螺紋擠壓成形技術在軌道客車制造中的應用

王宏圖，張保林，韓 笑，劉春海

（1.中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063035；2.河北省軌道車輛轉向架技術創新中心，河北 唐山 063035）

引言

近幾年，我國軌道交通行業迅猛發展，運行速度不斷提高，新的制造技術也不斷應用到軌道交通制造中，對高速動車組制造提出了更高的技術要求。轉向架作為高速動車組的走行部位，其多個關鍵部位采用螺栓連接方式來滿足強度高、耐用性好、易更換的運營和檢修要求[1]。高速動車組轉向架輪對更換頻繁，約1.5年就要對轉向架進行分解檢修，保證安全運行至下一個高級修程[2]，頻繁地更換需要螺紋具有良好的耐磨性，且該處螺栓連接保證節點傳遞牽引力(或制動力)、橫向力、垂向力和振動沖擊，因此，該處螺紋連接強度直接關系到車輛運行的穩定和安全，采用擠壓成形技術可以獲得良好的使用效果。動車組轉臂簡圖如圖1所示。

圖1 動車組轉臂

1 擠壓成形螺紋的技術特點

傳統軌道車輛螺紋制造采用切削絲錐來完成，相比較于切削成形螺紋，擠壓成形螺紋具有以下特點[3]：

1）螺紋擠壓成形后齒側面很平滑，光潔度好。材料纖維保持連續，螺紋擠壓成形過程有加工硬化作用，擠壓獲得的螺紋強度大大高于切削的螺紋，可以滿足高速動車組關鍵部位高強度、易更換的要求。

2）螺紋擠壓過程不產生切屑，避免了因鐵屑造成的折刀事故。雖然攻絲扭矩大，但擠壓絲錐沒有容屑槽，絲錐的結構強度大，可以大幅度提高切削速度。

3）擠壓絲錐加工螺紋孔的彈性恢復比切削絲錐大，彈性恢復造成的螺紋收縮在攻絲后的瞬間完成，螺孔大小穩定。由于沒有切屑等隨機變動因素的影響，加工孔精度較高。

4）擠壓絲錐無鋒利刀尖，不宜磨損，壽命可達到切削絲錐壽命的數倍。

5）擠壓成形過程是靠工件的塑形變形完成，故需要工件具有一定的延展性，即較好的塑形變形能力。

6）不可修復。由于擠壓螺紋的扭矩大，彈性恢復量大，螺紋在加工過程意外終止時，不可繼續加工恢復完成擠壓螺紋的任務。

2 擠壓成形刀具的特點

內螺紋擠壓成形工具一般為擠壓絲錐，擠壓絲錐通過絲錐上螺紋棱帶使金屬變形，獲得相應牙型。擠壓絲錐與普通切削絲錐有所不同，切削部分為帶有尖端圓弧的多邊形截面新型內螺紋加工刀具，如圖2所示。擠壓絲錐橫截面為棱圓。棱圓的高點為棱脊，承擔所加工螺紋的擠壓和校準工作。棱圓的低凹部分是棱背，它一般由兩段相切的阿基米德鏟磨曲線組成，起分齒作用，使該絲錐逐層分齒擠壓，并減少螺孔加工過程中的摩擦阻力[4-5]。

圖2 擠壓絲錐橫截面

3 螺紋擠壓成形的技術條件

1）適于擠壓絲錐加工的材料，應具有以下特性[6-7]：擠壓材料有一定的延展性，塑形變形能力好，一般認為，擠壓絲錐適合于加工延展率≥20%，且碳含量偏低的材料。軌道車輛關鍵部件轉向架常用S355耐候鋼，所用鋼板基本化學成分如下頁表1所示，金屬斷后生產率≥21%，可以滿足螺紋擠壓要求。

表1 化學成分（質量分數） %

2）合理配置機床與刀具。機床具有剛性攻絲能力，可以適應進給和主軸轉動之間的速度匹配，完成正轉、反轉和補償。軌道客車制造設備大部分為西門子840D數控加工機床，可以滿足擠壓螺紋制造需求。

3）合理選配加工參數。金屬加工時，一般會選擇高轉速提高生產效率，加工速度越高，擠壓過程越迅速，摩擦產熱量也就越大。金屬被加熱后自身強度下降，反而會降低攻絲扭矩。因此，軌道車輛制造中擠壓成形工藝參數會高于切屑絲錐工工藝參數的40%～60%。以M20螺紋為例，國內推薦值為18.8 mm，歐洲刀具制造商推薦為18.9 mm，通過實際生產過程中對加工中心控制面板有功率監控記錄可以得出，底孔對切削功率的影響幾乎為線性變化，當底孔增大一定范圍時，功率不再變化，如圖3所示。

圖3 切削功率和底孔關系

4 擠壓成形過程中的故障處理

螺紋擠壓成形在軌道交通制造批量化生產過程中，仍然會發生以下應用型問題。

1）擠壓螺紋中徑不合格。通常表現為通止規檢測不合格，或者大端不能止住或者小端不能通過。實驗發現，絲錐磨損后均可造成以上問題。針對軌道客車大批量、自動化程度較高的生產過程，提高絲錐的更新頻率，成為解決問題的最直接方法。

2）螺紋成形不良。在制造某新型動車組的轉向架過程中，發現螺紋頂部有微裂紋、螺紋發黑的現象。經過分析，螺紋底孔偏小是造成問題的主要原因。

3）擠壓扭矩高。在生產過程中，通過監控機床功率可以看到，同一產品會出現扭矩偏高情況，扭矩大意味著擠壓阻力大，絲錐磨損增加，增加了螺紋成型不良的風險。經過現場分析，金屬擠壓過程加注合理的切削液后，問題得以解決。

4）機床精度降低。機床在長使用過程中，信號系統老化，信號傳遞不穩定。通過制定合理的機床精度校準計劃，生產得以順利進行。

5）產品設計結構問題。工件局部剛性差，加工過程容易發生變形、共振問題，導致螺紋成形不良。改善產品的結構剛度有助于提高擠壓成形的成功率。

6）工裝結構問題。擠壓成形的抗力大，需要工裝支撐，但是由于生產條件約束未能滿足生產需求，造成螺紋成形不良。故改變加工參數，降低切削抗力，以提高加工成功率。

5 結語

螺紋擠壓成形的效率高，加工后的螺紋孔無金屬屑殘留，且螺紋光潔度好，尺寸精度高、耐磨性好、強度大。2011—2017年，通過對250列動車組轉向架維修檢查驗證，該處螺紋狀態良好，未發生過螺紋滑絲、表面魚鱗等問題，且在五級修階段，擠壓成形螺紋表面質量明顯好于切削成形螺紋。螺紋擠壓成形技術在軌道交通行業具有很高的推廣、應用價值。