃時出爐。鍛后消應力退火曲線見圖4。

⑵環軌毛坯粗加工后進行調質處理，調質處理時應利用臺車煤氣爐加熱，裝爐時注意裝盤墊平，防止熱處理變形。調質后，利用劃線平臺及地軌進行二次劃線，準確檢測變形量及加工余量，確保產品一次性合格。調質處理后進行硬度及力學性能檢測。對熱處理變形較大的鍛件用1250t水壓機進行直彎處理，直彎時加熱溫度不超過520℃。調質處理工藝見圖5。

檢測結果

圖4 鍛后消應力退火曲線

圖5 調質處理工藝曲線

⑴調質處理后在環軌本體取樣進行力學性能檢測，力學性能檢測全部符合技術要求，具體數值見表5。

⑵調質處理后對環軌鍛件進行100%UT和MT探傷，全部符合標準要求。

表5 力學性能檢測

開發設計關鍵點

材料控制

質量優秀的原材料是確保產品成功的關鍵因素之一。我公司經過研究分析，為保證鍛件質量和試驗成功率，又進一步優化原材料成分范圍和金相組織要求。原材料的冶煉方法為采用電爐+精煉+真空脫氣，嚴格控制原材料的化學成分、高低倍檢測情況。

鍛造模具

鍛造模具和工裝在鍛造過程中起到改變尺寸和形狀的重要作用，我公司在設計模具時，技術人員充分考慮環軌外形尺寸和形狀，經過精確計算設計出試制模具，試制模具的尺寸和輪廓與鍛件圖完全吻合。

鍛造成形

原材料鍛造時，必須保證鍛件各個表面的平整，不得有折疊、裂紋等缺陷，防止缺陷在后續壓彎和熱處理過程中擴大和延伸。使用上下平砧，嚴格控制壓下量，做到小壓下量快鍛。壓彎工序始鍛溫度不能過高，防止晶粒粗大，初步定為850℃。壓彎過程操作機、水壓機、起重機必須緊密配合，統一指揮，嚴格執行鍛造工藝、充分利用模具生產，技術人員現場跟蹤服務，發現問題及時進行總結。

鍛后消應力處理和調質處理

鍛件鍛后有熱應力和組織應力，必須進行消應力處理。鍛件粗加工后進行調質處理，本道工序的關鍵是既必須保證熱處理后力學性能符合要求，又要保證環軌鍛件變形小，不能尺寸超差。圖6為調質處理后環軌，圖7為最終成品。

圖6 調質處理后環軌

圖7 最終成品

結束語

通過環軌鍛件關鍵技術的精準分析和嚴謹的生產過程控制，不僅整個生產過程中鍛件無裂紋、折疊、晶粒粗大等缺陷，探傷合格，力學性能滿足技術要求，而且節省原材料，減少了生產工序，完全滿足用戶的訂貨要求。同時我公司積累了寶貴的技術能力和生產經驗，為今后生產環軌類鍛件打下基礎。