动车组车轮的制造工艺与质量控制

国新春， 程德利， 张 磊

（宝武集团马钢交材科技有限公司， 安徽 马鞍山 243000）

高速铁路安全运输是关系到国计民生的重要问题，铁路总公司多次下达安全性指导意见。车轮是高速列车安全核心部件之一，其技术标准要求高、生产难度大[1]。国外动车车轮生产、应用较成熟，现国内高铁使用的车轮主要依赖于进口。为了打破国外技术的垄断，加速开发完全自主知识产权的动车组车轮，2014 年，铁路总公司启动重大课题《时速350 km标准动车组轮轴设计研究》，推进铁路技术装备创新和发展[2]。马钢做为项目主要参与单位，从“品种、品质、品牌”战略出发，主动承担起中国高铁用轮国产化的重要任务。经过长期的技术攻关，取得了标动车轮CRCC 资质认证证书，并建立了完善的质量保证体系，实现技术先进、质量一流的国产高铁车轮批量生产和供货[3]。本文介绍了自主研发的动车组车轮的先进制造工艺和质量控制方法。

1 动车组车轮制造工艺

1.1 钢坯冶炼工艺

钢坯冶金质量是车轮安全性、可靠性的关键因素。近年来，马钢在铸坯无氧化保护浇注技术、结晶器电磁搅拌技术取得了长足的进步，效果明显。主要对钢坯冶炼工艺的采取以下几点优化，来保证过程控制稳定，生产过程安全。

1）采用小电搅和大电搅相结合的工艺控制，有效地防止碳偏析和枝晶偏析。

2）采用洁净度控制技术，使夹杂物实现微细化和弥散化分布。

3）加强连铸的保护浇铸操作，特别是加强对二次氧化的控制，优化过程加覆盖剂和保护渣操作。

4）设置合理的成分控制范围，在标准允许范围内精确控制硫和铝含量。

1.2 车轮热成型工艺

利用数值模拟方法对车轮用Φ380 mm 圆坯加热过程温度变化情况进行了模拟分析，钢坯温度分布随时间的变化见图1。

图1 钢坯加热过程温度分布

由图1 可见，当加热时间达到5 h 时，钢坯温度总体较均匀。

图2 车轮用Φ380 mm 圆坯加热过程数值模拟与实测结果对比

进一步利用DataPaq 在线测温系统对车轮用Φ380 mm 圆坯加热过程温度进行了测量以验证数值模拟结果的准确性。测试方法为，沿钢坯中轴线上，在距钢坯上表面下50 mm、钢坯中心、距钢坯下表面50 mm 位置处埋植热电偶，在钢坯加热过程中测量温度变化规律，测量结果见图2，实测结果与模拟结果吻合较好，因此确定钢坯加热时间为≥5 h。

1.3 热处理工艺

热处理工艺的关键是如何有效发挥V 的强化作用和晶粒细化作用，从而提高车轮的强韧性匹配，提高车轮实物质量。

采用Formastor 热模拟试验机测定D2 材料、ER8 材料CCT 曲线，利用金相显微镜进行金相组织观察，进行载荷5 kg 的维氏硬度测试。为热处理工艺参数设计提供参考。CCT 曲线见图3，冷却速度—硬度关系见图4。

图3 D2/ER8 的 CCT 曲线

图4 D2/ER8 不同冷速下硬度变化

1）D2 车轮材料的 Ac3 较 ER8 高约 10 ℃。

2）D2 车轮材料的完全珠光体转变临界冷却速度高于ER8，在车轮轮辋组织控制上具有相变特性上的优势。

3）D2 材料硬度随冷速降低幅度明显低于ER8，有利于降低车轮轮辋径向硬度梯度。

因此，结合马钢ER8 车轮的生产经验，确定了车轮热处理最佳加热温度及冷却速率，经实物检验结果如表1。

2 装车考核

按中国铁路总公司装车考核大纲，国产化D2材质车轮装配于中国标准动车组“蓝海豚”、“金凤凰”上，先后在大西线、郑徐线、沈大线累计完成装车考核试验，期间成功进行了420 km 交会试验。车轮磨耗量总体优于同车装配的进口ER8 材质车轮，马钢研制的中国标准动车组用D2 材质车轮总体达到了国际先进水平（见图5，图6）。

表1 热处理态车轮力学性能

图5 四方CRH0207 号“蓝海豚”动车组车轮每万km 踏面磨耗规律曲线

图6 长客CRH0503 号“金凤凰”动车组车轮每万km 踏面磨耗规律曲线

3 质量控制

优质、稳定的产品质量，必须融入创新的管理理念，关注产品的全过程。从动车组车轮成分设计开始，到制造工艺的确定，最后到生产过程控制执行，对提升产品质量都有至关重要的作用。产品质量包括“成品质量”、“生产过程的技术管理”、“用户服务与反馈”三个方面[5]，马钢在动车组车轮质量控制上，充分考虑了与质量相关的所有方面。

3.1 标准动车组质量管理体系的构建

针对标准动车组认证通过后的批量化生产，以零缺陷管理制度为基础，融合IRIS 和ISO9001 标准体系中关于产品实现过程的要求，从标准动车组车轮技术条件出发，基于当前的生产条件、管理水平、员工职业素质，针对高速度、高风险的特点；以预防为主，准确识别产品的安全特性，充分识别产品和过程的失效模式，明确过程参数和产品特性值控制要求，明确设备精度参数要求，强化过程控制，实行生产过程全要素跟踪，强化过程监督，明确岗位责任，实行严格的质量责任追溯制度。

通过风险和异常的识别，强调预防确认机制，把好“不接受不合格品”关；通过明确设备精度参数、过程参数及产品特性值控制要求，并针对性建立检测规范，严把“不制造不合格品”关；通过非常作业管理办法的完善，单件跟踪制度、工艺纪律检查制度、质量责任追溯制度以及发货前审核制度的建立，落实“不转移、不发货不合格品”关。

3.2 产品质量风险预防机制的建立

根据标动车轮的高安全性要求，结合法律法规、产品标准、已公开发行的文献资料及技术专题讨论会信息，对标动车轮产品在运用中可能存在的运用故障进行识别，确定可能影响正常运用或交付的产品特性值。

按照工艺路线，根据已识别出的标动车轮安全特性值，结合常规车轮质量管理问题的收集，仔细甄别各工序点可能出现的异常过程，确定异常过程可能导致的失效模式和影响的产品特性值。为工艺参数制订、设备精度参数要求确定、检验规程的建立以及工序中可能需要采取的特定要求提供支持。

3.3 产品实现过程的全要素控制的实现

从人员、工装、设备、物料、方法、环境等方面进行生产前准备，人员分工上，实行重点产品全员关注制度，确保项目顺利推进。在设备上倡导工艺主导、设备主动，推动设备精度管理精细化，全力打造以点检、检修、检测为基础的设备功能精度管理体系，为产品生产、产品质量、产品销售提供有力的设备支撑。

3.4 标动车轮的发货前审核制度的建立

为实现标动车轮发货零缺陷目标，在标动车轮发货前建立审核制度。审核小组由总工程师担任组长，质量组织架构中的各成员单位为组员。每次审核由质监部牵头组织，对每炉取样结果、检测结果（静平衡、硬度测试、磁探、超探）、包装防护检查结果、数量、各工序质量记录（加热、热检、缓冷、热处理、加工）、MES 信息情况、发货前实物表面状况及包装情况、不合格品处置控制记录（含标识、隔离、返修以及复检）、废品处置情况、工艺纪律检查信息、发现问题是否已关闭等十一个方面进行审核记录和产品的审核检查。

3.5 对顾客服务与反馈的完善

对顾客实施售前和售后服务，包括产品服务、异常处置、技术咨询和技术保障。通过专业的调查收集顾客的反馈，从顾客满意度、顾客质量数据、用户意见等各方面获得顾客感受，进行KPI 测评和分析。

4 结语

本文阐述了动车组车轮的冶炼工艺、热成型工艺、热处理工艺等进行了深入的研究，产品的各项指标符合中国标准动车组车轮技术条件要求，并完成了运用考核。在批量生产时，从质量控制、过程防控、用户服务等发面采取有效的措施，形成了完整的质量控制体系，确保了标准动车组的质量稳定。随着马钢技术和管理水平的提升，在不久的将来，中国标准动车组车轮完全自主化生产，代替国外进口。