高錳鋼心軌鍛造工藝研發及三維造型技術的應用

文／喬震宇·青海康泰鑄鍛機械有限責任公司

轍叉心軌零件主要應用于火車鋼軌開道岔活動的心軌和兩側心軌，擋軌墻分別與道岔直股，曲股心軌相對，形成道岔直股曲股鋼軌線路組合成為鑲嵌式轍叉，是鐵路分道和承載的重要部件。它的作用是消除開道岔固定轍叉上存在的有害空間，并可取消護軌，機車車輛通過使用鐵路道岔活動心軌組裝轍叉時是沒有轍叉的道岔，不僅僅是減少了對道岔轍叉部分的磨損，更主要的是實現了安全運行，減少了機車車輛的顛簸，晃動，使乘客旅行更舒適，安全。本文所述心軌應用于鐵道機械，最長長度2207mm，最高高度182mm，高筋寬度最大113.6mm，高筋寬度最小10mm。其零件示意圖如圖1所示。

模鍛工藝分析

由圖1可知，該心軌屬于復雜的長桿類鍛件，帶薄筋，鍛件的長度與寬度之比較大，鍛造變形時金屬主要是沿高度與寬度方向流動，長度方向流動不顯著。鍛件中段截面積Fmax=19442mm2，Fmin=7110mm2，截面積之比接近3倍。當鍛件計算毛坯截面變化較大時，往往需要考慮拔長或滾壓模膛。心軌零件的特點是形狀復雜，可以一次成形，但必須要進行制坯。因此，本設計的關鍵就是采用一定的工藝措施，得到符合要求的零件。

本文所述鍛件要求鍛造尺寸精度好、無充不滿的現象，且材料為特殊鋼種，屬耐磨材料加工難度大，鍛件的加工余量小，不允許存在導致應力集中的棱角。因此工藝設計時有兩個關鍵點：⑴需要設計制坯工序。如果直接使用圓棒料鍛壓，材料利用率低，且可能出現鍛打厚度尺寸不均勻，飛邊容易卡在飛邊槽里，鍛件不容易脫模取出；⑵合理選擇分模面。必須使坯料易充滿模膛、鍛件易從模膛中取出，簡化模具加工制造。

心軌工藝參數及設計計算

鍛件圖設計

⑴分模位置。分模面設計在鍛件的最大輪廓處。

⑵鍛件余量。鍛件材料為高錳合金，其密度為7.85g/cm3，鍛件重量為196.7kg。零件的表面粗糙度為Ra3.2μm，應用戶要求及鍛造工藝需要，鍛件留有3～5mm加工余量。圖2所示為心軌熱鍛件示意圖。

圖2 心軌熱鍛件示意圖

由于心軌鍛件屬于長桿類鍛件，桿很長而且較薄，因此采用聯合鍛造。我公司6.8萬噸多功能液壓機生產線未配置坯料的開坯設備，所以以壓機中心為模塊的鍛打中心只有終鍛模膛；在鍛模長度方向設計兩組導向柱，解決水平分模易錯模的問題，保證鍛件的合格率。

終鍛成形過程中，模膛的橋部寬度、高度等均會對鍛件充滿和尺寸造成影響。考慮到中段桿部與兩頭桿部截面變化大，成形狀況不同，分別設計了相應的橋部寬度尺寸，如圖3所示。兩端頭的飛邊倉開通是為了便于鍛件取出，該處模膛型槽較淺尺寸較小，成形速度較快，在同等徑坯料的情況下先出飛邊。

該鍛件在分模面上的投影面積F分=444332 mm2，鍛件周邊長度L周=4926mm，鍛件體積V鍛=25057324mm3，鍛件飛邊的平均截面積F飛=2641mm2， 飛 邊 體 積 V飛=6932640mm3。 由 此得出鍛件計算毛坯的長度（包括拔模斜度在內的熱鍛件的長度）L計=2267mm，計算毛坯的體積V計=31989964mm3，計算毛坯的平均截面積F平=13639mm2，進而繪制計算毛坯圖。

根據SolidWorks軟件模擬，鍛件在變形的過程中坯料一直處于變化狀態，金屬沿長度方向流動的阻力較大。當計算毛坯的截面變化較大，需要金屬流動的距離又長時，應先進行拔長。利用SolidWorks測出不帶飛邊的鍛件體積為24534221mm3，分模面的周長為4771mm，鍛件水平投影面積380084mm2，鍛件長2267mm。

據以上分析，結合氧化燒損等，最終確定采用的毛坯規格為φ150mm×2250mm，在我公司6.8萬噸多功能液壓機生產線上進行調試生產，工藝流程為：下料→棒料加工→加熱→終鍛→割毛邊。

圖3 中段桿部與兩頭桿部橋部示意圖

鍛造模具設計

模具對實現整個鍛造過程有著十分重要的意義，其壽命是評價某一種鍛造方法經濟可行的決定因素，模具的設計與制造質量是實現鍛壓工藝高產、優質、低耗的最重要的保證之一。在產品開發階段對工藝計算和程序加工進行仿真模擬，可以預先找到問題的關鍵點，本次設計主要應用了SolidWorks三維造型軟件、CAD繪圖軟件和UG軟件進行分析與優化。

模具設計到型腔加工

采用造型軟件繪制三維熱鍛件實體，確定熱鍛件的分模面，進行拔模、底切分析檢驗熱鍛件是否符合模具設計原則；再運用造型軟件模具菜單中的特征命令，快捷的生成模具型腔如圖4所示，把SolidWorks文件另存為X.T格式的文件，用UG軟件打開此文件，編輯加工刀具、編輯幾何體、編輯加工工序，生成刀具軌跡，確認刀軌無誤之后再進行機床仿真，經后處理轉換為數控銑床G代碼程序。UG軟件機床仿真模擬，再現了一個完整的模具型腔加工過程，最終運用到心軌模具的實際生產制造當中，實現了CAD/CAE/CAM一體化。

圖4 SolidWorks心軌模具造型

圖5 坯料下料尺寸

圖6 鍛件示意圖

工藝實踐

通過多次工藝方案及模具設計優化，該心軌試制件的坯料采用圖5所示的圓形棒料經機加工而成；鍛造前把模具預熱到200℃～300℃，用紅外線測溫槍監控溫度；鍛造過程中采用水基石墨潤滑模具型腔和玻璃粉潤滑熱坯料；鍛造溫度區間為980℃～1150℃。

借助造型模擬軟件，在開發設計階段提前優化工藝，減少后期試制時的調試次數，提高了新產品一次開發成功率，縮短了開發周期。從產品設計到設計優化再到模具加工制造總計用時10天即可完成。最終試制鍛件各部位充填情況良好，尺寸合格，材料利用率達到92%。圖6為調試合格的零件。

結束語

本文主要對心軌類鍛件在開發過程中積累的經驗進行了總結。目前市場上客戶對零件產品交付時間節點要求越來越嚴苛，必須把縮短產品研發周期作為努力的方向。在工藝設計階段進行充分的可行性分析和可靠性分析，完善優化模具設計，充分運用計算機輔助制造(CAE/CAM)技術，才能在指定交貨期內生產出合格的零件。