高錳鋼心軌鍛造工藝研發(fā)及三維造型技術(shù)的應(yīng)用

文／喬震宇·青?？堤╄T鍛機(jī)械有限責(zé)任公司

轍叉心軌零件主要應(yīng)用于火車鋼軌開道岔活動的心軌和兩側(cè)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(hù)軌，機(jī)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(xiàn)了安全運行，減少了機(jī)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(yīng)用于鐵道機(jī)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(fù)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，F(xiàn)min=7110mm2，截面積之比接近3倍。當(dāng)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(fù)雜，可以一次成形，但必須要進(jìn)行制坯。因此，本設(shè)計的關(guān)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(xiàn)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(dǎo)致應(yīng)力集中的棱角。因此工藝設(shè)計時有兩個關(guān)鍵點：⑴需要設(shè)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(xiàn)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(shù)及設(shè)計計算

鍛件圖設(shè)計

⑴分模位置。分模面設(shè)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(yīng)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(lián)合鍛造。我公司6.8萬噸多功能液壓機(jī)生產(chǎn)線未配置坯料的開坯設(shè)備，所以以壓機(jī)中心為模塊的鍛打中心只有終鍛模膛；在鍛模長度方向設(shè)計兩組導(dǎo)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(shè)計了相應(yīng)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(nèi)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(jìn)而繪制計算毛坯圖。

根據(jù)SolidWorks軟件模擬，鍛件在變形的過程中坯料一直處于變化狀態(tài)，金屬沿長度方向流動的阻力較大。當(dāng)計算毛坯的截面變化較大，需要金屬流動的距離又長時，應(yīng)先進(jìn)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(jù)以上分析，結(jié)合氧化燒損等，最終確定采用的毛坯規(guī)格為φ150mm×2250mm，在我公司6.8萬噸多功能液壓機(jī)生產(chǎn)線上進(jìn)行調(diào)試生產(chǎn)，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(shè)計

模具對實現(xiàn)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(jīng)濟(jì)可行的決定因素，模具的設(shè)計與制造質(zhì)量是實現(xiàn)鍛壓工藝高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗的最重要的保證之一。在產(chǎn)品開發(fā)階段對工藝計算和程序加工進(jìn)行仿真模擬，可以預(yù)先找到問題的關(guān)鍵點，本次設(shè)計主要應(yīng)用了SolidWorks三維造型軟件、CAD繪圖軟件和UG軟件進(jìn)行分析與優(yōu)化。

模具設(shè)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(jìn)行拔模、底切分析檢驗熱鍛件是否符合模具設(shè)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(rèn)刀軌無誤之后再進(jìn)行機(jī)床仿真，經(jīng)后處理轉(zhuǎn)換為數(shù)控銑床G代碼程序。UG軟件機(jī)床仿真模擬，再現(xiàn)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(chǎn)制造當(dāng)中，實現(xiàn)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(shè)計優(yōu)化，該心軌試制件的坯料采用圖5所示的圓形棒料經(jīng)機(jī)加工而成；鍛造前把模具預(yù)熱到200℃～300℃，用紅外線測溫槍監(jiān)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(qū)間為980℃～1150℃。

借助造型模擬軟件，在開發(fā)設(shè)計階段提前優(yōu)化工藝，減少后期試制時的調(diào)試次數(shù)，提高了新產(chǎn)品一次開發(fā)成功率，縮短了開發(fā)周期。從產(chǎn)品設(shè)計到設(shè)計優(yōu)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(dá)到92%。圖6為調(diào)試合格的零件。

結(jié)束語

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