道岔異型鋼軌跟端加長600 mm熱鍛成形關鍵技術

王子舒

（中鐵寶橋集團有限公司 道岔分公司, 陜西 寶雞 721006）

0 引言

非對稱斷面鋼軌因其高度低、穩定性好等特點, 一般用于道岔尖軌[1］。非對稱斷面尖軌跟端鍛壓成標準軌型與導軌連接, 尖軌跟端鍛壓段由過渡段和成型段組成, 一般過渡段長度150 mm, 成型段長度450 mm, 在現場更換尖軌等特殊情況下, 存在成型段需加長600 mm的需求。為實現尖軌更換時既不增加焊縫, 又能使焊縫居中, 最有利的方案是把尖軌跟端的成型段長度加長一個軌枕間距（600 mm）[2］。研制跟端加長型道岔尖軌, 實現截面均勻延伸, 再與后端的導軌焊接, 相應的墊板等零部件均不發生變化, 此技術具有簡單、便捷的特點, 特別適用于現場應急救援, 加長型尖軌更換示意見圖1。

圖1 加長型尖軌更換示意圖

1 存在問題

一般情況下, 道岔的非對稱斷面異型鋼軌成型段為450 mm, 在特殊狀態下需要采用加長型異型鋼軌, 便于現場更換, 產品結構見圖2。一直以來, 道岔生產廠家鍛造設備按成型段450 mm配置, 壓力機最大噸位約為5 000 t, 要實現異型鋼軌跟端加長600 mm, 采用分段成形的方式實現。此方案不可避免出現接頭搭接處表面充填不足、彎曲變形、折疊、鍛壓段直線度超差等工藝難題, 同時采用分段成形工藝很難實現跟端熱鍛成形自動化, 增加了鍛壓工藝復雜程度。經壓力計算, 采用常規方式進行加長型異型鋼軌一次整體成型, 所需壓力機噸位會成倍增加, 整體成形噸位超過8 000 t。為適應鐵路線路更換非對稱斷面異型鋼軌作業的快速性、便捷性以及經濟性要求, 同時實現跟端加長型異型鋼軌的生產自動化和產品高質量, 亟待研究道岔異型鋼軌跟端加長600 mm熱鍛成形關鍵技術。

圖2 60AT1-60 kg/m異型鋼軌跟端加長產品結構圖

2 關鍵技術

2.1 熱鍛成形方案

目前異型鋼軌熱鍛成形主要有2種方式, 縱向2個工位活塊組合模具成形方式（見圖3）和橫向4個工位整體模具成形方式（見圖4）。根據各自成形方式和結構特點, 活塊組合式適用于成型段≤600 mm, 且軌頭變形較小的產品, 能實現預鍛和終鍛之間前后縱向快速換模[3］；橫向4個工位整體式適用于尺寸精度要求高的產品, 利于實現各工位間快速換模。

圖3 ?活塊組合式

圖4 整體式

在此研究產品的成型段長度為1 050 mm, 采用活塊組合式結構上模架長度為860 mm, 若要實現成型段1 050 mm, 則必須采用分段成形模式, 即第1段成形600 mm, 再進行第2段成形550 mm（包括100 mm相接段）, 分段成形過程見圖5。經試驗, 第1段和第2段相接位置容易出現軌肢寬度超負差, 軌肢側面呈波浪形狀, 接茬部位軌肢上表面出現臺階狀, 魚尾空間超差嚴重, 形狀尺寸不能滿足跟端加長600 mm產品成形需求[4］。

圖5 分段成形過程

對比異型鋼軌成形質量、產品結構、自動化方式, 選用橫向4個工位整體模具成形方式進行60AT1跟端加長600 mm異型鋼軌熱鍛成形。

2.1.1 模具結構設計

經上述分析, 選用的熱鍛成形方案需分別設計4個工位模具, 前3個工位模具為成形模具, 第4個工位模具為切邊模具。4個工位模具結構示意見圖6。

圖6 4個工位模具結構示意圖

（1）第1工位。由于毛坯料為60AT1非對稱斷面鋼軌, 設計第1工位模具結構時, 考慮長短肢兩側金屬分配問題, 結合毛坯料軌腰金屬量確定上、下模軌肢寬度和軌高, 使成形后長肢側軌腰和軌肢夾角＞95°, 避免第2工位成形時內圓弧出現折疊等缺陷, 同時還應避免第2工位成形時造成長肢側軌肢內圓弧出現折疊或不可逆的局部缺肉[5］。

（2）第2工位。第2工位模具對毛坯料進行軌底成形, 確保第3工位模具能順利完成合模成形而不產生缺陷。設計結構時, 端頭短肢側軌底寬度能否延伸至155 mm是成形成功與否的關鍵。另外第2工位軌頭朝下成形, 第2工位模具是左右拼裝模具, 出模時容易出現夾料現象, 造成脫模不暢, 所以設計結構時, 應重點考慮鋼軌出模問題[6］。

（3）第3工位。第3工位模具負責產品最終成形, 是終鍛模具。除考慮產品外形、金屬量等, 還應結合后續機加工因素確定模具結構尺寸[7］。

（4）第4工位。第4工位模具主要切除前工位產生的飛邊, 是切飛邊模具。設計時需重點考慮軌頭及軌底剪刃結構尺寸, 既要便于飛邊切除, 又要避免出現夾料現象。

2.1.2 數值模擬

利用三維設計軟件Solideworks分別創建各工位上模和下模, 毛坯料60AT1與上下模組裝成合模狀態并導入有限元分析軟件中, 合模狀態示意見圖7。

圖7 合模狀態示意圖

毛坯料60AT1及第1工位模具導入有限元分析軟件, 調整其位置, 進入待合模狀態, 對毛坯料60AT1及模具進行網格劃分。

設置模擬參數如下：毛坯料始鍛溫度為1 150℃, 塑性體；模具溫度為200℃, 剛性體；毛坯料體積保持不變。上模主運動, 運動速度設置為14 mm/s, 其余參數默認[8］。設置模擬參數后進行數值模擬, 第1工位模擬過程見圖8。

圖8 第1工位模擬過程

以第1工位成形工件作為第2工位的毛坯, 按上述方法進行第2、第3工位模擬, 模擬過程見圖9、圖10。

圖9 第2工位模擬過程

圖10 第3工位模擬過程

根據模擬結果, 查看各工位成形過程中是否存在金屬折疊以及各工位所需鍛造壓力, 進而指導模具工藝優化及工藝參數設計[9］。對各工位成形后工件進行分析并查看金屬流動趨勢圖, 各工位成形后工件見圖11, 各工位未見金屬折疊, 表明模具結構合理。

圖11 各工位成形后工件

由模擬結果可知, 各工位鍛造壓力機噸位分別為2 320、4 890、14 300 t。目前我國道岔生產廠家壓力機噸位為5 000~6 000 t, 故需要進行二火加熱整型。各工位鍛造壓力機噸位見圖12。

圖12 各工位鍛造壓力機噸位

在5 000 t壓力機噸位下, 第3工位工件飛邊尺寸見圖13, 軌頭和軌底飛邊較小, 根據現場實踐經驗, 飛邊較小時, 采用切飛邊模具容易夾料, 為便于鋼軌順利脫模, 第3工位一火成形后不切飛邊, 直接進行二火加熱。

圖13 第3工位極限壓力機噸位下工件飛邊尺寸

2.2 自動化成形方案

為降低工人勞動強度, 提高產品穩定性, 主要從送料、入模壓形以及下料方式的結構穩定等方面考慮, 對鋼軌熱模鍛成形工件的上料、入爐加熱、入模成形及下料全自動控制進行設計, 主要包括連續自動上料系統、四軸聯動操作機、自動下料系統[10］, 總體布局見圖14。

圖14 總體布局圖

2.2.1 連續自動上料系統

連續自動上料系統設置2級上料單元, 第1級為儲料架, 第2級為上料架。儲料架和上料架分別固定在基礎上, 橫向不對接, 縱向錯位后搭接。根據鋼軌長度制作若干個儲料架和上料架, 并且沿鋼軌長度方向布置, 連續自動上料系統見圖15。

圖15 連續自動上料系統

（1）每個儲料架安裝橫向移動的單向推料頂頭, 頂頭采用鏈條和傳動軸連接, 采用電機驅動傳動軸旋轉, 實現各個儲料架的頂頭同步橫向移動, 通過電機正反轉實現推料頂頭推料和回程, 使鋼軌依次平移至上料架, 儲料架結構見圖16。

圖16 儲料架結構

（2）每個上料架安裝等距多頂頭單向橫向推料機構, 頂頭間距根據取料操作機寬度確定, 推料機構采用連接板和液壓缸連接, 液壓管路安裝液壓調速器, 實現各個上料架等距推料機構橫向同步平行移動, 在第1個上料架的取料位和尾部分別安裝光電傳感器, 檢測來料情況并對控制器發送信號。儲料架上安裝手動拉料機, 利用手動拉料機將鋼軌逐根依次平移至上料架, 通過上料架的推料機構將軌件等距分開放置, 便于入爐加熱, 上料架結構見圖17。

圖17 上料架結構

2.2.2 四軸聯動操作機

（1）壓力機后側布置1套操作機, 用于完成工件壓制過程中的各工藝動作。操作機可完成上下、前后、左右移動及旋轉、夾緊等動作。該裝置是鋼軌鍛壓成型的送料機構, 主要由車架、夾緊裝置、動力輸送裝置、定位裝置、自動控制裝置組成, 能完成感應爐加熱、壓力機鍛造、出料等工藝過程間的鋼軌傳遞。

（2）操作機由橫向輸送大車、縱向輸送小車組成。橫向輸送大車主要完成鋼軌加熱位置、鍛造成形位置間的橫向輸送；縱向輸送小車主要完成鋼軌的夾緊、升降、入爐加熱, 配合鋼軌鍛造成形工藝要求實現鋼軌入模、拔模、出模、旋轉等動作, 然后把鋼軌送至下料區。

2.3 熱鍛成形試驗

各系統安裝后, 分別測試每個系統動作, 保證能正常工作。橫向換模系統與壓力機主控制系統相連, 由壓力機主控制系統控制橫向換模、行程和鎖緊, 鋼軌熱鍛成形自動控制生產線見圖18。

圖18 鋼軌熱鍛成形自動控制生產線

2.3.1 自動控制參數

將熱模鍛成形4個工位模具安裝在壓力機橫向換模上下滑動板上, 根據模具尺寸及第4工位卸料缸位置, 確定第1、第2工位橫向換模位置參數為320 mm, 第3、第4工位橫向換模位置參數為700 mm。通過現場試驗調整, 分別確定加熱爐、4個工位的橫向與縱向位置及旋轉角度和高度, 自動控制參數見圖19。

圖19 自動控制參數

2.3.2 模具熱鍛成形

選用4根試驗件, 采用通用感應電加熱爐加熱, 始鍛溫度為1 150℃, 利用自動上、下料系統完成異形鋼軌端加長600 mm熱鍛成形試驗。熱鍛成形及機加工圖見圖20。

圖20 熱鍛成形及機加工圖

熱鍛成形工藝過程為：

（1）將一批鋼軌放置于儲料架上→操作工配合天車將鋼軌擺正→控制儲料架的拉料機構。

（2）將鋼軌平移至上料架→利用上料架的推料機構將軌件等距依次平移至取料位→操作機夾持鋼軌送料入爐加熱→鋼軌加熱→利用操作機橫向和縱向移動完成鋼軌出爐和第1工位入?！?工位壓型合?！_模。

（3）操作機橫向、縱向移動并旋轉90°或270°至第2工位→第2工位壓型合?！_模。

（4）小車縱向移動出模到位后旋轉90°或270°同時模具橫向移動裝置完成第2工位至第3工位移動→第3工位壓型合?！_?！≤噴A緊鋼軌移動至第4工位→第4工位合?！_模。

（5）小車縱向移動出模并旋轉90°→小車橫向移動至加熱爐→鋼軌二火加熱→加熱完成后操作機橫向、縱向移動至第3工位并完成鋼軌入?！?工位壓型合?！_?！≤噴A緊鋼軌移動至第4工位→第4工位合?！撥壋瞿Ｖ料铝吓_→操作機回取料位取料。

2.3.3 試件檢驗

異型鋼軌跟端加長600 mm熱鍛成形試驗經多次模具結構優化, 最終完成熱鍛成形, 試件檢測數據見表1。

表1 試件檢測數據 mm

隨機挑選尺寸合格產品進行軌頭正火硬度、拉伸性能、低倍組織、顯微組織、脫碳層深度、超聲波探傷、磁粉探傷、疲勞試驗, 其中1件脫碳層試件脫碳層深度為0.59 mm, 由于送檢試件軌頂面未加工, 正常產品均有不小于1 mm的加工量, 所以正常產品脫碳層深度符合標準要求（小于0.5 mm）。其余檢測項點符合標準要求。

3 技術創新點

（1）針對線路維修等特殊情況需更換跟端加長異型鋼軌, 通過模具設計、數值模擬、試件驗證等方式, 開發了一套生產加長型非對稱斷面異型鋼軌的4個工位模具。該套模具能實現跟端1次整體成形, 成形斷面均勻延伸, 減少鍛造次數及加熱次數, 解決了分段鍛壓后發生彎曲變形、表面充填不足、折疊、鍛壓段直線度超差等工藝難題, 成型段長度不小于1 050 mm。

（2）針對異型鋼軌鍛壓成形特點, 開發了一套完整的異型鋼軌熱鍛成形自動生產線, 實現了異型鋼軌熱鍛成形全自動生產, 極大地降低了勞動強度, 提高了產品質量和生產效率。

（3）加長異型鋼軌的成功開發, 改變了線路更換尖軌的方式, 縮短了更換時間, 提升了工務養護水平和效率, 具有顯著的社會經濟效益。

4 結束語

道岔異型鋼軌跟端加長600 mm熱鍛成形技術采用4個工位模具1次整體熱鍛成形, 壓力機最大噸位為5 000~5 200 t, 成型段長度可達1 050 mm, 產品尺寸及理化性能均滿足標準要求, 產品質量穩定, 操作簡單, 工藝重復性好, 外觀及魚尾空間滿足標準要求。根據異型鋼軌熱鍛成形特點采用操作機自動上、下料系統, 實現異型鋼軌成型段加長600 mm熱鍛成形產品的全自動生產, 整個生產過程中不需要操作人員干預, 全部按預先設定的程序進行, 大幅降低工人勞動強度、提高生產效率、節約生產成本。