合金鋼組合轍叉制造工藝優(yōu)化研究

石成新

(中鐵山橋集團(tuán)有限公司，河北秦皇島 066205)

合金鋼組合轍叉制造工藝優(yōu)化研究

石成新

(中鐵山橋集團(tuán)有限公司，河北秦皇島 066205)

以92改進(jìn)型60kg/m鋼軌12號(hào)合金鋼組合轍叉為研究對(duì)象，結(jié)合其在線路應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、加工方式及刀具選用等方面針對(duì)心軌、翼軌及叉跟軌等關(guān)鍵零件的制造工藝進(jìn)行分析;分別就心軌、翼軌及叉跟軌的加工過程有針對(duì)性地提出改進(jìn)方案，對(duì)合金鋼組合轍叉的現(xiàn)行制造工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn);并通過加工試驗(yàn)，驗(yàn)證了工藝優(yōu)化的效果。

合金鋼組合轍叉;心軌加工;翼軌加工;叉跟軌加工;工藝優(yōu)化

1 概述

合金鋼組合轍叉是近年來被廣泛應(yīng)用于160 km/h以下線路上的拼裝式轍叉，由于其心軌具有高強(qiáng)度、高韌性及高耐磨性特點(diǎn)，其使用壽命可超過累計(jì)通過總重200Mt·km/km［1］。隨著合金鋼組合轍叉在線路上大量鋪設(shè)，在應(yīng)用中亦出現(xiàn)了諸如心軌斷裂、翼軌壓塌等嚴(yán)重病害(圖1)。結(jié)合合金鋼組合轍叉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)，優(yōu)化制造工藝，特別是優(yōu)化心軌、翼軌及叉跟軌等關(guān)鍵主件的加工工藝，對(duì)提高合金鋼組合轍叉整體質(zhì)量至關(guān)重要。

圖1 合金鋼組合轍叉失效形式

2 SC330HJG 合金鋼組合轍叉的特點(diǎn)［2－3］

(1)92改進(jìn)型60 kg/m鋼軌12號(hào)合金鋼組合轍叉(圖號(hào):SC330HJG)是按照92改進(jìn)型60 kg/m鋼軌12號(hào)道岔轍叉及護(hù)軌(圖號(hào):SC330)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用貝氏體合金鋼心軌與PD3鋼軌組合形式的拼裝式轍叉。

(2)客運(yùn)列車直向允許通過速度為120 km/h，軸重23t的貨運(yùn)列車直向允許通過速度為90 km/h。

(3)92改進(jìn)型60 kg/m鋼軌12號(hào)合金鋼組合轍叉幾何尺寸與60 kg/m鋼軌12號(hào)高錳鋼整鑄轍叉相同，可與整鑄轍叉實(shí)現(xiàn)互換。其鐵墊板的岔枕螺栓孔距與既有道岔混凝土岔枕螺栓孔距相同，鐵墊板與直股工作邊垂直布置。

(4)合金鋼組合轍叉的心軌與翼軌及叉跟軌采用間隔鐵和20條10.9級(jí)M27高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接;螺母采用施必牢防松螺母，并配以螺母防松套;在保持轍叉整體穩(wěn)定性的同時(shí)確保了溫度力的可靠傳遞。

(5)為了改善列車通過轍叉時(shí)的垂向不平順，翼軌自咽喉前部105mm處做6mm抬高處理，抬高至理論尖端前部188 mm處完成，抬高過渡段的長(zhǎng)度為650mm。

(6)合金鋼心軌的尖部結(jié)構(gòu)與高錳鋼整鑄轍叉心軌尖部結(jié)構(gòu)相同，由20mm斷面降低值為2.5mm平順過渡至50mm斷面降低值為0.2mm。合金鋼心軌自90mm斷面處與叉跟軌相連接，其工作邊斜度由1∶5平順過渡至1∶20。

(7)合金鋼組合轍叉的心軌采用鍛造貝氏體合金鋼材質(zhì)，其開鍛溫度為1 150℃，終鍛溫度不低于850℃［4］;鍛后經(jīng)熱處理得到無碳化物的板條狀貝氏體組織，其金相組織中的殘余奧氏體有較好的穩(wěn)定性;貝氏體合金鋼心軌的強(qiáng)度達(dá)到了淬火珠光體鋼軌的水平，其耐磨性優(yōu)于珠光體鋼軌，特別在高接觸應(yīng)力條件下，其耐磨性更為突出［5］。合金鋼心軌的力學(xué)性能見表 1［6］。

表1 合金鋼心軌力學(xué)性能

92改進(jìn)型60 kg/m鋼軌12號(hào)合金鋼組合轍叉(圖號(hào):SC330HJG)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 合金鋼組合轍叉制造工藝優(yōu)化

合金鋼組合轍叉由心軌、叉跟軌、翼軌、鐵墊板、間隔鐵與螺栓聯(lián)接系統(tǒng)及彈條扣壓系統(tǒng)組成，其中心軌、叉跟軌及翼軌是組成轍叉的關(guān)鍵零件，其制造工藝對(duì)轍叉的整體質(zhì)量有著決定性影響。

3.1 心軌的制造工藝

合金鋼心軌作為轍叉關(guān)鍵零件，其毛坯的冶煉、鍛造由專業(yè)鋼廠完成，轍叉制造廠采購(gòu)毛坯按相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)復(fù)驗(yàn)后即可用于生產(chǎn)。SC330HJG心軌(圖3)的常用工藝流程為:鍛造毛坯→檢查→劃線→銑端頭→二次劃線→銑底面→銑尖端側(cè)面→銑尾部側(cè)面→鉆端面中心孔→鏜銑R25圓弧→鉆螺栓孔→銑尾部立墻→銑尾部貼合面→與叉跟軌裝配→銑工作邊及降坡。

3.1.1 心軌尾部R25圓弧面加工優(yōu)化

按照上述制造工藝加工R25圓弧面主要存在2個(gè)難以克服的問題。

(1)采用鏜銑方式加工R25圓弧面需將心軌側(cè)臥于鏜床工作臺(tái)，待完成上側(cè)圓弧面的鏜銑后將心軌翻轉(zhuǎn)二次裝卡再鏜銑另一側(cè)圓弧面，如此加工難以保證二側(cè)圓弧面相對(duì)于心軌縱軸的對(duì)稱度，容易造成裝配叉跟軌后工作邊對(duì)稱度超差。

(2)鏜銑完R25圓弧面后再加工尾部立墻時(shí)，會(huì)因?yàn)榧庸ちΦ你姷侗P半徑遠(yuǎn)大于R25而不能銑削至圓弧面與立墻的切點(diǎn)處，從而殘留一段長(zhǎng)度5～10 mm的立墻需要人工打磨清根。

針對(duì)以上問題，對(duì)加工工藝進(jìn)行了優(yōu)化:改由數(shù)控龍門銑床以心軌縱向中心線為基準(zhǔn)編程銑出立墻二側(cè)面，再采用φ50棒銑刀編程銑削R25圓弧面，按立墻縱向斜度編程銑削殘留的5～10mm余料。經(jīng)加工試驗(yàn)效果良好，按優(yōu)化后的加工方法可將二圓弧面的對(duì)稱度控制在≤0.2mm，提高了圓弧面的表面粗糙度，省去了人工打磨清根工作，提高了心軌加工效率，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度;圖4是優(yōu)化前后加工的圓弧面對(duì)比。

3.1.2 心軌尾部貼合面結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖2 SC330HJG合金鋼組合轍叉(單位:mm)

圖3 SC330HJG心軌(單位:mm)

圖4 鏜銑與數(shù)控立銑加工的心軌R25圓弧面對(duì)比

SC330HJG心軌的尾部斷面設(shè)計(jì)為變截面結(jié)構(gòu)，其上、下裝配面均設(shè)計(jì)為1∶3斜面，以實(shí)現(xiàn)與叉跟軌上、下顎斜面的緊密貼合。此種結(jié)構(gòu)可確保合金鋼心軌與叉跟軌貼合緊密，傳力可靠，增強(qiáng)了組合轍叉的整體穩(wěn)定性。按SC330HJG合金鋼組合轍叉的設(shè)計(jì)意圖，需要采用板槽銑刀對(duì)叉跟軌的上、下顎進(jìn)行銑削，由此既增加了叉跟軌加工工序、降低生產(chǎn)效率，又需要添置專用板槽銑刀，增加加工成本。考慮到同樣結(jié)構(gòu)的60 kg/m鋼軌12號(hào)Ⅱ型提速合金鋼組合轍叉(圖號(hào):SC415A)的叉跟軌沒有對(duì)軌腰上、下顎進(jìn)行加工亦保證了裝配精度［7］，于是對(duì)SC330HJG心軌尾部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，將其上、下1∶3貼合斜面均向心軌縱軸線偏移0.3mm;經(jīng)此改進(jìn)后，省卻了對(duì)叉跟軌上、下顎的加工工序，提高了裝配效率。經(jīng)裝配檢驗(yàn)，轍叉的各部尺寸和精度滿足要求。心軌尾部?jī)?yōu)化前后的截面見圖5。

3.1.3 心軌螺栓孔鉆削工藝優(yōu)化

圖5 SC330HJG心軌尾部截面優(yōu)化(單位:mm)

心軌經(jīng)過淬火處理，其硬度達(dá)到HRC38～45，貝氏體合金鋼材料又具有韌性強(qiáng)、延展率大的特點(diǎn)，造成鉆削螺栓孔時(shí)出現(xiàn)鉆削力大、鐵屑切斷困難進(jìn)而形成切屑瘤、鱗刺，降低螺栓孔表面粗糙度甚至出現(xiàn)刮傷螺栓孔內(nèi)表面的現(xiàn)象。又由于鉆孔過程中，冷作硬化現(xiàn)象突出、材料導(dǎo)熱系數(shù)小，造成散熱不暢使得鉆削溫度快速升高，既降低了鉆頭壽命，又易導(dǎo)致心軌材料金相組織轉(zhuǎn)變，危及心軌質(zhì)量。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，影響心軌螺栓孔鉆削的關(guān)鍵因素主要有3個(gè):(1)鉆床的穩(wěn)定性與鉆削速度;(2)鉆頭的材料特性;(3)鉆頭的幾何參數(shù);這與文獻(xiàn)［8，9］的描述一致。

針對(duì)影響心軌螺栓孔鉆削的3個(gè)主要因素，有的放矢對(duì)鉆削工藝進(jìn)行了以下改進(jìn)。

(1)采用“大馬拉小車”的方式，將原由Z3050型搖臂鉆床加工螺栓孔改由Z3080型搖臂鉆床完成加工，保證鉆床具有抵抗過大鉆削力的足夠剛度，確保螺栓孔鉆削時(shí)鉆床穩(wěn)定。

(2)調(diào)整鉆削速度，將鉆床主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為60～70 rpm，主軸進(jìn)給量控制在0.1～0.2mm/rad，可獲得較高的鉆削效率，并能保證螺栓孔壁粗糙度不超過Ra12.5μm。

(3)改善鉆頭幾何參數(shù)，控制鉆頭的刃磨頂角不小于135°［10］，將鉆頭橫刃修磨成圓弧形，主切削刃前刀面倒棱寬度適當(dāng)加寬。

經(jīng)以上改進(jìn)，降低了鉆頭崩刃概率，延長(zhǎng)了鉆頭使用壽命，提高了心軌螺栓孔的鉆削質(zhì)量。

3.2 翼軌制造工藝改進(jìn)

SC330HJG合金鋼組合轍叉的翼軌采用PD3在線淬火鋼軌經(jīng)抬高和側(cè)向頂彎后加工而成。其工藝流程為:下料→劃線→鉆孔→抬高頂彎→側(cè)向頂彎→銑削軌頭工作邊→銑削軌底→磨修→檢查→組裝→銑削軌頂坡。

在翼軌制造過程中，最易出問題的是頂彎工序，而且在頂彎工序出現(xiàn)的問題通常都是難以彌補(bǔ)的破壞性損傷，例如:裂紋、斷裂等。經(jīng)過長(zhǎng)期對(duì)頂彎工序遭到破壞翼軌的分析研究，從翼軌的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制造工藝角度，總結(jié)出容易導(dǎo)致翼軌頂彎斷裂或出現(xiàn)裂紋的幾個(gè)較為主要的因素。

(1)翼軌設(shè)計(jì)彎折角度的影響，SC330HJG轍叉翼軌的最大設(shè)計(jì)彎折角度為4°6'，按照文獻(xiàn)［11］的研究結(jié)論，當(dāng)PD3鋼軌被彎折至4°46'時(shí)，其軌底最大縱向主拉應(yīng)變達(dá)到6.2%，此值已接近鋼軌母材8%的斷裂應(yīng)變值。在當(dāng)前生產(chǎn)中，翼軌頂彎時(shí)為消除鋼軌回彈的影響，實(shí)際頂彎角度必須超過翼軌的設(shè)計(jì)彎折角度。但在實(shí)際操作中，缺少用于控制頂彎角度超出量的限位裝置，由操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)自行把握。這樣就容易造成頂彎角度過大，導(dǎo)致鋼軌斷裂或出現(xiàn)裂紋。

(2)盡管翼軌在側(cè)向彎折位置被設(shè)計(jì)成半徑為R5 546.7mm及R13 449.7mm的大圓弧過渡形式，但是依據(jù)現(xiàn)有工藝條件，根本無法實(shí)現(xiàn)圓順過渡。在實(shí)際生產(chǎn)中只在一個(gè)彎折點(diǎn)附近通過頂彎達(dá)到設(shè)計(jì)彎折角度，容易造成鋼軌頂彎時(shí)斷裂。

(3)鋼軌彎折時(shí)頂彎速度的影響，由于翼軌頂彎工序依賴操作人員的經(jīng)驗(yàn)，如果頂彎速度較快，迫使鋼軌在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的塑性彎曲量過大，極易導(dǎo)致斷裂。

(4)環(huán)境溫度的影響，根據(jù)長(zhǎng)期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，鋼軌頂彎時(shí)更易發(fā)生斷裂。

結(jié)合以上容易導(dǎo)致翼軌頂彎斷裂的主要因素，對(duì)翼軌頂彎工藝提出以下優(yōu)化方案。

(1)通過設(shè)置鋼軌頂彎限位裝置，控制鋼軌彎折角度;通過限制液壓缸的頂出速度，控制鋼軌彎折速度;通過保持液壓頂彎?rùn)C(jī)頂出壓力的方式使鋼軌緩慢發(fā)生塑性彎曲，以消除回彈影響。

(2)翼軌頂彎時(shí)用間距相等的多個(gè)折線小碎彎來代替大圓弧彎折形式，以避免在彎折點(diǎn)附近集中頂彎造成鋼軌斷裂。

(3)冬季生產(chǎn)時(shí)確保廠房溫度高于20℃，露天存放的鋼軌需運(yùn)至廠房?jī)?nèi)保存一段時(shí)間，待鋼軌溫度達(dá)到環(huán)境溫度后再使用。

3.3 叉跟軌工藝改進(jìn)

在既有線路的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，合金鋼組合轍叉的一個(gè)多發(fā)病害是在心軌與叉跟軌貼合起始端經(jīng)常出現(xiàn)飛邊、掉塊現(xiàn)象［12］，如圖 6 所示。

圖6 叉跟軌尖端病害

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)考察分析后認(rèn)為，由于叉跟軌尖端沒有打磨造成了被車輪碾軋后出現(xiàn)飛邊甚至發(fā)展為掉塊的病害。因而，在叉跟軌的加工工藝中加入一道對(duì)叉跟軌尖端的倒鈍工序，改進(jìn)前后的叉跟軌與心軌裝配效果如圖7所示。經(jīng)改進(jìn)后，合金鋼組合轍叉在線路應(yīng)用中基本消除了前述病害。

圖7 叉跟軌尖端結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比

4 結(jié)論

以92改進(jìn)型60 kg/m鋼軌12號(hào)合金鋼組合轍叉(圖號(hào):SC330HJG)為研究對(duì)象，結(jié)合合金鋼組合轍叉應(yīng)用中出現(xiàn)的病害，通過對(duì)心軌、翼軌及叉跟軌三大關(guān)鍵零件現(xiàn)行制造工藝的研究，分析了現(xiàn)行制造工藝存在的問題，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化和改進(jìn)方案，總結(jié)如下。

(1)將心軌尾部二側(cè)R25圓弧面由鏜銑加工改為數(shù)控立銑加工方式，可提高二側(cè)圓弧面的對(duì)稱度至≤0.2mm，并可提高圓弧面的表面粗糙度至Ra12.5μm。經(jīng)此改進(jìn)后可大幅提高左、右叉跟軌工作邊對(duì)稱度，減少修磨時(shí)間。

(2)將SC330HJG心軌尾部上、下1∶3貼合斜面均向心軌中心線偏移0.3mm，省卻了對(duì)叉跟軌上、下顎的加工，仍能保證心軌與叉跟軌上、下顎的密貼，提高了裝配效率。

(3)鉆削心軌螺栓孔時(shí)，調(diào)整鉆床主軸轉(zhuǎn)速并控制主軸進(jìn)給量在合適范圍、將鉆頭頂角刃磨至不小于135°、橫刃修磨成圓弧形、主切削刃前刀面倒棱寬度加寬，可提高鉆孔質(zhì)量并延長(zhǎng)鉆頭壽命。

(4)翼軌頂彎時(shí)，通過限位裝置控制鋼軌的最大彎折角度，同時(shí)控制液壓缸頂出速度以達(dá)到使鋼軌緩慢彎折的目的，從而降低翼軌頂彎斷裂概率。

(5)對(duì)叉跟軌尖端銳邊進(jìn)行倒鈍處理，可消除合金鋼組合轍叉在應(yīng)用中由于車輪輪緣的碾軋而在叉跟軌尖端產(chǎn)生飛邊病害。

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Study on M anufacture Technology Optim ization of Alloy Steel Combined Frog

SHICheng-xin

(China Railway Shanhaiguan Bridge Group Co．，Ltd．，Qinhuangdao 066205，Hebei Province，China)

In this paper，the improved 92－type 12#alloy steel combined frog，which is for 60kg/m steel rail，was taken as the object of study．And then in combination with the problems in its applications in railway lines，this paper analyzed themanufacture technologies of nose rail，wing rail and extended splice rail，from the aspects of structure features，manufacture method and tool selection．Further，this paper proposed some improvement programs of the manufacture processes of nose rail，wing rail and extended splice rail respectively，and carried out the optimization to the currentmanufacture technology of alloy steel combined frog．Finally，bymeans of processing experiment，the effectof technology optimization was verified．

alloy steel combined frog;nose railmanufacture;wing railmanufacture;extended splice railmanufacture;technology optimization

U213.6

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．007

1004－2954(2014)03－0029－04

2013－08－11;

2013－08－30

石成新(1978—)，男，工程師，2009年畢業(yè)于東北大學(xué)，工學(xué)碩士，E-mail:108372169@qq．com。