有軌電車主軸軸座鍛造工藝與模具設計

文/王盛鑫·大連機車車輛有限公司

阮發林，張建鑫·戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司鍛壓事業部

有軌電車主軸軸座鍛造工藝與模具設計

文/王盛鑫·大連機車車輛有限公司

阮發林，張建鑫·戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司鍛壓事業部

王盛鑫，工藝師，從事機車產品鍛造工藝設計及模具設計制造工作。參與完成的《HXD3型電力機車牽引從動齒輪國產化熱處理工藝研究與應用》獲中國北車集團2013年度科技成果二等獎，同時擁有1項發明專利，1項實用新型專利。

有軌電車主軸軸座鍛件截面積變化較大，鍛造工藝難點多。采用一模兩腔的模具設計可節省鍛模材料22%。坯料帶飛邊預鍛后終鍛試制出的樣件無缺陷，表面質量優良。

有軌電車的造價較低，無需復雜的車站設計和地下施工，僅需15%的地鐵造價。有軌電車采用低地板結構，上下車極為方便，其運輸量比快速公交要高出一倍。有軌電車采用獨立旋轉車輪轉向架、左右車輪橫向耦合的結構，也有前后縱向耦合和電機直驅結構，舒適性遠超公交車，和地鐵幾乎一樣。橫向耦合連接輪對的彎軸有整體鍛造和鍛造后焊接而成兩種結構形式。整體式彎軸安裝方便，其轉向架剛度性能優異，但是其鍛造難度大、效率與材料利用率很低、成本高，對鍛造設備和工藝都提出了較高的要求。鍛焊結構的彎軸制造相對簡單，生產效率高，制造和維修成本低。

鍛件結構分析

圖1是鍛焊結構彎軸的軸座。該鍛件帶有前置凸臺，頭部高而厚，需要材料較多，終鍛拔模和頭部充填都較難。兩側肋板薄而長，需要的材料少但材料流動距離遠，材料等效應變大，易出現折疊等缺陷。鍛件截面積無論是高度方向還是長度方向在肋板處的突變都很大，鍛件復雜系數為S3級。六條加強筋均沒有被加工，鍛造成形工藝難度大。

圖1 有軌電車主軸軸座

工藝設計

為了保證產品質量，預鍛件應避免出現飛邊，防止在終鍛的時候出現質量問題。因此對于復雜程度較高的鍛件通常是自由鍛制坯后再進行終鍛，但是該工藝存在鍛件成本高、效率低的問題。同時非加工面的表面質量在拋丸后還要進行大量的人工打磨才能達到要求。戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司擁有220MN電動螺旋壓力機，該機工作臺面較大，能夠滿足多工位鍛造。綜合考慮后，為了提高材料利用率，確定了帶飛邊預鍛后再終鍛的一次加熱鍛造成形工藝。

預鍛形狀應該兼顧材料的預分配和終鍛的定位問題。預鍛下模型腔用柱面三點和底平面定位放下坯料，不至于造成坯料傾斜。預鍛拔模斜度相對終鍛大2°～4°，在終鍛成形的中前期減少與模具型腔面的接觸，減小摩擦阻力，便于充滿的同時避免折疊。終鍛前期屬于鐓粗充填成形，預鍛飛邊會出現向外擴張，同時高度方向降低，因而預鍛的分模面比終鍛分模面稍高，避免預鍛的飛邊進入型腔形成折疊等缺陷。預鍛件橫截面呈T形帶有頭部和底部凸臺，底部工藝凸臺用于終鍛定位（圖2）。T形兩側主要為終鍛的兩側肋板提供材料，其材料的體積與流動距離較為關鍵。預鍛件兩側的厚度和長度對最終成形均有較大影響。兩側的鐓粗量不夠時，首先接觸模具部位的兩側出現外翻，出現側向內凹的不完整鼓形（圖3），導致終鍛肋板加強筋部位出現折疊。鐓粗量過大，兩側分料過多，終鍛時形成較大的飛邊，同時頭部材料較少，導致頭部充不滿（圖4）。在盡量保證型腔充滿以及避免缺陷產生的同時，應盡可能減少流入飛邊的材料來提高材料利用率。

圖2 預鍛設計

圖3 鐓粗缺陷

圖4 頭部缺肉的鍛件

模具設計

正常工作條件下模具的平均工作溫度為300℃，采用強韌性較好的5CrNiMo材料，其在600℃以內具有良好的綜合機械性能，300℃時抗拉強度保持在1300MPa以上。

模塊最小的壁厚通過最小壁厚的經驗公式計算出。通過DEFORM10.2模擬得出預鍛和終鍛打擊力分別為18.1MN和102.4MN。根據相關公式計算出預鍛和終鍛模具的最小承擊面積。結合模具最小壁厚和最小承擊面積以及鎖扣等設計計算出預鍛和終鍛模塊的最小總重量為8.41t，模塊后期機加工和熱處理均存在不小的難度。預鍛模具與終鍛模具存在安裝、頂桿等問題，設計難度大，模具更換費時費力。

為了節省昂貴的鍛模材料與加工時間，以及增強模具的剛度和安裝便捷性，采用整體式模具設計（圖5），較大幅度增加模具打擊接觸面積，有利于延長模具壽命。在最后充滿的最深型腔位置采用分體鑲塊式設計，顯著降低模具閉合高度的同時兼具排氣作用，降低了軸座頭部的充填阻力。整體式模具的模塊僅6.54t，相比原設計節省22%。在模具設計的時候注意吊裝孔的設計，不能出現尖銳內凹以致降低模具整體強度，位置上考慮吊裝和翻轉的便捷性。

根據最小阻力定律，終鍛時軸座的背面在成形初期就出現飛邊，大量材料流向倉部，降低了材料利用率，可能導致成形后期頭部充不滿，形成廢品。為了改善材料流動，終鍛背面采用較寬的橋部，增大此處材料流動的阻力，同時頭部深型腔部位增大潤滑劑量，保證頭部的成形。

圖5 主軸軸座鍛造模具

結束語

模具按照上述設計進行了樣件（圖6）試制，樣件經拋丸、探傷后確認為合格品，表面質量優良。該軸座的成功開發表明帶飛邊預鍛后終鍛工藝的可行性，為類似復雜鍛件的開發提供了一火成形的思路和寶貴經驗。

圖6 主軸軸座鍛件