動(dòng)車組車輪的制造工藝與質(zhì)量控制

國(guó)新春， 程德利， 張 磊

（寶武集團(tuán)馬鋼交材科技有限公司， 安徽 馬鞍山 243000）

高速鐵路安全運(yùn)輸是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的重要問(wèn)題，鐵路總公司多次下達(dá)安全性指導(dǎo)意見(jiàn)。車輪是高速列車安全核心部件之一，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求高、生產(chǎn)難度大[1]。國(guó)外動(dòng)車車輪生產(chǎn)、應(yīng)用較成熟，現(xiàn)國(guó)內(nèi)高鐵使用的車輪主要依賴于進(jìn)口。為了打破國(guó)外技術(shù)的壟斷，加速開(kāi)發(fā)完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的動(dòng)車組車輪，2014 年，鐵路總公司啟動(dòng)重大課題《時(shí)速350 km標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組輪軸設(shè)計(jì)研究》，推進(jìn)鐵路技術(shù)裝備創(chuàng)新和發(fā)展[2]。馬鋼做為項(xiàng)目主要參與單位，從“品種、品質(zhì)、品牌”戰(zhàn)略出發(fā)，主動(dòng)承擔(dān)起中國(guó)高鐵用輪國(guó)產(chǎn)化的重要任務(wù)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的技術(shù)攻關(guān)，取得了標(biāo)動(dòng)車輪CRCC 資質(zhì)認(rèn)證證書，并建立了完善的質(zhì)量保證體系，實(shí)現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量一流的國(guó)產(chǎn)高鐵車輪批量生產(chǎn)和供貨[3]。本文介紹了自主研發(fā)的動(dòng)車組車輪的先進(jìn)制造工藝和質(zhì)量控制方法。

1 動(dòng)車組車輪制造工藝

1.1 鋼坯冶煉工藝

鋼坯冶金質(zhì)量是車輪安全性、可靠性的關(guān)鍵因素。近年來(lái)，馬鋼在鑄坯無(wú)氧化保護(hù)澆注技術(shù)、結(jié)晶器電磁攪拌技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，效果明顯。主要對(duì)鋼坯冶煉工藝的采取以下幾點(diǎn)優(yōu)化，來(lái)保證過(guò)程控制穩(wěn)定，生產(chǎn)過(guò)程安全。

1）采用小電攪和大電攪相結(jié)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(shù)，使夾雜物實(shí)現(xiàn)微細(xì)化和彌散化分布。

3）加強(qiáng)連鑄的保護(hù)澆鑄操作，特別是加強(qiáng)對(duì)二次氧化的控制，優(yōu)化過(guò)程加覆蓋劑和保護(hù)渣操作。

4）設(shè)置合理的成分控制范圍，在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)精確控制硫和鋁含量。

1.2 車輪熱成型工藝

利用數(shù)值模擬方法對(duì)車輪用Φ380 mm 圓坯加熱過(guò)程溫度變化情況進(jìn)行了模擬分析，鋼坯溫度分布隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖1。

圖1 鋼坯加熱過(guò)程溫度分布

由圖1 可見(jiàn)，當(dāng)加熱時(shí)間達(dá)到5 h 時(shí)，鋼坯溫度總體較均勻。

圖2 車輪用Φ380 mm 圓坯加熱過(guò)程數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

進(jìn)一步利用DataPaq 在線測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)車輪用Φ380 mm 圓坯加熱過(guò)程溫度進(jìn)行了測(cè)量以驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。測(cè)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(guò)程中測(cè)量溫度變化規(guī)律，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖2，實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果吻合較好，因此確定鋼坯加熱時(shí)間為≥5 h。

1.3 熱處理工藝

熱處理工藝的關(guān)鍵是如何有效發(fā)揮V 的強(qiáng)化作用和晶粒細(xì)化作用，從而提高車輪的強(qiáng)韌性匹配，提高車輪實(shí)物質(zhì)量。

采用Formastor 熱模擬試驗(yàn)機(jī)測(cè)定D2 材料、ER8 材料CCT 曲線，利用金相顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察，進(jìn)行載荷5 kg 的維氏硬度測(cè)試。為熱處理工藝參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。CCT 曲線見(jiàn)圖3，冷卻速度—硬度關(guān)系見(jiàn)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(zhuǎn)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(yōu)勢(shì)。

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(jié)合馬鋼ER8 車輪的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定了車輪熱處理最佳加熱溫度及冷卻速率，經(jīng)實(shí)物檢驗(yàn)結(jié)果如表1。

2 裝車考核

按中國(guó)鐵路總公司裝車考核大綱，國(guó)產(chǎn)化D2材質(zhì)車輪裝配于中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組“藍(lán)海豚”、“金鳳凰”上，先后在大西線、鄭徐線、沈大線累計(jì)完成裝車考核試驗(yàn)，期間成功進(jìn)行了420 km 交會(huì)試驗(yàn)。車輪磨耗量總體優(yōu)于同車裝配的進(jìn)口ER8 材質(zhì)車輪，馬鋼研制的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組用D2 材質(zhì)車輪總體達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平（見(jiàn)圖5，圖6）。

表1 熱處理態(tài)車輪力學(xué)性能

圖5 四方CRH0207 號(hào)“藍(lán)海豚”動(dòng)車組車輪每萬(wàn)km 踏面磨耗規(guī)律曲線

圖6 長(zhǎng)客CRH0503 號(hào)“金鳳凰”動(dòng)車組車輪每萬(wàn)km 踏面磨耗規(guī)律曲線

3 質(zhì)量控制

優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量，必須融入創(chuàng)新的管理理念，關(guān)注產(chǎn)品的全過(guò)程。從動(dòng)車組車輪成分設(shè)計(jì)開(kāi)始，到制造工藝的確定，最后到生產(chǎn)過(guò)程控制執(zhí)行，對(duì)提升產(chǎn)品質(zhì)量都有至關(guān)重要的作用。產(chǎn)品質(zhì)量包括“成品質(zhì)量”、“生產(chǎn)過(guò)程的技術(shù)管理”、“用戶服務(wù)與反饋”三個(gè)方面[5]，馬鋼在動(dòng)車組車輪質(zhì)量控制上，充分考慮了與質(zhì)量相關(guān)的所有方面。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組質(zhì)量管理體系的構(gòu)建

針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組認(rèn)證通過(guò)后的批量化生產(chǎn)，以零缺陷管理制度為基礎(chǔ)，融合IRIS 和ISO9001 標(biāo)準(zhǔn)體系中關(guān)于產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過(guò)程的要求，從標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車輪技術(shù)條件出發(fā)，基于當(dāng)前的生產(chǎn)條件、管理水平、員工職業(yè)素質(zhì)，針對(duì)高速度、高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)；以預(yù)防為主，準(zhǔn)確識(shí)別產(chǎn)品的安全特性，充分識(shí)別產(chǎn)品和過(guò)程的失效模式，明確過(guò)程參數(shù)和產(chǎn)品特性值控制要求，明確設(shè)備精度參數(shù)要求，強(qiáng)化過(guò)程控制，實(shí)行生產(chǎn)過(guò)程全要素跟蹤，強(qiáng)化過(guò)程監(jiān)督，明確崗位責(zé)任，實(shí)行嚴(yán)格的質(zhì)量責(zé)任追溯制度。

通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)和異常的識(shí)別，強(qiáng)調(diào)預(yù)防確認(rèn)機(jī)制，把好“不接受不合格品”關(guān)；通過(guò)明確設(shè)備精度參數(shù)、過(guò)程參數(shù)及產(chǎn)品特性值控制要求，并針對(duì)性建立檢測(cè)規(guī)范，嚴(yán)把“不制造不合格品”關(guān)；通過(guò)非常作業(yè)管理辦法的完善，單件跟蹤制度、工藝紀(jì)律檢查制度、質(zhì)量責(zé)任追溯制度以及發(fā)貨前審核制度的建立，落實(shí)“不轉(zhuǎn)移、不發(fā)貨不合格品”關(guān)。

3.2 產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防機(jī)制的建立

根據(jù)標(biāo)動(dòng)車輪的高安全性要求，結(jié)合法律法規(guī)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、已公開(kāi)發(fā)行的文獻(xiàn)資料及技術(shù)專題討論會(huì)信息，對(duì)標(biāo)動(dòng)車輪產(chǎn)品在運(yùn)用中可能存在的運(yùn)用故障進(jìn)行識(shí)別，確定可能影響正常運(yùn)用或交付的產(chǎn)品特性值。

按照工藝路線，根據(jù)已識(shí)別出的標(biāo)動(dòng)車輪安全特性值，結(jié)合常規(guī)車輪質(zhì)量管理問(wèn)題的收集，仔細(xì)甄別各工序點(diǎn)可能出現(xiàn)的異常過(guò)程，確定異常過(guò)程可能導(dǎo)致的失效模式和影響的產(chǎn)品特性值。為工藝參數(shù)制訂、設(shè)備精度參數(shù)要求確定、檢驗(yàn)規(guī)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(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過(guò)程的全要素控制的實(shí)現(xiàn)

從人員、工裝、設(shè)備、物料、方法、環(huán)境等方面進(jìn)行生產(chǎn)前準(zhǔn)備，人員分工上，實(shí)行重點(diǎn)產(chǎn)品全員關(guān)注制度，確保項(xiàng)目順利推進(jìn)。在設(shè)備上倡導(dǎo)工藝主導(dǎo)、設(shè)備主動(dòng)，推動(dòng)設(shè)備精度管理精細(xì)化，全力打造以點(diǎn)檢、檢修、檢測(cè)為基礎(chǔ)的設(shè)備功能精度管理體系，為產(chǎn)品生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品銷售提供有力的設(shè)備支撐。

3.4 標(biāo)動(dòng)車輪的發(fā)貨前審核制度的建立

為實(shí)現(xiàn)標(biāo)動(dòng)車輪發(fā)貨零缺陷目標(biāo)，在標(biāo)動(dòng)車輪發(fā)貨前建立審核制度。審核小組由總工程師擔(dān)任組長(zhǎng)，質(zhì)量組織架構(gòu)中的各成員單位為組員。每次審核由質(zhì)監(jiān)部牽頭組織，對(duì)每爐取樣結(jié)果、檢測(cè)結(jié)果（靜平衡、硬度測(cè)試、磁探、超探）、包裝防護(hù)檢查結(jié)果、數(shù)量、各工序質(zhì)量記錄（加熱、熱檢、緩冷、熱處理、加工）、MES 信息情況、發(fā)貨前實(shí)物表面狀況及包裝情況、不合格品處置控制記錄（含標(biāo)識(shí)、隔離、返修以及復(fù)檢）、廢品處置情況、工藝紀(jì)律檢查信息、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題是否已關(guān)閉等十一個(gè)方面進(jìn)行審核記錄和產(chǎn)品的審核檢查。

3.5 對(duì)顧客服務(wù)與反饋的完善

對(duì)顧客實(shí)施售前和售后服務(wù)，包括產(chǎn)品服務(wù)、異常處置、技術(shù)咨詢和技術(shù)保障。通過(guò)專業(yè)的調(diào)查收集顧客的反饋，從顧客滿意度、顧客質(zhì)量數(shù)據(jù)、用戶意見(jiàn)等各方面獲得顧客感受，進(jìn)行KPI 測(cè)評(píng)和分析。

4 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了動(dòng)車組車輪的冶煉工藝、熱成型工藝、熱處理工藝等進(jìn)行了深入的研究，產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)符合中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車輪技術(shù)條件要求，并完成了運(yùn)用考核。在批量生產(chǎn)時(shí)，從質(zhì)量控制、過(guò)程防控、用戶服務(wù)等發(fā)面采取有效的措施，形成了完整的質(zhì)量控制體系，確保了標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的質(zhì)量穩(wěn)定。隨著馬鋼技術(shù)和管理水平的提升，在不久的將來(lái)，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車輪完全自主化生產(chǎn)，代替國(guó)外進(jìn)口。