軌道交通道岔滑床臺鍛件開發(fā)

文／羅天園·中車資陽機車有限公司王飛·四川中車玉柴發(fā)動機股份有限公司

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

產品結構分析

本產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，隨著鐵路提速及鑄件質量的不穩(wěn)定以及在用戶的要求下進行了鍛造開發(fā)。本鍛件重量為12.5kg，適合我公司5t模鍛錘生產。產品多處尺寸為非加工且要求公差達到0.5mm，為國標精密級鍛件，圖1所示為滑床臺鍛件三維模型。

從上述模型可以看出，鍛件形狀相對簡單，但是在結構及鍛造工藝性方面存在以下的技術難點：

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

⑵鍛件在厚度方向及周邊的加工余量極小，鍛件一旦錯模有可能造成加工黑皮而報廢。同時出模斜度要求小于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 滑床臺三維建模

工藝方案及工裝設計

⑴工藝流程確定。

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

⑵工藝參數選取及設備選取。

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

⑶工裝布局。

鍛模設計采用3型腔布局方式，分別為拍扁平臺、預鍛型腔、終鍛型腔。鎖扣設計選取品字形角鎖扣，利于三個型腔布局同時有效提高工裝導向精度。分型面采用曲面設計，能有效避免鍛件型腔過深，有效提升鍛件充型能力。

⑷型腔設計。

拍扁平臺主要用于將坯料進行拍扁，同時去除大部分氧化皮。預鍛型腔主要起到劈料及預成形目的，且過渡圓角采用大圓角過渡。終鍛型腔與預鍛型腔采用翻面設計，便于操作且有效避免因工裝精度不良導致的鍛造缺陷。

⑸熱鍛件尺寸設計。

鍛件尺寸在零件基礎上放加工量的同時，除了對圖3圈內所示的尺寸進行了修正外，其余尺寸均按熱脹量1.3%進行設計。該尺寸進行修正的原因是用戶要求該鍛件厚度公差在1mm之內，而模鍛錘在鍛打過程中要控制1mm的尺寸波動很有難度，因此在進行熱鍛件設計時將本來是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

生產試制

本產品共進行2次小批量生產，其中發(fā)生了一些問題，通過后續(xù)的改進措施即得到改善，在生產中出現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，鍛件在進行探傷檢查時發(fā)現存在一定頻次的鍛件夾層缺陷，經打磨后可以消除。經分析認為是由于鍛造設備精度不良導致的錘頭晃動，在型腔閉合時啃傷鍛件，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，認為主要原因是預鍛型腔局部過渡圓角較小，金屬在開始鍛打時產生拉鎖凹陷，在最終成形充滿時金屬收攏、回填導致折疊缺陷產生。

3)最終檢查時鍛件厚度尺寸超上差1mm以上，在隨后進行機加工驗證時，存在2個重點尺寸因鍛件厚度超差而相互沖突。

⑵整改措施。

1)針對鍛件根部形成折疊的現象，在圖紙允許的公差內，人工修整棱角R2到R4、同時調整設備精度及工裝導向精度，使設備及工裝處于良好狀態(tài)后，該現象得以消除。

2）缺口處折疊現象主要由于預鍛圓角過小導致，因此預鍛圓角由R8調整到R15，且要求操作者在預鍛前2～3錘時進行輕擊，避免因重錘導致的金屬拉鎖形成褶皺，在終鍛時，褶皺收攏及填充后形成折疊。

3)通過幾個批次的生產，鍛件尺寸控制在1mm之內是可行的，但是有近1/3的鍛件難以達到圖紙要求。而該部分鍛件由于切邊后難以進行復錘修復，為保證合格產品，需要在終檢時進行樣板卡控挑選。對難以通過樣板的鍛件采用了如下的校正方案，并設計一套簡易校正工裝，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。校正時將鍛件倒扣在校正工裝上，將沖頭插入校正部位用油壓機或模鍛錘輕擊校正，并由工裝上的圓形凸臺進行限位，保證不會校正過度，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

通過兩次的小批次試制后，對鍛造工藝過程及工裝進行了一定的調整及上述措施的實施，進行了批量生產。過程中嚴格監(jiān)控生產狀況，其中未發(fā)現異常，經后續(xù)磁粉探傷及尺寸檢查鍛件完全符合技術要求，圖5為鍛件批量生產后待發(fā)貨狀態(tài)。

圖5 鍛件批量生產

總結

通過本產品的試制及批量生產，對此類精鑄件改鍛工藝有了一定的研究。鑄件產品普遍存在薄壁、拔模斜度小、過渡圓角小等特點，給鍛造工藝及工裝設計帶來了一定的難度。同時由于鑄件尺寸精度較高，而模鍛錘在生產過程中波動性較大，難免會出現超差鍛件，因此，在生產過程中要加強尺寸檢查及控制。

通過本產品整個開發(fā)過程，不斷優(yōu)化工藝及工裝，實現了該類鑄件的鍛造生產，在有效降低成本的同時提升產品自身性能及質量。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。