高锰钢心轨锻造工艺研发及三维造型技术的应用
2018-07-03乔震宇青海康泰铸锻机械有限责任公司
文／乔震宇·青海康泰铸锻机械有限责任公司
辙叉心轨零件主要应用于火车钢轨开道岔活动的心轨和两侧心轨，挡轨墙分别与道岔直股，曲股心轨相对，形成道岔直股曲股钢轨线路组合成为镶嵌式辙叉，是铁路分道和承载的重要部件。它的作用是消除开道岔固定辙叉上存在的有害空间，并可取消护轨，机车车辆通过使用铁路道岔活动心轨组装辙叉时是没有辙叉的道岔，不仅仅是减少了对道岔辙叉部分的磨损，更主要的是实现了安全运行，减少了机车车辆的颠簸，晃动，使乘客旅行更舒适，安全。本文所述心轨应用于铁道机械，最长长度2207mm，最高高度182mm，高筋宽度最大113.6mm，高筋宽度最小10mm。其零件示意图如图1所示。
模锻工艺分析
由图1可知，该心轨属于复杂的长杆类锻件，带薄筋，锻件的长度与宽度之比较大，锻造变形时金属主要是沿高度与宽度方向流动，长度方向流动不显著。锻件中段截面积Fmax=19442mm2，Fmin=7110mm2，截面积之比接近3倍。当锻件计算毛坯截面变化较大时，往往需要考虑拔长或滚压模膛。心轨零件的特点是形状复杂，可以一次成形，但必须要进行制坯。因此，本设计的关键就是采用一定的工艺措施，得到符合要求的零件。
本文所述锻件要求锻造尺寸精度好、无充不满的现象，且材料为特殊钢种，属耐磨材料加工难度大，锻件的加工余量小，不允许存在导致应力集中的棱角。因此工艺设计时有两个关键点：⑴需要设计制坯工序。如果直接使用圆棒料锻压，材料利用率低，且可能出现锻打厚度尺寸不均匀，飞边容易卡在飞边槽里，锻件不容易脱模取出；⑵合理选择分模面。必须使坯料易充满模膛、锻件易从模膛中取出，简化模具加工制造。
心轨工艺参数及设计计算
锻件图设计
⑴分模位置。分模面设计在锻件的最大轮廓处。
⑵锻件余量。锻件材料为高锰合金，其密度为7.85g/cm3，锻件重量为196.7kg。零件的表面粗糙度为Ra3.2μm，应用户要求及锻造工艺需要，锻件留有3～5mm加工余量。图2所示为心轨热锻件示意图。
图2 心轨热锻件示意图
由于心轨锻件属于长杆类锻件，杆很长而且较薄，因此采用联合锻造。我公司6.8万吨多功能液压机生产线未配置坯料的开坯设备，所以以压机中心为模块的锻打中心只有终锻模膛；在锻模长度方向设计两组导向柱，解决水平分模易错模的问题，保证锻件的合格率。
终锻成形过程中，模膛的桥部宽度、高度等均会对锻件充满和尺寸造成影响。考虑到中段杆部与两头杆部截面变化大，成形状况不同，分别设计了相应的桥部宽度尺寸，如图3所示。两端头的飞边仓开通是为了便于锻件取出，该处模膛型槽较浅尺寸较小，成形速度较快，在同等径坯料的情况下先出飞边。
该锻件在分模面上的投影面积F分=444332 mm2，锻件周边长度L周=4926mm，锻件体积V锻=25057324mm3，锻件飞边的平均截面积F飞=2641mm2， 飞 边 体 积 V飞=6932640mm3。 由 此得出锻件计算毛坯的长度（包括拔模斜度在内的热锻件的长度）L计=2267mm，计算毛坯的体积V计=31989964mm3，计算毛坯的平均截面积F平=13639mm2，进而绘制计算毛坯图。
根据SolidWorks软件模拟，锻件在变形的过程中坯料一直处于变化状态，金属沿长度方向流动的阻力较大。当计算毛坯的截面变化较大，需要金属流动的距离又长时，应先进行拔长。利用SolidWorks测出不带飞边的锻件体积为24534221mm3，分模面的周长为4771mm，锻件水平投影面积380084mm2，锻件长2267mm。
据以上分析，结合氧化烧损等，最终确定采用的毛坯规格为φ150mm×2250mm，在我公司6.8万吨多功能液压机生产线上进行调试生产，工艺流程为：下料→棒料加工→加热→终锻→割毛边。
图3 中段杆部与两头杆部桥部示意图
锻造模具设计
模具对实现整个锻造过程有着十分重要的意义，其寿命是评价某一种锻造方法经济可行的决定因素，模具的设计与制造质量是实现锻压工艺高产、优质、低耗的最重要的保证之一。在产品开发阶段对工艺计算和程序加工进行仿真模拟，可以预先找到问题的关键点，本次设计主要应用了SolidWorks三维造型软件、CAD绘图软件和UG软件进行分析与优化。
模具设计到型腔加工
采用造型软件绘制三维热锻件实体，确定热锻件的分模面，进行拔模、底切分析检验热锻件是否符合模具设计原则；再运用造型软件模具菜单中的特征命令，快捷的生成模具型腔如图4所示，把SolidWorks文件另存为X.T格式的文件，用UG软件打开此文件，编辑加工刀具、编辑几何体、编辑加工工序，生成刀具轨迹，确认刀轨无误之后再进行机床仿真，经后处理转换为数控铣床G代码程序。UG软件机床仿真模拟，再现了一个完整的模具型腔加工过程，最终运用到心轨模具的实际生产制造当中，实现了CAD/CAE/CAM一体化。
图4 SolidWorks心轨模具造型
图5 坯料下料尺寸
图6 锻件示意图
工艺实践
通过多次工艺方案及模具设计优化，该心轨试制件的坯料采用图5所示的圆形棒料经机加工而成；锻造前把模具预热到200℃～300℃，用红外线测温枪监控温度；锻造过程中采用水基石墨润滑模具型腔和玻璃粉润滑热坯料；锻造温度区间为980℃～1150℃。
借助造型模拟软件，在开发设计阶段提前优化工艺，减少后期试制时的调试次数，提高了新产品一次开发成功率，缩短了开发周期。从产品设计到设计优化再到模具加工制造总计用时10天即可完成。最终试制锻件各部位充填情况良好，尺寸合格，材料利用率达到92%。图6为调试合格的零件。
结束语
本文主要对心轨类锻件在开发过程中积累的经验进行了总结。目前市场上客户对零件产品交付时间节点要求越来越严苛，必须把缩短产品研发周期作为努力的方向。在工艺设计阶段进行充分的可行性分析和可靠性分析，完善优化模具设计，充分运用计算机辅助制造(CAE/CAM)技术，才能在指定交货期内生产出合格的零件。
