轨道交通道岔滑床台锻件开发

文／罗天园·中车资阳机车有限公司王飞·四川中车玉柴发动机股份有限公司

中车资阳机车有限公司锻造事业部拥有40多年的锻造历史，主要生产及开发机车用锻件、中低速柴油机连杆、风机用叶片等锻件，具备生产多类型锻件的能力。随着铁路大提速及货运重载的需求变化，有用户提出采用锻件替代精铸生产的道岔用滑床台。我公司为壮大轨道市场锻件产品，承接了该类产品的开发任务。

产品结构分析

本产品用于轨道交通道岔支撑，为道岔使用的易损件，具有较高的更换频率。本锻件开发之前，主要采用铸造方式生产，随着铁路提速及铸件质量的不稳定以及在用户的要求下进行了锻造开发。本锻件重量为12.5kg，适合我公司5t模锻锤生产。产品多处尺寸为非加工且要求公差达到0.5mm，为国标精密级锻件，图1所示为滑床台锻件三维模型。

从上述模型可以看出，锻件形状相对简单，但是在结构及锻造工艺性方面存在以下的技术难点：

⑴在图1锻件右端缺口处存在很薄的凸起，技术要求中对该部位有很高的尺寸要求，波动范围要求控制在0.5mm以内。

⑵锻件在厚度方向及周边的加工余量极小，锻件一旦错模有可能造成加工黑皮而报废。同时出模斜度要求小于3°，给锻件出模造成了困难。

⑶锻件所有棱角R均为2mm，非常不利于金属的流动及工装寿命的提高。

⑷由于锻件局部很薄，锻件切边后将存在局部的翘曲，难以保证锻件的尺寸要求。

图1 滑床台三维建模

工艺方案及工装设计

⑴工艺流程确定。

本系列产品为我公司首次开发如此高精密级锻件，针对上述提及的产品特点制定了如下的工艺流程：下料→加热→模锻（拍扁、预锻、终锻）→切边→正火→抛丸、探伤、打磨→检查→包装。

⑵工艺参数选取及设备选取。

本锻件重量12.5kg，通过三维建模测算锻件最大截面积后，选取φ85mm的棒料进行锻造，同时为保证锻件充型良好要求坯料与锻件长度接近一致，选用5t模锻锤进行锻造。

⑶工装布局。

锻模设计采用3型腔布局方式，分别为拍扁平台、预锻型腔、终锻型腔。锁扣设计选取品字形角锁扣，利于三个型腔布局同时有效提高工装导向精度。分型面采用曲面设计，能有效避免锻件型腔过深，有效提升锻件充型能力。

⑷型腔设计。

拍扁平台主要用于将坯料进行拍扁，同时去除大部分氧化皮。预锻型腔主要起到劈料及预成形目的，且过渡圆角采用大圆角过渡。终锻型腔与预锻型腔采用翻面设计，便于操作且有效避免因工装精度不良导致的锻造缺陷。

⑸热锻件尺寸设计。

锻件尺寸在零件基础上放加工量的同时，除了对图3圈内所示的尺寸进行了修正外，其余尺寸均按热胀量1.3%进行设计。该尺寸进行修正的原因是用户要求该锻件厚度公差在1mm之内，而模锻锤在锻打过程中要控制1mm的尺寸波动很有难度，因此在进行热锻件设计时将本来是19.6mm的尺寸修正为18.6mm，以此来抵消因锻件尺寸超厚而导致的该尺寸偏大。

图2 锻模三维图

图3 热锻件修正部位

生产试制

本产品共进行2次小批量生产，其中发生了一些问题，通过后续的改进措施即得到改善，在生产中出现的具体问题及整改措施如下。

⑴主要缺陷及原因分析。

1)由于锻件部分过渡圆角仅为R2，锻件在进行探伤检查时发现存在一定频次的锻件夹层缺陷，经打磨后可以消除。经分析认为是由于锻造设备精度不良导致的锤头晃动，在型腔闭合时啃伤锻件，从而在根部形成夹层。

2)部分锻件在缺口处存在较深的折叠，打磨深度较大，通过锻造过程的监控及分析，认为主要原因是预锻型腔局部过渡圆角较小，金属在开始锻打时产生拉锁凹陷，在最终成形充满时金属收拢、回填导致折叠缺陷产生。

3)最终检查时锻件厚度尺寸超上差1mm以上，在随后进行机加工验证时，存在2个重点尺寸因锻件厚度超差而相互冲突。

⑵整改措施。

1)针对锻件根部形成折叠的现象，在图纸允许的公差内，人工修整棱角R2到R4、同时调整设备精度及工装导向精度，使设备及工装处于良好状态后，该现象得以消除。

2）缺口处折叠现象主要由于预锻圆角过小导致，因此预锻圆角由R8调整到R15，且要求操作者在预锻前2～3锤时进行轻击，避免因重锤导致的金属拉锁形成褶皱，在终锻时，褶皱收拢及填充后形成折叠。

3)通过几个批次的生产，锻件尺寸控制在1mm之内是可行的，但是有近1/3的锻件难以达到图纸要求。而该部分锻件由于切边后难以进行复锤修复，为保证合格产品，需要在终检时进行样板卡控挑选。对难以通过样板的锻件采用了如下的校正方案，并设计一套简易校正工装，保证校正后的锻件合格。具体方案如下：打磨锻件切边毛刺→加热（700℃）→校正→正火→抛丸、探伤→检查→发送。校正时将锻件倒扣在校正工装上，将冲头插入校正部位用油压机或模锻锤轻击校正，并由工装上的圆形凸台进行限位，保证不会校正过度，校正工装模型见图4，通过校正后的锻件均满足了加工要求。

图4 校正工装三维模型

批量生产

通过两次的小批次试制后，对锻造工艺过程及工装进行了一定的调整及上述措施的实施，进行了批量生产。过程中严格监控生产状况，其中未发现异常，经后续磁粉探伤及尺寸检查锻件完全符合技术要求，图5为锻件批量生产后待发货状态。

图5 锻件批量生产

总结

通过本产品的试制及批量生产，对此类精铸件改锻工艺有了一定的研究。铸件产品普遍存在薄壁、拔模斜度小、过渡圆角小等特点，给锻造工艺及工装设计带来了一定的难度。同时由于铸件尺寸精度较高，而模锻锤在生产过程中波动性较大，难免会出现超差锻件，因此，在生产过程中要加强尺寸检查及控制。

通过本产品整个开发过程，不断优化工艺及工装，实现了该类铸件的锻造生产，在有效降低成本的同时提升产品自身性能及质量。本锻件的成功开发，为我公司开发类似的锻件做了有效的探索，也摸索出了一条锻造较为精密锻件的思路。