軌道交通道岔滑床臺(tái)鍛件開發(fā)

文／羅天園·中車資陽(yáng)機(jī)車有限公司王飛·四川中車玉柴發(fā)動(dòng)機(jī)股份有限公司

中車資陽(yáng)機(jī)車有限公司鍛造事業(yè)部擁有40多年的鍛造歷史，主要生產(chǎn)及開發(fā)機(jī)車用鍛件、中低速柴油機(jī)連桿、風(fēng)機(jī)用葉片等鍛件，具備生產(chǎn)多類型鍛件的能力。隨著鐵路大提速及貨運(yùn)重載的需求變化，有用戶提出采用鍛件替代精鑄生產(chǎn)的道岔用滑床臺(tái)。我公司為壯大軌道市場(chǎng)鍛件產(chǎn)品，承接了該類產(chǎn)品的開發(fā)任務(wù)。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

本產(chǎn)品用于軌道交通道岔支撐，為道岔使用的易損件，具有較高的更換頻率。本鍛件開發(fā)之前，主要采用鑄造方式生產(chǎn)，隨著鐵路提速及鑄件質(zhì)量的不穩(wěn)定以及在用戶的要求下進(jìn)行了鍛造開發(fā)。本鍛件重量為12.5kg，適合我公司5t模鍛錘生產(chǎn)。產(chǎn)品多處尺寸為非加工且要求公差達(dá)到0.5mm，為國(guó)標(biāo)精密級(jí)鍛件，圖1所示為滑床臺(tái)鍛件三維模型。

從上述模型可以看出，鍛件形狀相對(duì)簡(jiǎn)單，但是在結(jié)構(gòu)及鍛造工藝性方面存在以下的技術(shù)難點(diǎn)：

⑴在圖1鍛件右端缺口處存在很薄的凸起，技術(shù)要求中對(duì)該部位有很高的尺寸要求，波動(dòng)范圍要求控制在0.5mm以內(nèi)。

⑵鍛件在厚度方向及周邊的加工余量極小，鍛件一旦錯(cuò)模有可能造成加工黑皮而報(bào)廢。同時(shí)出模斜度要求小于3°，給鍛件出模造成了困難。

⑶鍛件所有棱角R均為2mm，非常不利于金屬的流動(dòng)及工裝壽命的提高。

⑷由于鍛件局部很薄，鍛件切邊后將存在局部的翹曲，難以保證鍛件的尺寸要求。

圖1 滑床臺(tái)三維建模

工藝方案及工裝設(shè)計(jì)

⑴工藝流程確定。

本系列產(chǎn)品為我公司首次開發(fā)如此高精密級(jí)鍛件，針對(duì)上述提及的產(chǎn)品特點(diǎn)制定了如下的工藝流程：下料→加熱→模鍛（拍扁、預(yù)鍛、終鍛）→切邊→正火→拋丸、探傷、打磨→檢查→包裝。

⑵工藝參數(shù)選取及設(shè)備選取。

本鍛件重量12.5kg，通過三維建模測(cè)算鍛件最大截面積后，選取φ85mm的棒料進(jìn)行鍛造，同時(shí)為保證鍛件充型良好要求坯料與鍛件長(zhǎng)度接近一致，選用5t模鍛錘進(jìn)行鍛造。

⑶工裝布局。

鍛模設(shè)計(jì)采用3型腔布局方式，分別為拍扁平臺(tái)、預(yù)鍛型腔、終鍛型腔。鎖扣設(shè)計(jì)選取品字形角鎖扣，利于三個(gè)型腔布局同時(shí)有效提高工裝導(dǎo)向精度。分型面采用曲面設(shè)計(jì)，能有效避免鍛件型腔過深，有效提升鍛件充型能力。

⑷型腔設(shè)計(jì)。

拍扁平臺(tái)主要用于將坯料進(jìn)行拍扁，同時(shí)去除大部分氧化皮。預(yù)鍛型腔主要起到劈料及預(yù)成形目的，且過渡圓角采用大圓角過渡。終鍛型腔與預(yù)鍛型腔采用翻面設(shè)計(jì)，便于操作且有效避免因工裝精度不良導(dǎo)致的鍛造缺陷。

⑸熱鍛件尺寸設(shè)計(jì)。

鍛件尺寸在零件基礎(chǔ)上放加工量的同時(shí)，除了對(duì)圖3圈內(nèi)所示的尺寸進(jìn)行了修正外，其余尺寸均按熱脹量1.3%進(jìn)行設(shè)計(jì)。該尺寸進(jìn)行修正的原因是用戶要求該鍛件厚度公差在1mm之內(nèi)，而模鍛錘在鍛打過程中要控制1mm的尺寸波動(dòng)很有難度，因此在進(jìn)行熱鍛件設(shè)計(jì)時(shí)將本來是19.6mm的尺寸修正為18.6mm，以此來抵消因鍛件尺寸超厚而導(dǎo)致的該尺寸偏大。

圖2 鍛模三維圖

圖3 熱鍛件修正部位

生產(chǎn)試制

本產(chǎn)品共進(jìn)行2次小批量生產(chǎn)，其中發(fā)生了一些問題，通過后續(xù)的改進(jìn)措施即得到改善，在生產(chǎn)中出現(xiàn)的具體問題及整改措施如下。

⑴主要缺陷及原因分析。

1)由于鍛件部分過渡圓角僅為R2，鍛件在進(jìn)行探傷檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)存在一定頻次的鍛件夾層缺陷，經(jīng)打磨后可以消除。經(jīng)分析認(rèn)為是由于鍛造設(shè)備精度不良導(dǎo)致的錘頭晃動(dòng)，在型腔閉合時(shí)啃傷鍛件，從而在根部形成夾層。

2)部分鍛件在缺口處存在較深的折疊，打磨深度較大，通過鍛造過程的監(jiān)控及分析，認(rèn)為主要原因是預(yù)鍛型腔局部過渡圓角較小，金屬在開始鍛打時(shí)產(chǎn)生拉鎖凹陷，在最終成形充滿時(shí)金屬收攏、回填導(dǎo)致折疊缺陷產(chǎn)生。

3)最終檢查時(shí)鍛件厚度尺寸超上差1mm以上，在隨后進(jìn)行機(jī)加工驗(yàn)證時(shí)，存在2個(gè)重點(diǎn)尺寸因鍛件厚度超差而相互沖突。

⑵整改措施。

1)針對(duì)鍛件根部形成折疊的現(xiàn)象，在圖紙?jiān)试S的公差內(nèi)，人工修整棱角R2到R4、同時(shí)調(diào)整設(shè)備精度及工裝導(dǎo)向精度，使設(shè)備及工裝處于良好狀態(tài)后，該現(xiàn)象得以消除。

2）缺口處折疊現(xiàn)象主要由于預(yù)鍛圓角過小導(dǎo)致，因此預(yù)鍛圓角由R8調(diào)整到R15，且要求操作者在預(yù)鍛前2～3錘時(shí)進(jìn)行輕擊，避免因重錘導(dǎo)致的金屬拉鎖形成褶皺，在終鍛時(shí)，褶皺收攏及填充后形成折疊。

3)通過幾個(gè)批次的生產(chǎn)，鍛件尺寸控制在1mm之內(nèi)是可行的，但是有近1/3的鍛件難以達(dá)到圖紙要求。而該部分鍛件由于切邊后難以進(jìn)行復(fù)錘修復(fù)，為保證合格產(chǎn)品，需要在終檢時(shí)進(jìn)行樣板卡控挑選。對(duì)難以通過樣板的鍛件采用了如下的校正方案，并設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)易校正工裝，保證校正后的鍛件合格。具體方案如下：打磨鍛件切邊毛刺→加熱（700℃）→校正→正火→拋丸、探傷→檢查→發(fā)送。校正時(shí)將鍛件倒扣在校正工裝上，將沖頭插入校正部位用油壓機(jī)或模鍛錘輕擊校正，并由工裝上的圓形凸臺(tái)進(jìn)行限位，保證不會(huì)校正過度，校正工裝模型見圖4，通過校正后的鍛件均滿足了加工要求。

圖4 校正工裝三維模型

批量生產(chǎn)

通過兩次的小批次試制后，對(duì)鍛造工藝過程及工裝進(jìn)行了一定的調(diào)整及上述措施的實(shí)施，進(jìn)行了批量生產(chǎn)。過程中嚴(yán)格監(jiān)控生產(chǎn)狀況，其中未發(fā)現(xiàn)異常，經(jīng)后續(xù)磁粉探傷及尺寸檢查鍛件完全符合技術(shù)要求，圖5為鍛件批量生產(chǎn)后待發(fā)貨狀態(tài)。

圖5 鍛件批量生產(chǎn)

總結(jié)

通過本產(chǎn)品的試制及批量生產(chǎn)，對(duì)此類精鑄件改鍛工藝有了一定的研究。鑄件產(chǎn)品普遍存在薄壁、拔模斜度小、過渡圓角小等特點(diǎn)，給鍛造工藝及工裝設(shè)計(jì)帶來了一定的難度。同時(shí)由于鑄件尺寸精度較高，而模鍛錘在生產(chǎn)過程中波動(dòng)性較大，難免會(huì)出現(xiàn)超差鍛件，因此，在生產(chǎn)過程中要加強(qiáng)尺寸檢查及控制。

通過本產(chǎn)品整個(gè)開發(fā)過程，不斷優(yōu)化工藝及工裝，實(shí)現(xiàn)了該類鑄件的鍛造生產(chǎn)，在有效降低成本的同時(shí)提升產(chǎn)品自身性能及質(zhì)量。本鍛件的成功開發(fā)，為我公司開發(fā)類似的鍛件做了有效的探索，也摸索出了一條鍛造較為精密鍛件的思路。