動車組車輪的制造工藝與質量控制

國新春， 程德利， 張 磊

（寶武集團馬鋼交材科技有限公司， 安徽 馬鞍山 243000）

高速鐵路安全運輸是關系到國計民生的重要問題，鐵路總公司多次下達安全性指導意見。車輪是高速列車安全核心部件之一，其技術標準要求高、生產難度大[1]。國外動車車輪生產、應用較成熟，現國內高鐵使用的車輪主要依賴于進口。為了打破國外技術的壟斷，加速開發完全自主知識產權的動車組車輪，2014 年，鐵路總公司啟動重大課題《時速350 km標準動車組輪軸設計研究》，推進鐵路技術裝備創新和發展[2]。馬鋼做為項目主要參與單位，從“品種、品質、品牌”戰略出發，主動承擔起中國高鐵用輪國產化的重要任務。經過長期的技術攻關，取得了標動車輪CRCC 資質認證證書，并建立了完善的質量保證體系，實現技術先進、質量一流的國產高鐵車輪批量生產和供貨[3]。本文介紹了自主研發的動車組車輪的先進制造工藝和質量控制方法。

1 動車組車輪制造工藝

1.1 鋼坯冶煉工藝

鋼坯冶金質量是車輪安全性、可靠性的關鍵因素。近年來，馬鋼在鑄坯無氧化保護澆注技術、結晶器電磁攪拌技術取得了長足的進步，效果明顯。主要對鋼坯冶煉工藝的采取以下幾點優化，來保證過程控制穩定，生產過程安全。

1）采用小電攪和大電攪相結合的工藝控制，有效地防止碳偏析和枝晶偏析。

2）采用潔凈度控制技術，使夾雜物實現微細化和彌散化分布。

3）加強連鑄的保護澆鑄操作，特別是加強對二次氧化的控制，優化過程加覆蓋劑和保護渣操作。

4）設置合理的成分控制范圍，在標準允許范圍內精確控制硫和鋁含量。

1.2 車輪熱成型工藝

利用數值模擬方法對車輪用Φ380 mm 圓坯加熱過程溫度變化情況進行了模擬分析，鋼坯溫度分布隨時間的變化見圖1。

圖1 鋼坯加熱過程溫度分布

由圖1 可見，當加熱時間達到5 h 時，鋼坯溫度總體較均勻。

圖2 車輪用Φ380 mm 圓坯加熱過程數值模擬與實測結果對比

進一步利用DataPaq 在線測溫系統對車輪用Φ380 mm 圓坯加熱過程溫度進行了測量以驗證數值模擬結果的準確性。測試方法為，沿鋼坯中軸線上，在距鋼坯上表面下50 mm、鋼坯中心、距鋼坯下表面50 mm 位置處埋植熱電偶，在鋼坯加熱過程中測量溫度變化規律，測量結果見圖2，實測結果與模擬結果吻合較好，因此確定鋼坯加熱時間為≥5 h。

1.3 熱處理工藝

熱處理工藝的關鍵是如何有效發揮V 的強化作用和晶粒細化作用，從而提高車輪的強韌性匹配，提高車輪實物質量。

采用Formastor 熱模擬試驗機測定D2 材料、ER8 材料CCT 曲線，利用金相顯微鏡進行金相組織觀察，進行載荷5 kg 的維氏硬度測試。為熱處理工藝參數設計提供參考。CCT 曲線見圖3，冷卻速度—硬度關系見圖4。

圖3 D2/ER8 的 CCT 曲線

圖4 D2/ER8 不同冷速下硬度變化

1）D2 車輪材料的 Ac3 較 ER8 高約 10 ℃。

2）D2 車輪材料的完全珠光體轉變臨界冷卻速度高于ER8，在車輪輪輞組織控制上具有相變特性上的優勢。

3）D2 材料硬度隨冷速降低幅度明顯低于ER8，有利于降低車輪輪輞徑向硬度梯度。

因此，結合馬鋼ER8 車輪的生產經驗，確定了車輪熱處理最佳加熱溫度及冷卻速率，經實物檢驗結果如表1。

2 裝車考核

按中國鐵路總公司裝車考核大綱，國產化D2材質車輪裝配于中國標準動車組“藍海豚”、“金鳳凰”上，先后在大西線、鄭徐線、沈大線累計完成裝車考核試驗，期間成功進行了420 km 交會試驗。車輪磨耗量總體優于同車裝配的進口ER8 材質車輪，馬鋼研制的中國標準動車組用D2 材質車輪總體達到了國際先進水平（見圖5，圖6）。

表1 熱處理態車輪力學性能

圖5 四方CRH0207 號“藍海豚”動車組車輪每萬km 踏面磨耗規律曲線

圖6 長客CRH0503 號“金鳳凰”動車組車輪每萬km 踏面磨耗規律曲線

3 質量控制

優質、穩定的產品質量，必須融入創新的管理理念，關注產品的全過程。從動車組車輪成分設計開始，到制造工藝的確定，最后到生產過程控制執行，對提升產品質量都有至關重要的作用。產品質量包括“成品質量”、“生產過程的技術管理”、“用戶服務與反饋”三個方面[5]，馬鋼在動車組車輪質量控制上，充分考慮了與質量相關的所有方面。

3.1 標準動車組質量管理體系的構建

針對標準動車組認證通過后的批量化生產，以零缺陷管理制度為基礎，融合IRIS 和ISO9001 標準體系中關于產品實現過程的要求，從標準動車組車輪技術條件出發，基于當前的生產條件、管理水平、員工職業素質，針對高速度、高風險的特點；以預防為主，準確識別產品的安全特性，充分識別產品和過程的失效模式，明確過程參數和產品特性值控制要求，明確設備精度參數要求，強化過程控制，實行生產過程全要素跟蹤，強化過程監督，明確崗位責任，實行嚴格的質量責任追溯制度。

通過風險和異常的識別，強調預防確認機制，把好“不接受不合格品”關；通過明確設備精度參數、過程參數及產品特性值控制要求，并針對性建立檢測規范，嚴把“不制造不合格品”關；通過非常作業管理辦法的完善，單件跟蹤制度、工藝紀律檢查制度、質量責任追溯制度以及發貨前審核制度的建立，落實“不轉移、不發貨不合格品”關。

3.2 產品質量風險預防機制的建立

根據標動車輪的高安全性要求，結合法律法規、產品標準、已公開發行的文獻資料及技術專題討論會信息，對標動車輪產品在運用中可能存在的運用故障進行識別，確定可能影響正常運用或交付的產品特性值。

按照工藝路線，根據已識別出的標動車輪安全特性值，結合常規車輪質量管理問題的收集，仔細甄別各工序點可能出現的異常過程，確定異常過程可能導致的失效模式和影響的產品特性值。為工藝參數制訂、設備精度參數要求確定、檢驗規程的建立以及工序中可能需要采取的特定要求提供支持。

3.3 產品實現過程的全要素控制的實現

從人員、工裝、設備、物料、方法、環境等方面進行生產前準備，人員分工上，實行重點產品全員關注制度，確保項目順利推進。在設備上倡導工藝主導、設備主動，推動設備精度管理精細化，全力打造以點檢、檢修、檢測為基礎的設備功能精度管理體系，為產品生產、產品質量、產品銷售提供有力的設備支撐。

3.4 標動車輪的發貨前審核制度的建立

為實現標動車輪發貨零缺陷目標，在標動車輪發貨前建立審核制度。審核小組由總工程師擔任組長，質量組織架構中的各成員單位為組員。每次審核由質監部牽頭組織，對每爐取樣結果、檢測結果（靜平衡、硬度測試、磁探、超探）、包裝防護檢查結果、數量、各工序質量記錄（加熱、熱檢、緩冷、熱處理、加工）、MES 信息情況、發貨前實物表面狀況及包裝情況、不合格品處置控制記錄（含標識、隔離、返修以及復檢）、廢品處置情況、工藝紀律檢查信息、發現問題是否已關閉等十一個方面進行審核記錄和產品的審核檢查。

3.5 對顧客服務與反饋的完善

對顧客實施售前和售后服務，包括產品服務、異常處置、技術咨詢和技術保障。通過專業的調查收集顧客的反饋，從顧客滿意度、顧客質量數據、用戶意見等各方面獲得顧客感受，進行KPI 測評和分析。

4 結語

本文闡述了動車組車輪的冶煉工藝、熱成型工藝、熱處理工藝等進行了深入的研究，產品的各項指標符合中國標準動車組車輪技術條件要求，并完成了運用考核。在批量生產時，從質量控制、過程防控、用戶服務等發面采取有效的措施，形成了完整的質量控制體系，確保了標準動車組的質量穩定。隨著馬鋼技術和管理水平的提升，在不久的將來，中國標準動車組車輪完全自主化生產，代替國外進口。