鐵路貨車鍛造上心盤的制造缺陷分析及預防措施

文／趙增華，張野，李杜生·中車齊齊哈爾車輛有限公司

本文介紹了鍛造上心盤的主要結構形式，對上心盤制造生產過程中產生的質量問題進行了分析，并提出了相應的預防措施。

鍛造上心盤是鐵路貨車的關鍵零配件，安裝在貨車車體中梁上，與安裝在轉向架上的下心盤配合使用，每輛貨車安裝2 件：一是起著承載車體重量的作用；二是在車輛行進過程中傳遞機車的牽引力和車輛制動力；三是在彎道中，上、下心盤相對轉動，實現(xiàn)列車轉向功能。在使用過程中鍛造上心盤承受著復雜的動、靜態(tài)載荷，要求具有優(yōu)良的強度、韌性和沖擊性能，其質量狀態(tài)直接影響著鐵路貨車的行車安全。

結構分析

目前，國內鐵路使用的上心盤基本完成從鑄件改為鍛件。上心盤一般按軸重進行分類，目前主要應用的有21t 軸重、23/25t 軸重、27t 軸重和30t 軸重等類型，我公司也為多家國外客戶開發(fā)了40t、45t 軸重上心盤。上心盤的材質普遍為25Mn，近年來又開始使用Q355D 材質。

上心盤結構形式為法蘭盤結構，包括有法蘭、中間圓臍等，如圖1 所示。法蘭四周形狀有三種形式，包括平直、兩面凹槽和四面凹槽，如圖2 所示。部分上心盤圓臍中間帶加強筋，如圖3 所示。根據(jù)軸重的不同，圓臍和法蘭的尺寸也各不相同，呈現(xiàn)軸重越大則法蘭和圓臍尺寸越大的趨勢。

圖1 上心盤結構示意圖

圖2 法蘭四周結構形式

圖3 帶加強筋的上心盤

制造工藝

目前，國鐵通用貨車使用的是鍛造上心盤，部分特種車型和出口車型也使用鑄造上心盤。

鍛造上心盤的制造工藝流程，包括原材料下料、加熱、鍛造、切除飛邊、打磨、熱處理、機加工、刻打標識、打磨、檢驗等工序，部分上心盤表面硬度如有加強，還需要增加表面淬火工序。

原材料下料

目前，國內上心盤原材料均為不同厚度的板料(厚度不同源于各廠制造工藝有差異)，下料方式主要有兩種：⑴釆購寬板原材料，使用切割(火焰或等離子)方式下料，這種方式工藝靈活，能適應不同種類上心盤規(guī)格需求，但存在部分切割面質量差，切割效率低的問題；⑵根據(jù)上心盤結構形式，采購相應規(guī)格的條板料，使用帶鋸床進行切割下料，這種方式的優(yōu)點是生產效率高，切割面質量好，缺點是工藝靈活性差，需要采購指定規(guī)格和倍尺長度的坯料，適合同一產品的大批量生產。

針對極小數(shù)量的上心盤生產，也可釆用自由鍛改制成需求規(guī)格的板料，然后再進行模鍛。

加熱

加熱目前有兩種方式：⑴采用火焰加熱，主要是室式燃氣爐加熱，加熱效率低、單件產品能耗較大、加熱后坯料表面氧化皮較多，影響鍛件的表面質量。但燃氣爐加熱工藝靈活，可適應不同規(guī)格坯料加熱。⑵中頻爐加熱，加熱速度快、加熱效率高，單件產品能耗較低，加熱后坯料表面質量較高。由于不同規(guī)格的坯料需要不同規(guī)格的爐體，只適合同一產品大批量生產。

鍛造和切邊

目前，國內采用的鍛造設備有模鍛錘、摩擦壓力機、對擊錘等鍛造設備。不同的設備，工藝有各自特點。切邊設備多采用曲柄壓力機、液壓機，也使用摩擦壓力機。

熱處理

上心盤鍛造后需要進行熱處理，以滿足機械性能要求。25Mn 材質上心盤采用調質處理，Q355D 材質上心盤采用正火熱處理，熱處理工序設備一般采用電阻爐或燃氣爐。為了降低產品能耗，目前我公司在鍛造生產線后增加了熱處理生產線，可將完成鍛造的毛坯直接送入熱處理加熱爐，可以有效利用鍛件余熱，降低能源消耗。

缺陷分析及解決措施

鍛造上心盤缺陷包括：充不滿(缺肉)、變形、裂紋(折疊)等。

充不滿(缺肉)

該缺陷表現(xiàn)為鍛件的某一位置未充滿模膛，完成鍛造的鍛件尺寸未達到圖紙要求，主要有法蘭邊角充不滿，法蘭面和圓臍面加工后的黑皮，法蘭面?zhèn)让嬗邪伎拥热毕菪问?圖4)。

圖4 鍛造上心盤缺陷圖示

⑴法蘭面和圓臍面加工后的黑皮缺陷形成原因。

1)鍛件毛坯加熱后氧化皮較多，且鍛造前未完全清理，在鍛造過程中氧化皮被壓入鍛件，形成氧化皮凹坑；

2)鍛件的加工余量過小，部分小的氧化皮凹坑沒有加工掉，造成缺陷。

3)加工工藝不合理或加工失誤的原因造成，鍛件為雙面加工，加工時需要合理分配兩側的加工余量。如果一個側面加工余量大，另一個側面加工余量小，則有可能造成鍛件單側面有黑皮，但如果為雙側面都加工后有黑皮，則是鍛造原因造成。

預防措施：

①根據(jù)加熱設備的特性，需要制定不同的氧化皮清除措施，例如：若采用中頻爐加熱，由于坯料加熱時間短，毛坯表面的氧化皮層較薄且厚度均勻，只需要在鍛造前用高壓空氣吹掃坯料表面氧化皮即可；若采用燃氣爐加熱，由于坯料加熱時間較長，表面氧化皮較厚且不均勻，部分坯料接觸爐底會粘有異物，需要人工使用扁鏟清除氧化皮和異物，在完成第一次鍛造后，再使用高壓空氣吹掃鍛件表面氧化皮，然后繼續(xù)鍛造。

②采用燃氣爐加熱，加熱前應清除爐底異物，坯料采取高溫入爐、快速加熱工藝，同時降低坯料一次裝爐數(shù)量，采取續(xù)料裝爐方式，盡可能減少氧化皮的產生量。

③鍛造完成后，及時使用高壓空氣吹掃模膛，將模膛里的氧化皮清除干凈。

④根據(jù)不同加熱設備，制定合理的鍛件加工余量，對采取燃氣爐加熱，且加熱時間較長的鍛件，應相應增加加工余量。

⑤根據(jù)鍛件的特點(不同廠家采用的鍛造設備和工藝差異)，應制定合理的加工余量分配工藝，并嚴格執(zhí)行。

⑵上心盤法蘭邊角充不滿(缺肉)的形成原因。

1)原材料尺寸規(guī)格與模膛尺寸不匹配，導致鍛件充不滿。根據(jù)上心盤法蘭四周尺寸和結構形式，原材料的厚度和周邊尺寸有多種規(guī)格，原材料在模膛里放置也有多種形式。

如圖5 所示，對于法蘭四周為平直結構的上心盤，坯料的厚度可根據(jù)上心盤的最大截面來確定，寬度和長度尺寸可按照上心盤的法蘭尺寸來確定，加熱后的坯料能完全放置到模膛里即可。這種結構的上心盤法蘭邊角幾乎不可能出現(xiàn)充不滿缺陷。

圖5 法蘭四周平直上心盤坯料放置示意圖

如圖6 所示，對于法蘭四周有四個凹槽結構的上心盤，其坯料的尺寸規(guī)格的確定就很困難，最理想的坯料規(guī)格和放置形式見圖6(a)，即坯料四周也切割有凹槽，坯料邊緣緊貼模膛，這種規(guī)格坯料的鍛造后成形非常穩(wěn)定，幾乎不可能出現(xiàn)充不滿缺陷。但這種規(guī)格坯料下料需要采取切割方式(火焰和等離子)切出凹槽，材料利用率低，生產效率低。如果采用圖6(b)所示的坯料規(guī)格和放置方式，坯料的四個邊的尺寸按照鍛件法蘭四周最小尺寸確定，坯料的四個角離模膛的邊緣距離較遠，由于四個尖角存在應力集中，鍛造時此位置最后成形，容易出現(xiàn)充不滿缺陷。但這種下料方式可釆用鋸切條板料，生產效率高，材料利用率也高。

圖6 法蘭四周有四個凹槽的上心盤坯料放置示意圖

如圖7(a)所示，對于法蘭四周有兩個凹槽結構的上心盤，其下料方式和坯料放置方式與法蘭四周存在四個凹槽的上心盤相似。如圖7(b)所示，若采用四周平直的坯料，上心盤法蘭的邊角也比較容易出現(xiàn)充不滿的缺陷，但由于坯料四個角距離模膛邊緣較近，出現(xiàn)充不滿缺陷的幾率比圖6(b)所示上心盤低。不過這種下料方式可采用鋸切條板料，生產效率高，材料利用率也高。

圖7 法蘭四周有兩個凹槽的上心盤坯料放置示意圖

2)由于坯料在模膛里放偏，導致鍛件充不滿。若鍛件毛坯下料規(guī)格定額較小，鍛造時就必須保證坯料在模膛里擺正，否則在鍛造后出現(xiàn)一邊飛邊較大，另一邊無飛邊的問題，如圖8 所示。

圖8 坯料放偏導致鍛件充不滿

3)加熱溫度低，鍛件變形阻力大，造成鍛件充不滿。若采用中頻爐加熱，坯料四個角的溫度比坯料中心低，變形阻力較大，會出現(xiàn)充不滿缺陷。

4)成形設備出現(xiàn)故障，打擊力不穩(wěn)定，會造成鍛件充不滿。

預防措施：①對于小批量的上心盤，可采用切割方式下料，將坯料四周凹槽切割出來，可保證鍛件充型質量，同時可以降低坯料的厚度；對于大批量生產的上心盤，為保證下料效率，可采用四周平直的坯料，但需要精確計算坯料的厚度，保證有足夠的坯料參與變形。②為保證鍛件不會出現(xiàn)由于放偏導致的充不滿缺陷，建議增加下料定額，保證有充足的坯料參與變形。③對于因加熱溫度低和設備打擊力不足問題導致的充不滿缺陷，則需要及時停止生產，待設備狀態(tài)恢復后再生產。

⑶上心盤法蘭側面凹坑形成原因。

坯料加熱后側面產生了較多的氧化皮(多發(fā)生于燃氣爐加熱過程)，鍛造前未完全清除坯料側面的氧化皮，完成第一錘鍛造變形后，坯料側面的氧化皮脫落并掉落到模膛里，此時再繼續(xù)鍛造，氧化皮會被壓入上心盤毛坯。在熱處理或加工工序，毛坯側面聚集的氧化皮脫落，導致鍛件毛坯尺寸變小，形成充不滿缺陷。

預防措施：①鍛造前要及時清除坯料側面的氧化皮；②完成第一錘鍛造后，應及時用高壓空氣清除法蘭四周與模膛空隙間的氧化皮。

變形

如圖9 所示，變形缺陷表現(xiàn)為上心盤的法蘭面平面度差，法蘭面的四個角與法蘭平面有明顯的夾角。此位置在加工時，若變形量大于加工余量，上心盤加工后會產生黑皮缺陷。

圖9 上心盤法蘭變形

缺陷形成原因：①坯料尺寸過大，鍛造完成后模具未完全合模，鍛件橋部厚度變大，同時切邊凹模刃口磨損后變鈍，切邊時刃口位置剪切阻力變大，法蘭邊緣四個角位置易產生塑性變形，形成缺陷。②鍛件完成鍛造后，若終鍛溫度過高，鍛件快速冷卻(局部水冷或過堂風吹)，上心盤法蘭的邊緣由于厚度較薄，冷卻速度比上心盤中間位置快，過大的溫差產生的溫度應力會造成上心盤法蘭邊緣發(fā)生形變。

預防措施：①合理選擇坯料材料定額，避免定額過大，造成鍛件厚度超差；②及時檢查和維護切邊凹模刃口，保證刃口鋒利；③鍛后冷卻采取堆冷，避免水澆或將鍛件放置在廠房門口。

裂紋

上心盤鍛件的結構較為簡單，各截面過渡位置圓角較大，變形時各部位不易發(fā)生應力集中而產生折疊缺陷，若原材料質量滿足，上心盤內部很難產生裂紋。上心盤毛坯的裂紋一般產生在法蘭側面，如圖10 所示。

圖10 上心盤裂紋缺陷

缺陷形成原因：如圖10(a)所示缺陷，主要是在切邊工序中產生，主要原因是鍛件存在的錯差(錯模)，當錯差量較大時，在鍛件上模位置和下模位置形成空隙，切邊過程中，下模位置飛邊橋部坯料被擠入到空隙中，擠入空隙的坯料與上模位置的坯料形成裂紋(折疊)缺陷。鍛件錯差后切邊形成裂紋示意圖見圖11。

圖11 鍛件錯差后切邊形成裂紋示意圖

預防措施：鍛件存在錯差的原因可能是模具導鎖磨損量過大，不能有效導向。若模具沒有導鎖結構，則可能為設備的導向精度較差造成的，因此及時調整模具導鎖或設備導向則可以解決此類問題。

如圖10(b)所示缺陷，即鍛件側面存在孔洞，一般是原材料切割時形成的缺陷，鍛造時瑕疵被壓入毛坯中而形成孔洞。原材料切割缺陷示意圖見圖12。

圖12 原材料切割缺陷示意圖

預防措施：加強原材料切割質量控制，對缺陷位置進行打磨，保證缺陷位置圓滑過渡。

結束語

⑴合理的鍛造工藝制定(加工余量、加熱規(guī)范和氧化皮清除)，可以有效預防上心盤鍛造缺陷的產生；

⑵原材料質量差、設備和模具的狀態(tài)不良也是鍛造缺陷產生的重要原因。加強對原材料的檢驗，及時維護設備和模具，保證狀態(tài)良好，可以有效防止相關鍛造缺陷的產生。