新型鋼軌壓型兩工位與多工位組合的壓力機(jī)多平臺研究與設(shè)計(jì)

趙小軍 徐光輝 劉 江 吳鐘敏

（中鐵寶橋（南京）有限公司，江蘇 南京 210046）

0 引言

尖軌是鐵路道岔的重要部件，現(xiàn)代電氣化鐵路道岔制造工藝過程中，AT鋼軌跟端模壓成型是影響AT尖軌生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵工藝，該工序的工藝設(shè)計(jì)及執(zhí)行力度將直接影響AT尖軌的內(nèi)在質(zhì)量和使用壽命。而現(xiàn)有的跟端壓型兩種工藝實(shí)際應(yīng)用中面臨投資費(fèi)用高、組合應(yīng)用實(shí)施局限性大及兩種工藝難以有效互補(bǔ)的實(shí)際需求，急需創(chuàng)新。

1 AT鋼軌跟端模壓成型的主要工藝及發(fā)展趨勢

目前國內(nèi)主要的跟端鍛壓工藝主要有2種方式，兩工位活塊式擠壓成形方式和整體式多工位成形方式，后者為技術(shù)引進(jìn)工藝。兩種工藝自動化過程的裝備均主要由壓力機(jī)1臺、加熱爐1臺、送料系統(tǒng)1臺以及換模系統(tǒng)1臺共4部分組成?；顗K式擠壓（如圖1所示）工藝為2工步2火成形工藝，分為預(yù)鍛工步和終鍛工步2個工步，工步設(shè)置為縱向。

圖1 活塊式擠壓模具組合示意圖

而多工位（如圖2所示）整體工藝為4工步2火成形工藝，模具工步分別為預(yù)鍛軌腰制坯工步、預(yù)鍛軌底制坯工步、終鍛整形工步和飛邊切除工步。工步設(shè)置為橫向。2種工藝模具費(fèi)用存在巨大差異，單套模具兩工位僅需30萬元，而多工位則高達(dá)110萬元。各道岔廠商為了今后的適應(yīng)市場需求，紛紛向自動化方向改善鋼軌壓型工藝水平。但又考慮設(shè)備和日常經(jīng)營資金狀況，以及現(xiàn)有模具和設(shè)備配套狀態(tài)，均采取了折中的改造升級方案，這就形成了3種改造局面，見表1。可見，為適應(yīng)道岔市場今后的發(fā)展方向，多工位工藝形式確實(shí)是一種較為先進(jìn)的跟端塑性成形工藝，但其設(shè)備新增費(fèi)用、模具的采購成本以及配套要求，大大限制了其在國內(nèi)的應(yīng)用推廣性。而兩工位工藝形式多年來運(yùn)用成熟，工藝掌握透徹，設(shè)備需求低、成本低，也是各道岔廠不愿意割舍的原因。因此多年的實(shí)際運(yùn)用未能有效發(fā)展出一種揚(yáng)長避短的跟端生產(chǎn)工藝組合應(yīng)用，只能停留在二選一或被迫新增生產(chǎn)線的窘迫局面。

表1 現(xiàn)階段國內(nèi)跟端組合運(yùn)用情況對比

圖2 一模多腔多工位模具示意圖

2 一機(jī)多移臺的組合創(chuàng)新應(yīng)用方案

兩工位靈活多變，模具結(jié)構(gòu)開放，易于現(xiàn)場調(diào)整配修，能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的熱工作業(yè)狀態(tài)，適應(yīng)性強(qiáng)，技術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富，能保證跟端壓型生產(chǎn)持續(xù)進(jìn)行。

多工位是一種完全從模鍛、操作機(jī)械角度出發(fā)設(shè)計(jì)的工藝成型方式，其核心對設(shè)備的依賴性大，要求送料位置更加準(zhǔn)確高效。自動化作業(yè)模式下能夠最大程度發(fā)揮其工藝優(yōu)勢性及工藝穩(wěn)定性。其跟端產(chǎn)品長度能夠遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩工位形式，可保證今后數(shù)十年道岔產(chǎn)品的發(fā)展。

為降低模具成本費(fèi)用，最佳跟端生產(chǎn)模具組合為對種類多、批量小的跟端產(chǎn)品采用兩工位工藝形式，有效降低企業(yè)的生產(chǎn)成本；而對產(chǎn)量大、種類少的國內(nèi)跟端產(chǎn)品采用多工位工藝形式，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。但國內(nèi)現(xiàn)狀都是采用2臺跟端鍛壓生產(chǎn)線，2臺壓力機(jī)，2臺加熱爐，2臺送料系統(tǒng)，2臺換模系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)上述兩者互補(bǔ)形式。從功能角度講，兩工位和多工位的設(shè)備要求只是精度和動作不同而已。1臺加熱爐、1臺送料系統(tǒng)和1臺壓力機(jī)完全可以滿足兩者工藝的裝備需求（如圖3所示），可同步實(shí)現(xiàn)2種工藝形式的軌件上料、加熱、入模及出模、鍛壓、換模、下料全工藝工步的作業(yè)生產(chǎn)。

圖3 跟端送料系統(tǒng)上料架及加熱爐結(jié)構(gòu)及設(shè)備布局（單位：mm）

結(jié)合多年跟端鍛壓從業(yè)經(jīng)驗(yàn)以及對其他行業(yè)多工位壓力機(jī)械的研究分析，該文在兩工位和多工位跟端壓型工藝組合方面的主要創(chuàng)新方式為1臺壓力機(jī)配設(shè)多個工作平臺及多套工藝程序的自動化裝備組合，開發(fā)鋼軌鍛壓生產(chǎn)多移臺一體壓力機(jī)，在最大程度上各取所長。

其原理為1臺壓力機(jī)配置多個移臺，每個移臺分別安裝兩工位和多工位模具工裝及換模系統(tǒng)，壓力機(jī)、送料系統(tǒng)和加熱爐分別預(yù)設(shè)2套動作程序。根據(jù)表1可知，滿足現(xiàn)有鋼軌鍛壓工藝及產(chǎn)品類型單臺壓力機(jī)全門類應(yīng)用（如圖4所示）的最佳移臺數(shù)量應(yīng)為3臺，其中2臺安裝現(xiàn)有兩工位工藝模具工裝（普通跟端和加長跟端模具），將第3個移臺作為多工位模具、墩粗模具的應(yīng)用平臺。

圖4 多種模具的橫向狀態(tài)視圖（單位：mm）

兩工位工作臺移入壓力機(jī)作業(yè)時(shí)，壓力機(jī)、送料系統(tǒng)和加熱爐切換為復(fù)合擠壓成型的程序動作；多工位作業(yè)時(shí)，將兩工位工作臺整體移出壓力機(jī)工作位，移入多工位，移動過程無須拆除部件，可快速實(shí)現(xiàn)模具工裝形式的切換，隨后切換配套的壓力機(jī)、送料系統(tǒng)和加熱爐程序，完成多工位跟端生產(chǎn)線的組合。

日常生產(chǎn)過程中，墩粗移臺靠近墻體放置（如圖5所示），原有壓力機(jī)移臺鍛壓作業(yè)及日常模具工裝更換僅需移到現(xiàn)有位置即可。需要墩粗及多工位作業(yè)時(shí)，將墩粗移臺轉(zhuǎn)位，原壓力機(jī)移臺移至墻體邊界，壓機(jī)工位移入多工位移臺，在墩粗移臺安裝墩粗模具工裝，即可進(jìn)行鋼軌鍛壓段整體墩粗試驗(yàn)及日常生產(chǎn)工作（如圖6所示）。各移臺機(jī)械結(jié)構(gòu)、動力等部分涉及內(nèi)容采用與現(xiàn)有移臺相同的設(shè)計(jì)。

圖5 地坑雙移臺空間布置（日常跟端壓型生產(chǎn)狀態(tài)）（單位：mm）

圖6 日常跟端鍛壓模具及模架更換狀態(tài)

3 鋼軌鍛壓的壓機(jī)多移臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)不同移臺的行進(jìn)路徑，壓力機(jī)主要設(shè)置為十字型路軌形式，在十字交叉位置設(shè)置共用駁接路軌（如圖7所示），兩工位加長跟端與普通跟端轉(zhuǎn)體后的放置區(qū)間設(shè)置為橫向15 m寬度內(nèi)，多工位移臺日常10 t模具拆除后則位于縱向行進(jìn)路軌的末端放置，多工位模具噸位輕，僅安裝螺釘連接，30 min內(nèi)即可完成拆裝，日常模具及附屬工裝拆卸后按入庫管理模式進(jìn)行管理。

圖7 壓力機(jī)徑向回轉(zhuǎn)多移臺機(jī)構(gòu)路軌分布設(shè)計(jì)

壓力機(jī)配置采用徑向回轉(zhuǎn)多移臺機(jī)構(gòu)（如圖8所示），徹底擺脫車間空間所受的天車輔助吊運(yùn)及移臺應(yīng)用數(shù)量的限制，可擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)單臺壓力機(jī)配置3套移臺以上的應(yīng)用。各移動臺均設(shè)置獨(dú)立的移動、頂升及下降動力裝置，其單體移臺結(jié)構(gòu)為目前行業(yè)內(nèi)通用形式。不同移臺進(jìn)出壓力機(jī)工位時(shí)，通過徑向旋轉(zhuǎn)平臺可實(shí)現(xiàn)不同移臺行進(jìn)路軌的通斷、連接和轉(zhuǎn)換，最大限度解決了多移臺路軌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難題。移臺采用90°轉(zhuǎn)體位移設(shè)計(jì)，充分減小移臺長度及寬度空間性，合理利用車間長度窄、寬度足的現(xiàn)有布局，縮小3個移臺占地面積，彌補(bǔ)了各道岔廠場地受限無法同時(shí)安裝2種跟端工藝生產(chǎn)線的不足。

圖8 壓力機(jī)徑向回轉(zhuǎn)多平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

徑向回轉(zhuǎn)平臺一方面要保證大噸位模具工裝承重狀態(tài)的安全性及運(yùn)行性，另一方面要保證不同移臺行進(jìn)路軌的對接控制精度，以便大噸位移臺模具在載荷狀態(tài)下行進(jìn)平穩(wěn)，不打滑、不卡頓靜止，且不出現(xiàn)斷齒、斷桿和電機(jī)過載等情況。該旋轉(zhuǎn)平臺的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要分為4個部分，公共路軌部分、路軌承重安裝基座、徑向旋轉(zhuǎn)傘齒輪傳動機(jī)構(gòu)以及電氣控制、檢測部分。

公共路軌部分的路軌長度大于移臺移動滾輪最大外邊界，并將公共路軌與移臺行進(jìn)路軌交叉、接駁部位設(shè)計(jì)為同心、同徑弧切結(jié)構(gòu)，一方面為實(shí)現(xiàn)公共路軌在不同行進(jìn)路軌的徑向角度旋轉(zhuǎn)，另一方面便于控制與移臺行進(jìn)路軌對接后的路軌復(fù)位對接精度，防止出現(xiàn)由路軌對接臺階、高度和寬度錯移、坡度等因素導(dǎo)致的路軌對接失效。路軌復(fù)位后，公共路軌兩端鎖緊裝置將與行進(jìn)路軌對接裝置鎖緊，確認(rèn)對接狀態(tài)（如圖9所示）。

圖9 壓力機(jī)徑向回轉(zhuǎn)多移臺縱向、橫向路軌復(fù)位狀態(tài)設(shè)計(jì)

鎖緊裝置由公共路軌部分前端大坡口導(dǎo)向引導(dǎo)，鎖緊閉合間隙單側(cè)間隙1 mm。公共路軌對接復(fù)位后，公共路軌鎖緊部分前伸進(jìn)行鎖緊動作，完成路軌徑向旋轉(zhuǎn)對接確認(rèn)。

路軌承重安裝基座是路軌、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的安裝體，移臺自重通過路軌傳遞到基座后，基座再將其質(zhì)量分散于4組負(fù)重導(dǎo)向輪，徑向傘齒輪和旋轉(zhuǎn)齒條不作為負(fù)重結(jié)構(gòu)，基座中心設(shè)置與旋轉(zhuǎn)齒條及公共路軌旋轉(zhuǎn)中心同心導(dǎo)向裝置，旋轉(zhuǎn)負(fù)重輪360°布設(shè)4組支撐。基座為箱體機(jī)構(gòu)，箱體內(nèi)設(shè)承重立筋，立筋設(shè)置為縱橫交叉分布（如圖10所示）。

圖10 回轉(zhuǎn)承重基座及部分附屬結(jié)構(gòu)

徑向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)齒輪選型為傳動平穩(wěn)、連續(xù)接觸的傘齒輪結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)置為360°齒條及齒輪副動力組成。齒條安裝于基座下基礎(chǔ)之上，旋轉(zhuǎn)齒輪安裝于基座之上。其中設(shè)置對向2組齒輪為動力輪，另外2組為從動齒輪。主動齒輪電機(jī)采用蝸輪蝸桿減速型式，其自鎖功能可有效防止徑向旋轉(zhuǎn)過程中慣性及基礎(chǔ)形變帶來的不可控狀態(tài)。電氣控制、檢測部分設(shè)置有公共路軌與行進(jìn)路軌的位置檢測2組、鎖緊裝置閉鎖觸點(diǎn)2組、徑向傘齒輪動力啟動以及伺服數(shù)值控制系統(tǒng)，數(shù)值化高精度控制多移臺旋轉(zhuǎn)的可控性精度為±0.5°，信號延遲小于10 ms。另外還配置了遙控操作模式，充分簡化連接排線，多移臺徑向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及各個移臺的行進(jìn)、夾緊、松開操作均集成于壓力機(jī)主機(jī)控制單元內(nèi)，作為單獨(dú)模塊運(yùn)作管理，簡化機(jī)構(gòu)附屬非必要的液壓管路、電氣通信等事宜，實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)液壓控制功能集成化。

4 鋼軌鍛壓的壓機(jī)多移臺的組合優(yōu)勢性

國內(nèi)現(xiàn)有的3種壓機(jī)多模具配置方案對比見表2。

表2 國內(nèi)現(xiàn)有的壓機(jī)多模具配置方案對比性

根據(jù)表2可知，該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)異型鋼軌鍛壓行業(yè)現(xiàn)有工藝裝備水平的突破，在原單移臺探索模式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高生產(chǎn)線各主要設(shè)備及其輔機(jī)作業(yè)的其實(shí)用性、功能性和擴(kuò)展性（如圖11所示）。能夠良好地實(shí)現(xiàn)單臺壓力機(jī)3移臺及更多移臺數(shù)量的配置及應(yīng)用。徑向旋轉(zhuǎn)多移臺機(jī)構(gòu)的主要優(yōu)勢如下。

圖11 鋼軌鍛壓的壓機(jī)多移臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

徑向旋轉(zhuǎn)多移臺機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、可靠，便于設(shè)計(jì)施工，其基本組成原理及方式均為機(jī)械領(lǐng)域通用形式。

鑒于其移臺轉(zhuǎn)體設(shè)計(jì)原理，該機(jī)構(gòu)是目前道岔行業(yè)內(nèi)設(shè)備占地最節(jié)省，最經(jīng)濟(jì)可靠、最便捷的鋼軌鍛壓多平臺一體化方案，基本能夠做到模具工裝無拆卸工位狀態(tài)切換，節(jié)省了大量的移臺切換準(zhǔn)備工作和壓力機(jī)設(shè)備的場地占用，使效率成倍提高。

現(xiàn)有兩工位普通跟端模具工裝寬度約3 m，長度約5.8 m，總重30 t；兩工位加長跟端模具工裝寬度約3 m，長度約7.3 m，總重約35 t；多工位模具工裝寬度約3 m，長度2 m，總重約10 t。在車間壓力機(jī)與安全道寬度5 m的實(shí)際工況下，左、右型移臺機(jī)構(gòu)將無法應(yīng)用。而按T型移臺方式，現(xiàn)場基礎(chǔ)施工及3套移臺將分別達(dá)到長14.8 m、寬7.4 m的超大占地面積（如圖12所示），而原有壓力機(jī)移臺地坑距離車間外墻距離長度僅為8 m，寬度距安全通道為5 m，距外墻10 m。

圖12 3移臺未轉(zhuǎn)體場地布置狀態(tài)（單位：mm）

因此，為使3移臺方式縮小占地面積，移臺轉(zhuǎn)移過程必須進(jìn)行轉(zhuǎn)體90°設(shè)計(jì)（如圖13所示），充分減少移臺長度及寬度空間，合理利用車間現(xiàn)有長度窄、寬度富足的布局，并充分保證人員操作工位不受移臺轉(zhuǎn)體影響。

圖13 3移臺布局轉(zhuǎn)體后移臺布置狀態(tài)（單位：mm）

由表2與表3對比可知，該方案是目前道岔行業(yè)實(shí)現(xiàn)普通跟端、加長跟端、兩工位與多工位模具工藝、鋼軌整體墩粗工藝、出口道岔與國鐵道岔全工藝經(jīng)濟(jì)性的最佳方案，產(chǎn)品形式較全面，模具費(fèi)用性價(jià)比較高，固定資產(chǎn)投資性優(yōu)良，具有廣泛的技術(shù)前瞻性，能夠滿足行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有的所有工藝形式。由于移臺具有多平臺屬性，因此還能在不影響現(xiàn)有生產(chǎn)模式的情況下，持續(xù)進(jìn)行新工藝、新模式的研發(fā)。

表3 1臺壓力機(jī)多種工位組合應(yīng)用優(yōu)勢

經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證確認(rèn)，各模具整體尺寸可配合各移臺進(jìn)行通用安裝、鍛壓作業(yè)（見表4）。模具設(shè)計(jì)充分結(jié)合了現(xiàn)有送料系統(tǒng)功能性（見表5）?？芍苯庸?jié)省1臺加熱爐、1套送料系統(tǒng)和1臺壓力機(jī)設(shè)備的投資，也大大降低了日常生產(chǎn)中的模具采購成本。

表4 模具及移臺的安裝尺寸確認(rèn)表

表5 模具送料系統(tǒng)功能確認(rèn)表

5 結(jié)語

在復(fù)雜多變的經(jīng)營環(huán)境下，國內(nèi)道岔市場競爭日益激烈，國外市場開拓腳步不停，企業(yè)正常經(jīng)營處于困境。耗費(fèi)大量資金進(jìn)行單獨(dú)跟端鍛壓工序的工藝裝備升級幾乎是不可行之舉。但是面對先進(jìn)工藝的出現(xiàn)和市場跟端產(chǎn)品新形勢的發(fā)展，現(xiàn)有工藝裝備的升級又迫在眉睫。完善老舊工藝，開發(fā)應(yīng)用新工藝勢在必行。該文一機(jī)多移臺的工藝組合方式是道岔行業(yè)內(nèi)的創(chuàng)新舉措，完美地實(shí)現(xiàn)了2種工藝的優(yōu)勢互補(bǔ)。不僅大幅降低了企業(yè)投資壓力，滿足了今后市場發(fā)展，同時(shí)還升級了現(xiàn)有工藝裝備，是一種降本增效的可行方案。