道岔異型鋼軌跟端加長600 mm熱鍛成形關(guān)鍵技術(shù)

王子舒

（中鐵寶橋集團(tuán)有限公司 道岔分公司, 陜西 寶雞 721006）

0 引言

非對稱斷面鋼軌因其高度低、穩(wěn)定性好等特點(diǎn), 一般用于道岔尖軌[1］。非對稱斷面尖軌跟端鍛壓成標(biāo)準(zhǔn)軌型與導(dǎo)軌連接, 尖軌跟端鍛壓段由過渡段和成型段組成, 一般過渡段長度150 mm, 成型段長度450 mm, 在現(xiàn)場更換尖軌等特殊情況下, 存在成型段需加長600 mm的需求。為實(shí)現(xiàn)尖軌更換時既不增加焊縫, 又能使焊縫居中, 最有利的方案是把尖軌跟端的成型段長度加長一個軌枕間距（600 mm）[2］。研制跟端加長型道岔尖軌, 實(shí)現(xiàn)截面均勻延伸, 再與后端的導(dǎo)軌焊接, 相應(yīng)的墊板等零部件均不發(fā)生變化, 此技術(shù)具有簡單、便捷的特點(diǎn), 特別適用于現(xiàn)場應(yīng)急救援, 加長型尖軌更換示意見圖1。

圖1 加長型尖軌更換示意圖

1 存在問題

一般情況下, 道岔的非對稱斷面異型鋼軌成型段為450 mm, 在特殊狀態(tài)下需要采用加長型異型鋼軌, 便于現(xiàn)場更換, 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)見圖2。一直以來, 道岔生產(chǎn)廠家鍛造設(shè)備按成型段450 mm配置, 壓力機(jī)最大噸位約為5 000 t, 要實(shí)現(xiàn)異型鋼軌跟端加長600 mm, 采用分段成形的方式實(shí)現(xiàn)。此方案不可避免出現(xiàn)接頭搭接處表面充填不足、彎曲變形、折疊、鍛壓段直線度超差等工藝難題, 同時采用分段成形工藝很難實(shí)現(xiàn)跟端熱鍛成形自動化, 增加了鍛壓工藝復(fù)雜程度。經(jīng)壓力計(jì)算, 采用常規(guī)方式進(jìn)行加長型異型鋼軌一次整體成型, 所需壓力機(jī)噸位會成倍增加, 整體成形噸位超過8 000 t。為適應(yīng)鐵路線路更換非對稱斷面異型鋼軌作業(yè)的快速性、便捷性以及經(jīng)濟(jì)性要求, 同時實(shí)現(xiàn)跟端加長型異型鋼軌的生產(chǎn)自動化和產(chǎn)品高質(zhì)量, 亟待研究道岔異型鋼軌跟端加長600 mm熱鍛成形關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 60AT1-60 kg/m異型鋼軌跟端加長產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 熱鍛成形方案

目前異型鋼軌熱鍛成形主要有2種方式, 縱向2個工位活塊組合模具成形方式（見圖3）和橫向4個工位整體模具成形方式（見圖4）。根據(jù)各自成形方式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 活塊組合式適用于成型段≤600 mm, 且軌頭變形較小的產(chǎn)品, 能實(shí)現(xiàn)預(yù)鍛和終鍛之間前后縱向快速換模[3］；橫向4個工位整體式適用于尺寸精度要求高的產(chǎn)品, 利于實(shí)現(xiàn)各工位間快速換模。

圖3 ?活塊組合式

圖4 整體式

在此研究產(chǎn)品的成型段長度為1 050 mm, 采用活塊組合式結(jié)構(gòu)上模架長度為860 mm, 若要實(shí)現(xiàn)成型段1 050 mm, 則必須采用分段成形模式, 即第1段成形600 mm, 再進(jìn)行第2段成形550 mm（包括100 mm相接段）, 分段成形過程見圖5。經(jīng)試驗(yàn), 第1段和第2段相接位置容易出現(xiàn)軌肢寬度超負(fù)差, 軌肢側(cè)面呈波浪形狀, 接茬部位軌肢上表面出現(xiàn)臺階狀, 魚尾空間超差嚴(yán)重, 形狀尺寸不能滿足跟端加長600 mm產(chǎn)品成形需求[4］。

圖5 分段成形過程

對比異型鋼軌成形質(zhì)量、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、自動化方式, 選用橫向4個工位整體模具成形方式進(jìn)行60AT1跟端加長600 mm異型鋼軌熱鍛成形。

2.1.1 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)上述分析, 選用的熱鍛成形方案需分別設(shè)計(jì)4個工位模具, 前3個工位模具為成形模具, 第4個工位模具為切邊模具。4個工位模具結(jié)構(gòu)示意見圖6。

圖6 4個工位模具結(jié)構(gòu)示意圖

（1）第1工位。由于毛坯料為60AT1非對稱斷面鋼軌, 設(shè)計(jì)第1工位模具結(jié)構(gòu)時, 考慮長短肢兩側(cè)金屬分配問題, 結(jié)合毛坯料軌腰金屬量確定上、下模軌肢寬度和軌高, 使成形后長肢側(cè)軌腰和軌肢夾角＞95°, 避免第2工位成形時內(nèi)圓弧出現(xiàn)折疊等缺陷, 同時還應(yīng)避免第2工位成形時造成長肢側(cè)軌肢內(nèi)圓弧出現(xiàn)折疊或不可逆的局部缺肉[5］。

（2）第2工位。第2工位模具對毛坯料進(jìn)行軌底成形, 確保第3工位模具能順利完成合模成形而不產(chǎn)生缺陷。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時, 端頭短肢側(cè)軌底寬度能否延伸至155 mm是成形成功與否的關(guān)鍵。另外第2工位軌頭朝下成形, 第2工位模具是左右拼裝模具, 出模時容易出現(xiàn)夾料現(xiàn)象, 造成脫模不暢, 所以設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時, 應(yīng)重點(diǎn)考慮鋼軌出模問題[6］。

（3）第3工位。第3工位模具負(fù)責(zé)產(chǎn)品最終成形, 是終鍛模具。除考慮產(chǎn)品外形、金屬量等, 還應(yīng)結(jié)合后續(xù)機(jī)加工因素確定模具結(jié)構(gòu)尺寸[7］。

（4）第4工位。第4工位模具主要切除前工位產(chǎn)生的飛邊, 是切飛邊模具。設(shè)計(jì)時需重點(diǎn)考慮軌頭及軌底剪刃結(jié)構(gòu)尺寸, 既要便于飛邊切除, 又要避免出現(xiàn)夾料現(xiàn)象。

2.1.2 數(shù)值模擬

利用三維設(shè)計(jì)軟件Solideworks分別創(chuàng)建各工位上模和下模, 毛坯料60AT1與上下模組裝成合模狀態(tài)并導(dǎo)入有限元分析軟件中, 合模狀態(tài)示意見圖7。

圖7 合模狀態(tài)示意圖

毛坯料60AT1及第1工位模具導(dǎo)入有限元分析軟件, 調(diào)整其位置, 進(jìn)入待合模狀態(tài), 對毛坯料60AT1及模具進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

設(shè)置模擬參數(shù)如下：毛坯料始鍛溫度為1 150℃, 塑性體；模具溫度為200℃, 剛性體；毛坯料體積保持不變。上模主運(yùn)動, 運(yùn)動速度設(shè)置為14 mm/s, 其余參數(shù)默認(rèn)[8］。設(shè)置模擬參數(shù)后進(jìn)行數(shù)值模擬, 第1工位模擬過程見圖8。

圖8 第1工位模擬過程

以第1工位成形工件作為第2工位的毛坯, 按上述方法進(jìn)行第2、第3工位模擬, 模擬過程見圖9、圖10。

圖9 第2工位模擬過程

圖10 第3工位模擬過程

根據(jù)模擬結(jié)果, 查看各工位成形過程中是否存在金屬折疊以及各工位所需鍛造壓力, 進(jìn)而指導(dǎo)模具工藝優(yōu)化及工藝參數(shù)設(shè)計(jì)[9］。對各工位成形后工件進(jìn)行分析并查看金屬流動趨勢圖, 各工位成形后工件見圖11, 各工位未見金屬折疊, 表明模具結(jié)構(gòu)合理。

圖11 各工位成形后工件

由模擬結(jié)果可知, 各工位鍛造壓力機(jī)噸位分別為2 320、4 890、14 300 t。目前我國道岔生產(chǎn)廠家壓力機(jī)噸位為5 000~6 000 t, 故需要進(jìn)行二火加熱整型。各工位鍛造壓力機(jī)噸位見圖12。

圖12 各工位鍛造壓力機(jī)噸位

在5 000 t壓力機(jī)噸位下, 第3工位工件飛邊尺寸見圖13, 軌頭和軌底飛邊較小, 根據(jù)現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn), 飛邊較小時, 采用切飛邊模具容易夾料, 為便于鋼軌順利脫模, 第3工位一火成形后不切飛邊, 直接進(jìn)行二火加熱。

圖13 第3工位極限壓力機(jī)噸位下工件飛邊尺寸

2.2 自動化成形方案

為降低工人勞動強(qiáng)度, 提高產(chǎn)品穩(wěn)定性, 主要從送料、入模壓形以及下料方式的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等方面考慮, 對鋼軌熱模鍛成形工件的上料、入爐加熱、入模成形及下料全自動控制進(jìn)行設(shè)計(jì), 主要包括連續(xù)自動上料系統(tǒng)、四軸聯(lián)動操作機(jī)、自動下料系統(tǒng)[10］, 總體布局見圖14。

圖14 總體布局圖

2.2.1 連續(xù)自動上料系統(tǒng)

連續(xù)自動上料系統(tǒng)設(shè)置2級上料單元, 第1級為儲料架, 第2級為上料架。儲料架和上料架分別固定在基礎(chǔ)上, 橫向不對接, 縱向錯位后搭接。根據(jù)鋼軌長度制作若干個儲料架和上料架, 并且沿鋼軌長度方向布置, 連續(xù)自動上料系統(tǒng)見圖15。

圖15 連續(xù)自動上料系統(tǒng)

（1）每個儲料架安裝橫向移動的單向推料頂頭, 頂頭采用鏈條和傳動軸連接, 采用電機(jī)驅(qū)動傳動軸旋轉(zhuǎn), 實(shí)現(xiàn)各個儲料架的頂頭同步橫向移動, 通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)推料頂頭推料和回程, 使鋼軌依次平移至上料架, 儲料架結(jié)構(gòu)見圖16。

圖16 儲料架結(jié)構(gòu)

（2）每個上料架安裝等距多頂頭單向橫向推料機(jī)構(gòu), 頂頭間距根據(jù)取料操作機(jī)寬度確定, 推料機(jī)構(gòu)采用連接板和液壓缸連接, 液壓管路安裝液壓調(diào)速器, 實(shí)現(xiàn)各個上料架等距推料機(jī)構(gòu)橫向同步平行移動, 在第1個上料架的取料位和尾部分別安裝光電傳感器, 檢測來料情況并對控制器發(fā)送信號。儲料架上安裝手動拉料機(jī), 利用手動拉料機(jī)將鋼軌逐根依次平移至上料架, 通過上料架的推料機(jī)構(gòu)將軌件等距分開放置, 便于入爐加熱, 上料架結(jié)構(gòu)見圖17。

圖17 上料架結(jié)構(gòu)

2.2.2 四軸聯(lián)動操作機(jī)

（1）壓力機(jī)后側(cè)布置1套操作機(jī), 用于完成工件壓制過程中的各工藝動作。操作機(jī)可完成上下、前后、左右移動及旋轉(zhuǎn)、夾緊等動作。該裝置是鋼軌鍛壓成型的送料機(jī)構(gòu), 主要由車架、夾緊裝置、動力輸送裝置、定位裝置、自動控制裝置組成, 能完成感應(yīng)爐加熱、壓力機(jī)鍛造、出料等工藝過程間的鋼軌傳遞。

（2）操作機(jī)由橫向輸送大車、縱向輸送小車組成。橫向輸送大車主要完成鋼軌加熱位置、鍛造成形位置間的橫向輸送；縱向輸送小車主要完成鋼軌的夾緊、升降、入爐加熱, 配合鋼軌鍛造成形工藝要求實(shí)現(xiàn)鋼軌入模、拔模、出模、旋轉(zhuǎn)等動作, 然后把鋼軌送至下料區(qū)。

2.3 熱鍛成形試驗(yàn)

各系統(tǒng)安裝后, 分別測試每個系統(tǒng)動作, 保證能正常工作。橫向換模系統(tǒng)與壓力機(jī)主控制系統(tǒng)相連, 由壓力機(jī)主控制系統(tǒng)控制橫向換模、行程和鎖緊, 鋼軌熱鍛成形自動控制生產(chǎn)線見圖18。

圖18 鋼軌熱鍛成形自動控制生產(chǎn)線

2.3.1 自動控制參數(shù)

將熱模鍛成形4個工位模具安裝在壓力機(jī)橫向換模上下滑動板上, 根據(jù)模具尺寸及第4工位卸料缸位置, 確定第1、第2工位橫向換模位置參數(shù)為320 mm, 第3、第4工位橫向換模位置參數(shù)為700 mm。通過現(xiàn)場試驗(yàn)調(diào)整, 分別確定加熱爐、4個工位的橫向與縱向位置及旋轉(zhuǎn)角度和高度, 自動控制參數(shù)見圖19。

圖19 自動控制參數(shù)

2.3.2 模具熱鍛成形

選用4根試驗(yàn)件, 采用通用感應(yīng)電加熱爐加熱, 始鍛溫度為1 150℃, 利用自動上、下料系統(tǒng)完成異形鋼軌端加長600 mm熱鍛成形試驗(yàn)。熱鍛成形及機(jī)加工圖見圖20。

圖20 熱鍛成形及機(jī)加工圖

熱鍛成形工藝過程為：

（1）將一批鋼軌放置于儲料架上→操作工配合天車將鋼軌擺正→控制儲料架的拉料機(jī)構(gòu)。

（2）將鋼軌平移至上料架→利用上料架的推料機(jī)構(gòu)將軌件等距依次平移至取料位→操作機(jī)夾持鋼軌送料入爐加熱→鋼軌加熱→利用操作機(jī)橫向和縱向移動完成鋼軌出爐和第1工位入模→第1工位壓型合?！_模。

（3）操作機(jī)橫向、縱向移動并旋轉(zhuǎn)90°或270°至第2工位→第2工位壓型合?！_模。

（4）小車縱向移動出模到位后旋轉(zhuǎn)90°或270°同時模具橫向移動裝置完成第2工位至第3工位移動→第3工位壓型合?！_?！≤噴A緊鋼軌移動至第4工位→第4工位合?！_模。

（5）小車縱向移動出模并旋轉(zhuǎn)90°→小車橫向移動至加熱爐→鋼軌二火加熱→加熱完成后操作機(jī)橫向、縱向移動至第3工位并完成鋼軌入?！?工位壓型合?！_?！≤噴A緊鋼軌移動至第4工位→第4工位合?！撥壋瞿Ｖ料铝吓_→操作機(jī)回取料位取料。

2.3.3 試件檢驗(yàn)

異型鋼軌跟端加長600 mm熱鍛成形試驗(yàn)經(jīng)多次模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化, 最終完成熱鍛成形, 試件檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 試件檢測數(shù)據(jù) mm

隨機(jī)挑選尺寸合格產(chǎn)品進(jìn)行軌頭正火硬度、拉伸性能、低倍組織、顯微組織、脫碳層深度、超聲波探傷、磁粉探傷、疲勞試驗(yàn), 其中1件脫碳層試件脫碳層深度為0.59 mm, 由于送檢試件軌頂面未加工, 正常產(chǎn)品均有不小于1 mm的加工量, 所以正常產(chǎn)品脫碳層深度符合標(biāo)準(zhǔn)要求（小于0.5 mm）。其余檢測項(xiàng)點(diǎn)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）針對線路維修等特殊情況需更換跟端加長異型鋼軌, 通過模具設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬、試件驗(yàn)證等方式, 開發(fā)了一套生產(chǎn)加長型非對稱斷面異型鋼軌的4個工位模具。該套模具能實(shí)現(xiàn)跟端1次整體成形, 成形斷面均勻延伸, 減少鍛造次數(shù)及加熱次數(shù), 解決了分段鍛壓后發(fā)生彎曲變形、表面充填不足、折疊、鍛壓段直線度超差等工藝難題, 成型段長度不小于1 050 mm。

（2）針對異型鋼軌鍛壓成形特點(diǎn), 開發(fā)了一套完整的異型鋼軌熱鍛成形自動生產(chǎn)線, 實(shí)現(xiàn)了異型鋼軌熱鍛成形全自動生產(chǎn), 極大地降低了勞動強(qiáng)度, 提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

（3）加長異型鋼軌的成功開發(fā), 改變了線路更換尖軌的方式, 縮短了更換時間, 提升了工務(wù)養(yǎng)護(hù)水平和效率, 具有顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

道岔異型鋼軌跟端加長600 mm熱鍛成形技術(shù)采用4個工位模具1次整體熱鍛成形, 壓力機(jī)最大噸位為5 000~5 200 t, 成型段長度可達(dá)1 050 mm, 產(chǎn)品尺寸及理化性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求, 產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定, 操作簡單, 工藝重復(fù)性好, 外觀及魚尾空間滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)異型鋼軌熱鍛成形特點(diǎn)采用操作機(jī)自動上、下料系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)異型鋼軌成型段加長600 mm熱鍛成形產(chǎn)品的全自動生產(chǎn), 整個生產(chǎn)過程中不需要操作人員干預(yù), 全部按預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行, 大幅降低工人勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約生產(chǎn)成本。