影響鐵路罐車封頭冷壓成形質量因素分析

付麗偉

(西安軌道交通裝備有限公司技術中心工藝部 陜西 西安 710086)

隨著鐵路重載快捷技術發(fā)展的需要，Q295A材質的封頭已不能滿足大軸重鐵路罐車的需要。為了配合大軸重罐車的研發(fā)，西安軌道交通裝備有限公司在現(xiàn)有工藝裝備的基礎上，進行了屈服強度不小于345 MPa系列的封頭冷壓工藝試驗，進一步確定影響冷壓封頭成型質量的各因素，并得出壓力機的噸位配置是影響鐵路通用罐車封頭一次冷壓成形質量的關鍵因素；材質的化學成分和力學性能是影響封頭冷壓成型過程中的鼓包、皺褶等質量問題的主要因素等結論。

1 選擇冷壓成形工藝

由于鐵路罐車封頭屬于大型薄壁封頭，其成形工藝主要有熱沖壓、旋壓和冷沖壓。從節(jié)約能源、提高產(chǎn)品質量、改善操作人員的作業(yè)環(huán)境等方面綜合考慮，決定以G70封頭為代表，研發(fā)鐵路罐車封頭冷沖壓成形制造工藝。

2 封頭冷壓成形制造工藝

2.1 制造工藝的制定

由于對大型薄壁封頭冷壓成形各因素估計不足，僅在現(xiàn)有小型配件冷壓成形和外界封頭熱壓成形的基礎上，將封頭的成形工藝定為一次冷壓成形工藝。經(jīng)研究人員的反復推算及試驗，最終將以G70封頭為代表的鐵路罐車通用罐車封頭的成形工藝定為一次冷壓成形工藝，將其制造工藝流程制定為：板材打砂預處理→下毛坯料→刨毛坯直邊→拼接組焊→磨焊縫余高→割吊耳、清渣→烤焊縫→清掃板材→成形→修整割邊→清理油污→檢驗。

2.2 制造工藝的優(yōu)化

為了進一步驗證和優(yōu)化封頭冷壓成形制造工藝，試驗前期對101個封頭進行了跟蹤統(tǒng)計，其結果如下：產(chǎn)品合格率為87%，其中14個封頭取消烤焊縫工序，其合格率為85.7%，優(yōu)品率為57%?？梢缘贸觯汉附討Ψ忸^的成形質量影響不大，可以取消烤焊縫工序，提高封頭生產(chǎn)率。

與此同時，還進行了成形后去除工藝吊耳和翻邊處直接割吊鉤孔的對比試驗，所得封頭均為一等品，但是對模具損傷較嚴重，因此，在裝備到位后，取消了割吊耳工序。同時說明，毛坯的不圓度及周邊偶爾微量短缺對封頭成形無影響。

3 封頭冷壓成形質量因素分析

試驗前期，以G70封頭為目標，經(jīng)過一年多的工藝試驗及摸索，確定了壓形參數(shù)，進一步了解毛坯板厚公差、材質理化性能和環(huán)境溫度對封頭成形質量的影響以及潤滑劑對下工序焊接環(huán)境的影響[1]，克服了起皺、鼓包、撕裂、難清洗等各種質量問題。在后續(xù)屈服強度σs不小于345 MPa材質冷壓成形試驗過程中，初步掌握了成型壓力、材質的理化性能、成形工藝三者與封頭成型質量之間的關系。

3.1 G70封頭成品質量等級的劃分

G70封頭為公稱內直徑為?3 000 mm 的1：2標準橢圓封頭，采用Q295A—GB/T 1591—1994材質，成型后內深為790 mm，板厚為10 mm，最小厚度為9 mm。成品質量一等品為封頭表面圓滑過渡,允許出現(xiàn)1～2處凹凸不平,其值不大于2 mm；二等品封頭表面圓滑過渡，允許出現(xiàn)5、6處凹凸不平，其值不大于5 mm；三等品封頭表面圓滑過渡,允許出現(xiàn)大于6處凹凸不平,其值不大于5 mm；封頭凹凸不平值大于5 mm的為次品；母材劃傷嚴重或出現(xiàn)裂紋的為廢品。

3.2 成形參數(shù)的確定

為了減少封頭起皺、鼓包，4 000 t壓力機采用了雙動結構，即由內外滑塊分別控制拉伸力和壓邊力。成形過程主要分為2個步驟：(1)外滑塊加載，壓邊力達到最大值，保壓；(2)內滑塊加載，拉伸力增大，分2次沖最大值，凸模到位后，整體卸載。

封頭成形過程中的受力簡圖如圖1所示。

圖1 封頭毛坯成形時的受力簡圖

由受力簡圖可以看出：壓邊力過小，將產(chǎn)生皺褶、不成形的缺陷；壓邊力過大，將產(chǎn)生強力壓延，造成封頭板壁最薄處減薄量較大，甚至拉裂，產(chǎn)生橫向裂紋。經(jīng)過試驗，最終確定Q295A普通板G70封頭的成形參數(shù)如下：壓邊力為1 950 t；拉伸力為2 550 t；總噸位為4 250 t。

3.3 板厚偏差

試驗過程中，通過對23張板的試驗和數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，排除了板厚偏差對封頭成形質量的影響。

3.4 潤滑

試驗過程中，由于每張板的潤滑狀況一樣，因此潤滑狀況對封頭冷壓成形影響不大。但在下工序焊接時，會產(chǎn)生較大油煙，嚴重影響工人作業(yè)環(huán)境和身體健康。改用潤滑劑代替潤滑油后，取得了較好效果，解決了焊接油煙問題。

3.5 材質的理化性能

在試驗階段，共對32張板料進行取樣，進行化學成分分析和力學性能試驗，化驗結果表明試件全部符合GB/T 1591—1994的技術要求，成形情況為：成品合格率84.4%，理化性能及成形結果如表1和表2所示。

表1 屈服強度σs與成形結果比較

表2 化學成分與成形結果比較 /%

由以上表格可以看出：屈服強度值小和化學成分含量低的，封頭成形質量好。

3.6 環(huán)境溫度

在夏季工藝試驗階段，進行了環(huán)境溫度與冷壓封頭成形的相關試驗；在冬季試驗階段，進行了取消潤滑、毛坯局部加熱和Q235A原材料冷壓成形等試驗。通過試驗可以得知：環(huán)境溫度對封頭冷壓成形質量影響不大；取消潤滑，封頭成形曲線過渡稍好，但封頭外表面劃傷嚴重；封頭毛坯局部加熱后成形，成形質量稍好；Q235A材質封頭成形均為一等品。因此，得出溫度、潤滑對封頭成形質量有影響，但不是主要因素。

3.7 封頭專用板驗證

為了進一步驗證材質的理化性能(化學成分和力學性能)是影響封頭成形質量的主要因素，對材質的理化性能(化學成分和力學性能)作出了要求。通過對兩家鋼鐵廠封頭板和相應封頭實物質量對比，發(fā)現(xiàn)滿足要求的H鋼鐵廠生產(chǎn)的板材成形非常好，一等品97%，二等品3%，其中，焊縫處無鼓包缺陷的封頭約占60%；未滿足要求的N鋼鐵廠生產(chǎn)的板材成形質量差，皺褶、鼓包缺陷多，而且還出現(xiàn)撕裂報廢的封頭。

可見材質的化學成分和力學性能是影響封頭成形質量的主要因素，在隨后的封頭板批量投產(chǎn)使用過程中，逐步將封頭的成形參數(shù)調整如下：壓邊力為1 900 t；拉伸力為2 400 t；總噸位為4 000 t。

3.8 其他因素分析及驗證

封頭專用板批量使用了近十年，在每年的秋冬和冬春交季時期，壓制的封頭易出現(xiàn)鼓包質量問題，特別是設備狀態(tài)不佳時。為了解決以上問題及驗證4 000 t油壓機壓制σs不小于345 MPa材質封頭的可行性，以G70、GQ70(內直徑為?3 050 mm 的1∶2.5標準橢圓)為代表，依次進行了改變工藝(G70)、選用優(yōu)質材質(G70)、增加下料尺寸(G70、GQ70)等工藝試驗及摸索，初步掌握了三者與封頭質量之間的關系。

3.8.1改變工藝試驗

增加熱處理工藝，改變其機械性能，進行試驗，材質為Q345A，試驗方法及結果如表3所示。

表3 改變工藝試驗及結果

在試驗過程中，為了掌握熱處理工藝對材料機械性能的影響程度，每張板均取相鄰的兩塊試樣，用于熱處理前后的理化性能分析比較。通過分析比較可知，去應力熱處理工藝對原材料的化學成分和力學性能影響不大，但對材料的性能有一定影響，使封頭的成形質量提高一些。

3.8.2選用優(yōu)質板材試驗

通過查看相關標準得知[2]：Q345E板各種元素控制較嚴，特別是P、S的含量接近Q295A封頭專用板的含量要求。另外，板厚為10 mm的Q345R板的終軋溫度為800 ℃～900 ℃，接近正火溫度。因此，選用Q345E、Q345R壓力容器板各2張進行試驗。

由于4張板材的化學成分和力學性能基本一致，先各壓制一個G70封頭，即Q345E①、Q345R①，成型結果均為三等品。由此可以看出，選用成形性能好的原材料，能夠提高封頭的成形質量。

由于設備的壓邊力已經(jīng)達到了極限，繼續(xù)壓制另外兩張板，結果可能還是一樣，因此，決定采用增加摩擦面積，從而變相增加壓邊力的方法，壓制另外2張板。

3.8.3增加下料尺寸試驗

通過計算，下料尺寸增加?30 mm可變相增加約為60 t壓邊力,與材質為Q345的G70、GQ70封頭成形噸位理論相比較低，故決定Q345E②、Q345R②板加大下料尺寸進行試驗，但是，壓制G70封頭時，當內外滑塊相對距離約300 mm時，拉伸力雖未達到最大值，但設備已報警；壓制的GQ70封頭則為一等品。由此可知，增加封頭毛坯的下料尺寸，可變相提高設備的壓邊力，從而提高封頭的成形質量。

4 結論

通過以上的工藝試驗及數(shù)據(jù)分析，可以得出：

(1)一次冷沖壓成形工藝是鐵路通用罐車封頭成形較為可取的方法之一，但該工藝方法對壓力機的噸位要求較高。

(2)壓力機的噸位及配置是影響鐵路罐車封頭一次冷壓成形質量的關鍵因素。

(3)影響鐵路罐車封頭冷壓成形質量因素有毛坯的下料尺寸、毛坯潤滑情況、環(huán)境溫度、材質的化學成分和力學性能等，其中材質的化學成分和力學性能是影響封頭成形質量的主要因素。

(4)選用優(yōu)質材質和增大封頭毛坯下料尺寸，可以提高封頭的冷壓成形質量。

(5)通過鋼廠單獨軋制鐵路罐車封頭專用板，嚴格控制材質的化學成分和力學性能，是提高封頭冷壓成形質量的有效途徑。

(6)采用多次冷壓成形工藝，可以保證鐵路罐車封頭冷壓成形質量，但所需的投資成本以及場地較大。

(7)現(xiàn)有的工藝裝備無法保證σs≥345 MPa材質G70封頭的冷壓成形質量。若要冷壓，建議采用多次成形工藝方法或購置大噸位雙動油壓機和選用成形性能較好的材料，例如Q345R、Q345E等。