鐵路車輛用車軸鍛造雙臺階型砧設計

潘湘華，白玉冰，齊巧玲

（1.包頭北方鐵路產品有限責任公司，內蒙古 包頭014030；2.中國鍛壓協會，北京100083）

鐵路車輛用車軸鍛件工藝設計過程中，重要的一點就是如何給車軸鍛件各部位留有適當的加工余量，既可防止車軸在機加工后留下鍛造黑皮，或產生鍛造缺陷，又不因加工余量過大，而增加加工成本和降低材料利用率。

但是，目前采用的鍛造工藝和型砧設計很難保證車軸的軸頸、輪座和軸身三個直徑的同心度，加工后的防塵板座處常常留下鍛造黑皮，導致產品報廢。本文設計出一種雙臺階鍛造型砧，使車軸鍛造后的三徑同軸度得到了保證，同時，降低了產品的材料消耗和加工成本，提高了加工效率和材料利用率。

1 車軸鍛件的工藝要求

1.1 車軸鍛后毛坯工藝設計基礎

以最小的材料消耗定額，保證為機加工提供足夠的加工余量；以最合理的鍛件外形結構，保證機加工采取簡單快捷的加工方式。圖1 為某常用車輛用車軸成品各部位名稱（下文均以該車軸為例）。

圖1 某常用車軸成品各部位名稱

1.2 現有型砧設計缺陷

型砧設計時，為方便鍛件成形，在型砧外側僅設計了對稱的單臺階，如圖2 所示。經過長期使用，發現根據該型砧設計鍛造車軸毛坯工藝和生產時有兩個明顯的弊端，其一該型砧鍛造的車軸毛坯斜面代替了防塵板座部位，而為了保證車軸成品防塵板座尖點部位留有足夠的機加工余量，必須延長車軸毛坯的輪座長度，避免鍛造黑皮導致車軸毛坯報廢；其二型砧臺階落差是根據車軸成品尺寸經過放量后的軸頸和輪座之間的落差所得，而該落差遠大于放量后的輪座與軸身之間的落差，所以該型砧在鍛造車軸毛坯軸身時，輪座處于懸空狀態，導致輪座和軸身的同軸度難以保證，即車軸毛坯的軸頸、輪座和軸身之間的同軸度超差。圖2 和圖3 分別為現有型砧的設計簡圖和現有型砧生產的鍛造毛坯輪廓圖。

圖2 現有型砧的設計簡圖

圖3 現有型砧生產的鍛造毛坯輪廓圖

2 雙臺階鍛造型砧的設計和應用

2.1 雙臺階鍛造型砧設計思路及簡圖

雙臺階鍛造型砧設計的出發點是為了提高鍛造車軸毛坯總長的同軸度，解決因為型砧臺階磨損導致車軸毛坯軸頸和輪座間的斜面尺寸超下差，機加工后車軸防塵板座位置留有鍛造黑皮，致使車軸報廢的問題。

經過理論上的反復推敲和生產現場的實地考察，設計了新型的雙臺階型砧，其主要特點是在型砧外側對稱的增加了一個臺階和一個型腔，如圖4 雙臺階鍛造型砧設計簡圖所示。

圖4 雙臺階鍛造型砧設計簡圖（下型砧）

2.2 工作原理

方形鋼坯經過型砧倒棱到輪座直徑尺寸后鍛打軸頸部位，軸頸成形過程中，軸頸在型砧7 第一型腔部位，車軸毛坯12 第一臺階、防塵板座和13 第二臺階分別在型砧8 第一臺階、9 第二型腔和10 第二臺階部位自由成型，車軸毛坯輪座在型砧11 第三型腔部位，軸頸直徑尺寸達到工藝要求時車軸毛坯的軸頸、第一臺階、防塵板座、第二臺階分別與輪座前端與型砧的第一型腔、第一臺階、第二型腔、第二臺階和第三型腔完全吻合，保證了車軸毛坯軸頸、防塵板座和輪座的同軸度；同理，甩拔車軸毛坯軸身時，軸身處于型砧第一型腔部位，車軸毛坯14 第三臺階自由成形，輪座在型砧第二型腔部位（即車軸毛坯兩臺階12 第一臺階和14 第三臺階的落差相同），當軸身直徑尺寸達到工藝要求時，車軸毛坯軸身、第三臺階和輪座分別與型砧第一型腔、第一臺階和第二臺階完全吻合，保證了車軸毛坯軸身和輪座的同軸度。即通過兩個成形過程保證了車軸毛坯通身的同軸度。圖5 為雙臺階型砧生產的鍛造毛坯輪廓圖。

圖5 雙臺階型砧生產的鍛造車軸毛坯輪廓圖

2.3 效果分析

雙臺階型砧設計完成后，制作了1 套該雙臺階型砧進行試制。對21 個熔煉爐號鋼坯的1573 根軸坯的工藝試制進行了跟蹤，結果如下：

①車軸毛坯通身同軸度不超過3mm，徹底解決了車軸毛坯軸頸、輪座和軸身同軸度低，或不同軸問題。

②未產生因防塵板座部位留有鍛造黑皮的廢品，鍛造合格率達到了99.62%，比規定的99.4%超過了0.22%。

③根據雙臺階鍛造型砧而設計的車軸毛坯的輪座長度從251mm 降至220mm，減少了31mm，從而軸坯的單倍尺長度減小了10mm，材料消耗定額降低了4.81kg。

3 結論

通過使用該雙臺階鍛造型砧，保證了車軸毛坯各部位的同軸度，減少了防塵板座部位鍛造黑皮的廢品率，提高了產品合格率，降低了單根車軸的材料消耗定額。由于試制取得了成功，公司決定設計另2種常用軸型的雙臺階型砧，雙臺階鍛造型砧將全面取代現有的單臺階型砧。同時，此項工藝變革將為公司帶來原材料費用的節約，預計年節約成本不低于138 萬元。

[1]姚澤坤.鍛造工藝學與模具設計[M].西安：西北工業大學出版社，1998.

[2]朱正才.半軸鍛件的胎膜鍛造[J].鍛壓裝備與制造技術，2006，41（1）.

[3]韓星會.軸類零件徑向鍛造壓入量研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2006，41（6）.

[4]李艷萍.車軸徑向鍛造過程分析[J].鍛壓裝備與制造技術，2007，42（1）.

[5]中國機械工程學會塑性工程學會.鍛壓手冊[M].北京：機械工業出版社，2013.

[6]包頭北方鐵路產品有限責任公司.鐵路車輛用車軸鍛造型砧：中國，201320049481.6[P].2013-07-24.

[7]全國鍛壓標準化技術委員會.GB/T 21471-2008 錘上鋼制自由鍛件機械加工余量與公差 軸類[S].北京：中國標準出版社，2008.