中國高速鐵路幾個(gè)重要零件的精鍛成形

陶竑宇，付傳鋒

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院道路與鐵道工程系 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都　610031; 2.中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州　213011)

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中國高速鐵路幾個(gè)重要零件的精鍛成形

陶竑宇1，付傳鋒2

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院道路與鐵道工程系 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031; 2.中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州213011)

摘要：介紹了為適應(yīng)高鐵對軌道及列車提出更高安全性、可靠性和舒適性要求，當(dāng)前國內(nèi)高鐵某些重要零件采用的精密鍛造成形工藝、無切削全纖維模鍛成形工藝及一次加熱模鍛成形自動(dòng)化操作工藝；概述了高鐵車輪鍛壓技術(shù)研究進(jìn)展和高鐵車軸的徑向鍛造工藝和楔形模橫軋工藝。此外，文章還介紹了高速列車制動(dòng)盤鍛壓技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：高鐵；道岔尖軌跟端；車輪；車軸；制動(dòng)盤；精鍛技術(shù)

本文引用格式：陶竑宇，付傳鋒.中國高速鐵路幾個(gè)重要零件的精鍛成形[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(6):119-123.

Citation format:TAO Hong-yu, FU Chuan-feng.Precision Forging and Shaping of Several Important Parts of Chinese High-Speed Railway[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(6):119-123.

進(jìn)入21世紀(jì)，高鐵迅猛發(fā)展。隨著高鐵速度的提高，對軌道及列車提出更高的要求，對軌道交通最基本的要求有高舒適性以及高安全性。高舒適性主要依靠軌道的高平順性，而平順性主要靠軌道的平直度及尺寸精度等保證；安全性主要靠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、部件強(qiáng)度、材料選擇等保證[1]。高鐵車輪的運(yùn)行速度高，踏面疲勞剝離是主要失效形式，為保證高鐵車輪的安穩(wěn)運(yùn)行，車輪需具有良好的強(qiáng)韌、抗剝離性能及抗整體疲勞性能[2]。車軸是高速列車重要的受力部件，車軸損傷失效是造成車輛發(fā)生重大事故的重要因素之一。盤形制動(dòng)裝置通過制動(dòng)盤與閘片的摩擦獲得制動(dòng)力，是高速列車基礎(chǔ)制動(dòng)方式的最佳選擇。

1　道岔尖軌跟端的精鍛成形

高鐵道岔結(jié)構(gòu)與狀態(tài)對高速列車安全、平穩(wěn)地運(yùn)行有重要影響，它的基本功能是實(shí)現(xiàn)線路的連接和交叉。特種截面道岔尖軌(又稱AT尖軌)截面粗壯，穩(wěn)定性好[3]。

用于和標(biāo)準(zhǔn)斷面鋼軌相連接的鋼軌端部熱模鍛壓部位稱為AT 道岔尖軌跟端，它的模鍛成形段包括成形過渡段(原材料向成形鍛過渡的部分)和成形段(鋼軌端部被模鍛成不同鋼軌斷面形狀的部分)，如圖1所示。AT 尖軌軌底不對稱，成形后的 AT 尖軌左右兩側(cè)不同，須根據(jù)需要選擇坯料成形段以滿足左右側(cè)AT 尖軌的需求。60AT尖軌跟端模鍛成形件實(shí)物如圖2所示。

圖1　AT尖軌跟端模鍛成形段示意圖

圖2　60AT尖軌跟端模鍛成形件

任建旭等人應(yīng)用預(yù)鍛、兩次終鍛成形工藝制造AT尖軌跟端模鍛件。鍛造工藝流程為：加熱→預(yù)鍛→加熱→終鍛→加熱→終鍛，所用壓力機(jī)為20000kN油壓機(jī)。通過增加控制板厚度、控制預(yù)鍛時(shí)過渡變形量、提高終鍛模具與端部潤滑效果、改變預(yù)鍛模結(jié)構(gòu)，可獲得理想效果。

雷斌等人采用無切削全纖維模鍛成形AT尖軌跟端[5]。采用立式液壓作為模鍛的動(dòng)力源，在上下模座內(nèi)放入腰模、復(fù)式活塊和軌底模，熱擠壓AT尖軌；取出復(fù)式活塊，接著用腰模和軌底模擠壓AT尖軌，保壓，使AT尖軌跟端與普通型鋼軌“接軌”。通過調(diào)整模具的對稱度、中心線等幾何尺寸，消除了AT尖軌的軌腰與軌底過渡處的疊皺缺陷，AT尖軌的軌頭對稱度、軌腰厚度等幾何尺寸以滿足圖紙要求。

宋建華、張建、李森等人撰文介紹了目前60AT尖軌跟端的一次加熱模鍛成形AT尖軌跟端自動(dòng)化操作新工藝[6]，模鍛設(shè)備為精鍛液壓機(jī)，精確模鍛分三工位完成。第一工位使軌腰向軌底方向長高且跟端扭轉(zhuǎn)1∶40角度(軌頭鍛造預(yù)留 1 mm 加工余量)，三維模型如圖3所示；第二工位成形軌底；第三工位整形。該工藝有效地保證鋼軌內(nèi)部無切削、全纖維。

坯料在預(yù)鍛過程中出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形缺陷時(shí)，可通過減小模具出口端(工件未變形段)尺寸解決。工件在軌底與軌頂發(fā)生啃噬飛邊現(xiàn)象時(shí)，可采用將模具型腔未成形段軌底、軌頂邊緣圓角由外向里逐漸減小的方法解決；預(yù)鍛成形時(shí)，軌腰增高量大于 22 mm 時(shí)，尖軌跟端在變形過程中不會(huì)出現(xiàn)飛邊。軌腰增高量小于 22 mm，尖軌跟端在軌底、軌頂出現(xiàn)飛邊。

圖3　60AT尖軌跟端模鍛第一工位三維模型

2　車輪的精鍛成形

隨著高速鐵路的發(fā)展，高附加值的高鐵車輪的大量需求引起高度重視。我國對高鐵火車輪的總需求量約10萬件。高鐵車輪為易耗品，平均壽命2.5年左右[7]。高潔凈度、高強(qiáng)韌配合是高鐵車輪的必要條件。

整體鍛壓軋制車輪典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，車輪斷面由輪轂、輻板和輪輞構(gòu)成[8]。車輪的鍛壓軋制成形主要由模鍛成形、軋制成形和壓彎成形三個(gè)工序完成。模鍛成形一般分為鐓粗和終鍛兩個(gè)工步。模鍛成形結(jié)束后進(jìn)行軋制擴(kuò)徑成形，并成形輪輞和輪緣。最后在在壓力機(jī)上壓彎成形輻板并對輪輞和輪轂進(jìn)行整形。

圖4　整體鍛輾車輪典型結(jié)構(gòu)示意圖

整體鍛壓輾軋車輪內(nèi)在品質(zhì)比鑄造車輪好，相比全模鍛車輪，對模鍛設(shè)備噸位要求大大降低。整體鍛壓輾軋車輪在生產(chǎn)工藝、效率及品質(zhì)方面具有很大的優(yōu)勢，是世界各國火車輪制造的主要工藝。

我國高鐵車輪研發(fā)單位主要有馬鋼(集團(tuán))控股有限公司、太原重工股份有限公司。他們的工藝流程為鐓粗→模鍛→輾軋→壓彎、沖孔、整形。

2010年，馬鋼(集團(tuán))控股有限公司投資20億元啟動(dòng)高鐵車輪改造工程項(xiàng)目。同年，太原重工股份有限公司投資16億元建設(shè)30萬件高鐵車輪生產(chǎn)線。他們研制的高鐵車輪已通過鐵路總公司認(rèn)證，并已成功裝車考核，但目前高鐵車輪仍依賴進(jìn)口。

我國智波交通運(yùn)輸設(shè)備有限公司與意大利路奇霓(Lucchini)鐵路產(chǎn)品集團(tuán)合資組建的智奇鐵路設(shè)備公司是國內(nèi)目前唯一一家高鐵車輪批量生產(chǎn)和檢修基地，從國外進(jìn)口先整體淬火再表面淬火處理的高鐵車輪鍛件機(jī)加工、組裝。

沈曉輝分析了高鐵車輪模鍛過程中上、下模壓靠時(shí)金屬流動(dòng)的兩種模式[8]，如圖5所示。上、下模壓靠時(shí)，模式1輪輞上部型腔完全充滿，而模式2輪輞上部型腔外端角部未充滿。輪輞上部圓角半徑對輪輞金屬流動(dòng)及變形力影響顯著，當(dāng)圓角半徑小于臨界值時(shí)，終鍛結(jié)束上、下模壓靠時(shí)輪輞上部可視為剛性區(qū)，輪輞外端圓角部位難以充滿。

圖5　上、下模壓靠時(shí)金屬流動(dòng)的兩種模式

燕山大學(xué)承接了國內(nèi)某企業(yè)火車輪轂生產(chǎn)線工程項(xiàng)目。該校韓笑宇分析了產(chǎn)生偏心缺陷的諸多因素，并針運(yùn)用DEFORM-3D軟件進(jìn)行相關(guān)缺陷的模擬預(yù)測，闡述了成形過程中由于擺放不正或下料造成坯料端面傾斜致使鍛造偏心缺陷，提出了改善措施[9]。

3　車軸的精鍛成形

車軸是列車行走部分的時(shí)常更新的關(guān)鍵零件，不僅承受車輛的自重和負(fù)荷，而且在運(yùn)行和停車時(shí)還承受循環(huán)載荷、沖擊力和制動(dòng)力。隨著列車速度的提高，車軸動(dòng)載荷增大，其性能要求更高，車軸的疲勞性能尤其是缺口疲勞性能是最關(guān)鍵的性能。

由于空心車軸比實(shí)心車軸有明顯的優(yōu)越性，如降低鋼材消耗、節(jié)約了原材料、縮短了工藝流程，減少列車非生產(chǎn)運(yùn)輸費(fèi)用、方便維護(hù)與探傷、減小車輛和線路間的作用力等，許多國家逐漸采用，歐洲、日本等國高鐵空心車軸應(yīng)用比例越來越大，空心車軸是高速鐵路車軸的發(fā)展趨勢。

2015年，朱靜、顧家琳等人發(fā)表“高速列車空心車軸國產(chǎn)化的選材和試制”一文，他們通過調(diào)整高鐵車軸的化學(xué)成分，采用電爐或轉(zhuǎn)爐冶煉→精煉→鑄造(鋼錠)→軋制(鋼坯)→鍛造(車軸坯)→正火→淬火→回火熱處理，經(jīng)性能測試，國產(chǎn)化高鐵車軸的組織、性能均滿足技術(shù)要求[10-11]。研制的時(shí)速300～350 km的EA4T plus鋼高鐵車軸的拉伸、沖擊吸收能量如表1、表2所示。由表1、表2可知，EA4T plus鋼高鐵車軸的強(qiáng)度、縱向與橫向沖擊吸收能量均高于EN13261標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1　EA4T plus鋼高鐵車軸的拉伸性能

表2　EA4T plus鋼高鐵車軸的沖擊吸收能量

徑向鍛造有脈沖鍛打和多向鍛打的雙重特點(diǎn)，每次變形量很小，變形均勻，設(shè)備能耗低，且鍛件精度高，表面粗糙度小。該工藝主要應(yīng)用于鍛造各種機(jī)床、坦克、炮筒及其他機(jī)械上的軸類件，也是國內(nèi)列車車軸坯生產(chǎn)的主要工藝。兵工系統(tǒng)的晉西車軸股份有限公司和太原重工股份有限公司均采用徑向鍛造生產(chǎn)高鐵車軸坯，其中晉西車軸股份有限公司擁有三條以奧地利GFM臥式徑向鍛造機(jī)為主的車軸鍛造生產(chǎn)線，太原重工股份有限公司的徑向鍛造車軸生產(chǎn)線全線由微機(jī)控制，集機(jī)、電、液技術(shù)于一體。

與實(shí)心軸制造相比，空心軸對鍛造工藝要求更高。李繼光[12]根據(jù)零件尺寸和預(yù)模擬結(jié)果確定了合理的毛坯尺寸，運(yùn)用DEFORM3D軟件對不加芯棒條件下生產(chǎn)空心軸進(jìn)行了模擬研究，確定了在內(nèi)孔無芯棒支撐鍛壓的情況下，合理的工藝參數(shù)，得出了錘頭一次徑向壓下量為 8 mm，工件一次軸向進(jìn)給量為80 mm時(shí)，鍛件整體品質(zhì)較好，應(yīng)變分布比較均勻。在內(nèi)孔無芯棒支撐鍛壓的情況下，應(yīng)該避免一次軸向送給量過大時(shí)可能出現(xiàn)的比較明顯的脊椎紋缺陷。

當(dāng)前的高鐵車軸的成形方法主要是徑向鍛造，楔橫軋作為先進(jìn)的高效近凈成形技術(shù)，與自由鍛、徑向鍛造相比，具有生產(chǎn)效率高，軋后零件品質(zhì)好，設(shè)備體積小，噪聲小等優(yōu)勢。

高速列車的車軸作為一種典型的回轉(zhuǎn)體零件，特別適合采用楔橫軋工藝，但對于厚壁及空心軸楔橫軋工藝的研究的并不多。國內(nèi)北京機(jī)電所的任廣升教授在多年前曾進(jìn)行過空心軸的楔形模橫軋?jiān)囼?yàn)研究。近年來，燕山大學(xué)碩士尚金龍由一般的楔橫軋旋轉(zhuǎn)條件，推導(dǎo)出空心類零件的楔橫軋旋轉(zhuǎn)條件，對擋板參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。根據(jù)所研究的空心車軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)了高速鐵路空心車軸楔橫軋模具，運(yùn)用 DEFORM數(shù)值模擬高速鐵路空心車軸的成形，得到了位移場、速度場、應(yīng)力應(yīng)變場數(shù)據(jù)，并分析了變形過程中位移、速度、應(yīng)力與應(yīng)變的分布規(guī)律[13]；空心車軸楔橫軋時(shí)橢圓度隨芯棒直徑增大而增大，無芯棒時(shí)橢圓度最??；損傷值隨芯棒直徑增大而減小，無芯棒時(shí)損傷值最大。

京津城際、武廣高鐵、鄭西客專、滬寧城際、京滬高鐵等高鐵車軸也由智奇鐵路設(shè)備公司進(jìn)口意大利路奇霓的車軸組裝后提供。

太原重工股份有限公司開發(fā)的時(shí)速250 km動(dòng)車組輪軸制造方案于2014年3月通過評(píng)審，試制的高鐵車車軸于同年裝備在滬昆鐵路動(dòng)車組上進(jìn)行60萬公里的運(yùn)用考核。截止2015年6月，晉西車軸股份有限公司制造的時(shí)速250 km動(dòng)車組車軸在滬昆線上裝車平穩(wěn)運(yùn)行5萬余公里；時(shí)速350 km標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車軸已通過主機(jī)廠技術(shù)評(píng)審，并實(shí)現(xiàn)小批量供貨。這標(biāo)志著國內(nèi)兩家具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的動(dòng)車組車軸制造方面打破了國外對高鐵關(guān)鍵技術(shù)的壟斷。

4　制動(dòng)盤的精鍛成形

隨著列車速度的提高，制動(dòng)裝置及制動(dòng)材料的耐熱裂性能、疲勞性能、耐磨性能等要求更高[14]。 目前，國內(nèi)高速列車制動(dòng)盤主要有鑄鋼和鍛鋼兩種，鑄鋼制動(dòng)盤由于國內(nèi)鑄造工藝水平有限，批量生產(chǎn)中容易出現(xiàn)鑄造缺陷，成品率很低，難以保證批量裝車運(yùn)用。而鍛鋼制動(dòng)盤由于制造工藝穩(wěn)定，質(zhì)量易于控制，常溫和高溫力學(xué)性能、耐熱裂性能良好[15]。

常州鐵馬科技有限公司的錢坤才采購優(yōu)質(zhì)合金鋼鋼錠自由鍛成高速列車制動(dòng)盤環(huán)形毛坯，退火處理后粗加工，然后經(jīng)超聲波探傷后調(diào)質(zhì)熱處理，磁粉探傷，最后在加工中心加工出制動(dòng)盤成品[16]。在1∶1制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行與進(jìn)口制動(dòng)盤磨合、一次停車制動(dòng)、常用制動(dòng)、坡道連續(xù)制動(dòng)及靜摩擦試驗(yàn)。所開發(fā)的高速列車制動(dòng)盤滿足我國高速動(dòng)車組制動(dòng)技術(shù)條件及《鐵路主要技術(shù)政策》的規(guī)定。

付傳鋒等人對CRH2型動(dòng)車組鋼質(zhì)制動(dòng)盤精密模鍛工藝進(jìn)行了較為系統(tǒng)研究[17]。通過Deform數(shù)值模擬分析CRH2型動(dòng)車組鋼質(zhì)制動(dòng)盤成形過程，優(yōu)化了精密模鍛件的形狀。理論計(jì)算、數(shù)值模擬計(jì)算了優(yōu)化后的制動(dòng)盤精密模鍛件的變形力，為模鍛設(shè)備的選型提供重要依據(jù)。付傳鋒還進(jìn)行了1∶2鋼質(zhì)制動(dòng)盤精密模鍛工藝試驗(yàn)，縮小比例鋼質(zhì)制動(dòng)盤數(shù)值模擬成形件與精密模鍛成形實(shí)物對比如圖6所示。縮小比例鋼質(zhì)制動(dòng)盤精密模鍛試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果非常吻合，還分析了鋼質(zhì)制動(dòng)盤精密模鍛件缺陷產(chǎn)生原因，并對模鍛設(shè)備選型(模鍛錘、機(jī)械壓力機(jī)或螺旋壓力機(jī))、鍛模設(shè)計(jì)(分模面、模鍛斜度、圓角等結(jié)構(gòu)要素與鍛模飛邊槽設(shè)計(jì))、坯料制取、切邊沖孔及模鍛件質(zhì)量控制等方面進(jìn)行了研究。

圖6　數(shù)值模擬成形件與精密模鍛成形件實(shí)物

此外，胡謙申請了發(fā)明專利“一種高速列車制動(dòng)盤的生產(chǎn)方法及鍛造模具”，該發(fā)明公開了一種高速列車制動(dòng)盤的生產(chǎn)方法及鍛造模具[18]。該鍛模包括上模和下模，上模散熱筋型腔和下模腔相配構(gòu)成封閉型腔，該型腔與制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)相對應(yīng)。下模底部還設(shè)有墊板，該墊板直徑與下模腔直徑相同，且墊板的上表面結(jié)構(gòu)與上模散熱型腔的結(jié)構(gòu)一一對應(yīng)，在對制動(dòng)盤坯料模鍛時(shí)，通過墊板的擠壓，將金屬充滿封閉型腔。

胡謙自己認(rèn)為，采用這個(gè)專利方法可以利用較小噸位的摩擦壓力機(jī)生產(chǎn)需要15000噸以上壓力機(jī)才能生產(chǎn)的制動(dòng)盤鍛造毛坯，能使制動(dòng)盤散熱筋成形，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

國內(nèi)雖然已對國產(chǎn)高速列車制動(dòng)盤模鍛件及其成品做了不少研究和試制工作，完成了各種型式試驗(yàn)，但目前尚處于裝車考核或待裝車考核狀態(tài)，未實(shí)現(xiàn)批量裝車應(yīng)用。

5　結(jié)束語

我國高速鐵路已實(shí)現(xiàn)飛躍式發(fā)展，高鐵車輪與車軸，高速列車鍛鋼制動(dòng)盤等高速鐵路用的重要零件的精鍛技術(shù)及其產(chǎn)品也取得長足發(fā)展。許多高速列車產(chǎn)品成功研制，并順利通過高鐵產(chǎn)品各種型式試驗(yàn)考核，有不少已裝車考核或待裝車考核，但是離批量裝車應(yīng)用還有一段距離。在填平補(bǔ)齊這段距離當(dāng)中，相關(guān)科研及生產(chǎn)單位與技術(shù)人員，應(yīng)該好好勤練內(nèi)功，深入研究，勇于實(shí)踐，為批量生產(chǎn)合格產(chǎn)品，促進(jìn)高鐵事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供有力保障。

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(責(zé)任編輯唐定國)

doi:10.11809/scbgxb2016.06.028

收稿日期：2015-11-02；修回日期：2015-11-20

作者簡介：陶竑宇(1992—)，男，碩士研究生，主要從事道路與鐵道工程研究。

中圖分類號(hào)：TG31

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-2304(2016)06-0119-05

Precision Forging and Shaping of Several Important Parts of Chinese High-Speed Railway

TAO Hong-yu1, FU Chuan-feng2

(1.Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering, Ministry of Education， Department of Highway Railway Engineering School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031，China；2.CRRC Qishuyan Institute, Co., Ltd., Changzhou 213011, China)

Abstract:In order to adapt to the higher requirements of high-speed rail on rail and the train in safety, reliability and comfort, some important parts of current domestic high-speed rail used precision forging forming technology, non-cutting all fiber die forging forming technology and sigle heating die forging forming automation technology; The research progress of high-speed wheel forging technology, the radial forging process of high-speed axle of high-speed rail and wedge cross rolling process were introduced. In addition, the article also introduced the research status of brake disc forging technology of high-speed train.

Key words:high-speed rail; switch point rail with end; wheel; axle; brake disc; precision forging