有軌電車主軸軸座鍛造工藝與模具設(shè)計(jì)

文/王盛鑫·大連機(jī)車車輛有限公司

阮發(fā)林，張建鑫·戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司鍛壓事業(yè)部

有軌電車主軸軸座鍛造工藝與模具設(shè)計(jì)

文/王盛鑫·大連機(jī)車車輛有限公司

阮發(fā)林，張建鑫·戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司鍛壓事業(yè)部

王盛鑫，工藝師，從事機(jī)車產(chǎn)品鍛造工藝設(shè)計(jì)及模具設(shè)計(jì)制造工作。參與完成的《HXD3型電力機(jī)車牽引從動(dòng)齒輪國(guó)產(chǎn)化熱處理工藝研究與應(yīng)用》獲中國(guó)北車集團(tuán)2013年度科技成果二等獎(jiǎng)，同時(shí)擁有1項(xiàng)發(fā)明專利，1項(xiàng)實(shí)用新型專利。

有軌電車主軸軸座鍛件截面積變化較大，鍛造工藝難點(diǎn)多。采用一模兩腔的模具設(shè)計(jì)可節(jié)省鍛模材料22%。坯料帶飛邊預(yù)鍛后終鍛試制出的樣件無缺陷，表面質(zhì)量?jī)?yōu)良。

有軌電車的造價(jià)較低，無需復(fù)雜的車站設(shè)計(jì)和地下施工，僅需15%的地鐵造價(jià)。有軌電車采用低地板結(jié)構(gòu)，上下車極為方便，其運(yùn)輸量比快速公交要高出一倍。有軌電車采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架、左右車輪橫向耦合的結(jié)構(gòu)，也有前后縱向耦合和電機(jī)直驅(qū)結(jié)構(gòu)，舒適性遠(yuǎn)超公交車，和地鐵幾乎一樣。橫向耦合連接輪對(duì)的彎軸有整體鍛造和鍛造后焊接而成兩種結(jié)構(gòu)形式。整體式彎軸安裝方便，其轉(zhuǎn)向架剛度性能優(yōu)異，但是其鍛造難度大、效率與材料利用率很低、成本高，對(duì)鍛造設(shè)備和工藝都提出了較高的要求。鍛焊結(jié)構(gòu)的彎軸制造相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，制造和維修成本低。

鍛件結(jié)構(gòu)分析

圖1是鍛焊結(jié)構(gòu)彎軸的軸座。該鍛件帶有前置凸臺(tái)，頭部高而厚，需要材料較多，終鍛拔模和頭部充填都較難。兩側(cè)肋板薄而長(zhǎng)，需要的材料少但材料流動(dòng)距離遠(yuǎn)，材料等效應(yīng)變大，易出現(xiàn)折疊等缺陷。鍛件截面積無論是高度方向還是長(zhǎng)度方向在肋板處的突變都很大，鍛件復(fù)雜系數(shù)為S3級(jí)。六條加強(qiáng)筋均沒有被加工，鍛造成形工藝難度大。

圖1 有軌電車主軸軸座

工藝設(shè)計(jì)

為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，預(yù)鍛件應(yīng)避免出現(xiàn)飛邊，防止在終鍛的時(shí)候出現(xiàn)質(zhì)量問題。因此對(duì)于復(fù)雜程度較高的鍛件通常是自由鍛制坯后再進(jìn)行終鍛，但是該工藝存在鍛件成本高、效率低的問題。同時(shí)非加工面的表面質(zhì)量在拋丸后還要進(jìn)行大量的人工打磨才能達(dá)到要求。戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司擁有220MN電動(dòng)螺旋壓力機(jī)，該機(jī)工作臺(tái)面較大，能夠滿足多工位鍛造。綜合考慮后，為了提高材料利用率，確定了帶飛邊預(yù)鍛后再終鍛的一次加熱鍛造成形工藝。

預(yù)鍛形狀應(yīng)該兼顧材料的預(yù)分配和終鍛的定位問題。預(yù)鍛下模型腔用柱面三點(diǎn)和底平面定位放下坯料，不至于造成坯料傾斜。預(yù)鍛拔模斜度相對(duì)終鍛大2°～4°，在終鍛成形的中前期減少與模具型腔面的接觸，減小摩擦阻力，便于充滿的同時(shí)避免折疊。終鍛前期屬于鐓粗充填成形，預(yù)鍛飛邊會(huì)出現(xiàn)向外擴(kuò)張，同時(shí)高度方向降低，因而預(yù)鍛的分模面比終鍛分模面稍高，避免預(yù)鍛的飛邊進(jìn)入型腔形成折疊等缺陷。預(yù)鍛件橫截面呈T形帶有頭部和底部凸臺(tái)，底部工藝凸臺(tái)用于終鍛定位（圖2）。T形兩側(cè)主要為終鍛的兩側(cè)肋板提供材料，其材料的體積與流動(dòng)距離較為關(guān)鍵。預(yù)鍛件兩側(cè)的厚度和長(zhǎng)度對(duì)最終成形均有較大影響。兩側(cè)的鐓粗量不夠時(shí)，首先接觸模具部位的兩側(cè)出現(xiàn)外翻，出現(xiàn)側(cè)向內(nèi)凹的不完整鼓形（圖3），導(dǎo)致終鍛肋板加強(qiáng)筋部位出現(xiàn)折疊。鐓粗量過大，兩側(cè)分料過多，終鍛時(shí)形成較大的飛邊，同時(shí)頭部材料較少，導(dǎo)致頭部充不滿（圖4）。在盡量保證型腔充滿以及避免缺陷產(chǎn)生的同時(shí)，應(yīng)盡可能減少流入飛邊的材料來提高材料利用率。

圖2 預(yù)鍛設(shè)計(jì)

圖3 鐓粗缺陷

圖4 頭部缺肉的鍛件

模具設(shè)計(jì)

正常工作條件下模具的平均工作溫度為300℃，采用強(qiáng)韌性較好的5CrNiMo材料，其在600℃以內(nèi)具有良好的綜合機(jī)械性能，300℃時(shí)抗拉強(qiáng)度保持在1300MPa以上。

模塊最小的壁厚通過最小壁厚的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出。通過DEFORM10.2模擬得出預(yù)鍛和終鍛打擊力分別為18.1MN和102.4MN。根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算出預(yù)鍛和終鍛模具的最小承擊面積。結(jié)合模具最小壁厚和最小承擊面積以及鎖扣等設(shè)計(jì)計(jì)算出預(yù)鍛和終鍛模塊的最小總重量為8.41t，模塊后期機(jī)加工和熱處理均存在不小的難度。預(yù)鍛模具與終鍛模具存在安裝、頂桿等問題，設(shè)計(jì)難度大，模具更換費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

為了節(jié)省昂貴的鍛模材料與加工時(shí)間，以及增強(qiáng)模具的剛度和安裝便捷性，采用整體式模具設(shè)計(jì)（圖5），較大幅度增加模具打擊接觸面積，有利于延長(zhǎng)模具壽命。在最后充滿的最深型腔位置采用分體鑲塊式設(shè)計(jì)，顯著降低模具閉合高度的同時(shí)兼具排氣作用，降低了軸座頭部的充填阻力。整體式模具的模塊僅6.54t，相比原設(shè)計(jì)節(jié)省22%。在模具設(shè)計(jì)的時(shí)候注意吊裝孔的設(shè)計(jì)，不能出現(xiàn)尖銳內(nèi)凹以致降低模具整體強(qiáng)度，位置上考慮吊裝和翻轉(zhuǎn)的便捷性。

根據(jù)最小阻力定律，終鍛時(shí)軸座的背面在成形初期就出現(xiàn)飛邊，大量材料流向倉(cāng)部，降低了材料利用率，可能導(dǎo)致成形后期頭部充不滿，形成廢品。為了改善材料流動(dòng)，終鍛背面采用較寬的橋部，增大此處材料流動(dòng)的阻力，同時(shí)頭部深型腔部位增大潤(rùn)滑劑量，保證頭部的成形。

圖5 主軸軸座鍛造模具

結(jié)束語

模具按照上述設(shè)計(jì)進(jìn)行了樣件（圖6）試制，樣件經(jīng)拋丸、探傷后確認(rèn)為合格品，表面質(zhì)量?jī)?yōu)良。該軸座的成功開發(fā)表明帶飛邊預(yù)鍛后終鍛工藝的可行性，為類似復(fù)雜鍛件的開發(fā)提供了一火成形的思路和寶貴經(jīng)驗(yàn)。

圖6 主軸軸座鍛件