文／徐光順，邸偉佳，劉巧紅，陸亞娟·張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司

火車驅(qū)動(dòng)齒輪的鍛造工藝研究

文／徐光順，邸偉佳，劉巧紅，陸亞娟·張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司

市場分析

我國從1997年第一次鐵路大提速以來.機(jī)車提速后對(duì)火車驅(qū)動(dòng)齒輪的強(qiáng)韌性、耐磨性、抗熱裂性、抗疲勞性和抗剝離性等性能提出了更高的要求。因此.研究火車驅(qū)動(dòng)齒輪環(huán)鍛件成形工藝.提升該鍛件的綜合質(zhì)里.制造優(yōu)質(zhì)的火車驅(qū)動(dòng)齒輪是實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸和提速的有力保證。

火車驅(qū)動(dòng)齒輪是火車的重要零部件.對(duì)火車的安全性及鐵路系統(tǒng)的安全性起到至關(guān)重要的作用。但是.目前國內(nèi)生產(chǎn)的17CrNiMo6等滲碳鋼齒圈仍存在諸多問題.例如心部性能差、鍛件組織不均勻?qū)е聺B碳淬火時(shí).齒圈出現(xiàn)畸變、開裂等現(xiàn)象。鍛造產(chǎn)品具有很多優(yōu)點(diǎn).內(nèi)部組織比較均勻、晶粒細(xì)化、組織存在纖維方向等等.因此鍛件的許多力學(xué)性能要遠(yuǎn)高于鑄件及焊接件。因此通過鍛造方式來生產(chǎn)該零件市場潛力巨大。

鍛件工藝可行性分析

驅(qū)動(dòng)齒輪（圖1）是火車上的重要零部件.這要求鍛件有一定的強(qiáng)度、耐磨性.才能保證零件的性能達(dá)到要求。我公司結(jié)合自身情況.對(duì)生產(chǎn)該鍛件制定了以下生產(chǎn)工藝：

⑴在鋼錠的可鍛溫度區(qū)間內(nèi)采用十字交叉鍛造工藝.確保17CrNiMo6鍛件在可鍛溫度區(qū)間內(nèi)達(dá)到所需的變形里.使鋼錠鍛透且變形里均勻。

⑵通過ABAQUS軟件三維仿真模擬軸徑向軋制過程、芯輥徑向進(jìn)給速度曲線.以優(yōu)化模具幾何尺寸及軋制工藝參數(shù)。

⑶根據(jù)材料的特性設(shè)計(jì)合理的動(dòng)態(tài)階梯升溫曲線.確保鍛件表面與心部溫度一致.組織均勻。

⑷根據(jù)零件尺寸圖.設(shè)計(jì)近凈成形軋制技術(shù)。

圖1 火車驅(qū)動(dòng)齒輪三維圖

具體工藝過程

下料裝爐加熱

對(duì)采購的原材料進(jìn)行嚴(yán)格的化學(xué)成分分析和表面缺陷檢查.選擇符合要求的鋼錠.確保鍛件的各種性能達(dá)到要求.尤其是耐熱的要求。選擇鋸床下料的方式確保棒材的表面切割質(zhì)里和尺寸精度。鋸床下料不僅能提高生產(chǎn)效率.而且還能節(jié)約成本.操作簡便。

鋸好的坯料裝爐時(shí)要保持適當(dāng)間距.將坯料底部墊空.以防止加熱后坯料出現(xiàn)“陰陽面”.避免出現(xiàn)坯料上下溫度不一致的情況.從而影響制坯過程或者造成鍛件內(nèi)部組織性能不同。嚴(yán)格控制始終鍛溫度.使鍛件得到良好的綜合力學(xué)性能。

設(shè)備方面

由于零件尺寸不大.所需成形壓力較小.選擇1600t水壓機(jī)作為壓力設(shè)備即可。水壓機(jī)具有鍛造加壓速度快.環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn).很適合小鍛件的制坯。軋制設(shè)備選擇直徑為3m的數(shù)控輾環(huán)機(jī)。該設(shè)備操作簡單.工作效率高。

鍛件成形工藝

通過研究零件的尺寸.綜合考慮成本、材料成形和設(shè)備等方面的因素.確定了以中軸線以上為矩形.中軸線以下為內(nèi)凹輪緣形狀的鍛件形狀.如圖2b所示。此驅(qū)動(dòng)齒輪內(nèi)側(cè)有一個(gè)內(nèi)伸的臺(tái)階.且靠近輪面的一側(cè).輪面的另一側(cè)雖然也是凹面輪緣形.但由于沒有此小臺(tái)階.因此可以設(shè)計(jì)成矩形。為了保證此小臺(tái)階能夠順利成形.并且節(jié)約材料.輪面另一側(cè)設(shè)計(jì)成凹面形。經(jīng)過計(jì)算.此成形方案與上下兩側(cè)均是異形方案（圖2a）相比.節(jié)省材料近40kg；從成形角度來分析.根據(jù)最小阻力定律.單側(cè)異形要比兩側(cè)異形成形容易.而且還能減少模具的復(fù)雜程度和加工成本。

鍛模

為保證鍛件的尺寸精度和性能要求.采用軸向和徑向結(jié)合的軋制方式。遵循模具設(shè)計(jì)的一般原則.根據(jù)上述成形方案.參照模擬的結(jié)果和生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).采用圖3所示的成形工藝.該成形工藝包括下料→鐓粗→下沖頭沖孔→沖透孔→專用主模+芯輥軋制成形。

圖2 兩種異形軋制鍛件截面圖

圖3 鍛件軋制工藝流程

輪緣水平部分的最大成形距離在110mm左右.為增大一次成形的幾率.在進(jìn)行正式軋制前.在制坯過程中先進(jìn)行一下預(yù)成形.即通過修改下沖頭.設(shè)計(jì)成臺(tái)階形狀.在毛坯的下側(cè)預(yù)成形出輪緣形狀.減小軋制過程對(duì)輾環(huán)機(jī)的要求和軋制難度.同時(shí)在沖孔下砧板上放置了墊圈.如圖4a、b所示.以防止在沖心料的過程中導(dǎo)致臺(tái)階沖頭因成形力過大而變形。專用臺(tái)階沖頭和墊圈的結(jié)合處設(shè)置了7。的斜角.以利于拔模。

圖4 專用臺(tái)階沖頭和墊圈

ABAQUS仿真模擬

在進(jìn)行正式軋制之前.運(yùn)用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行了軋制過程的模擬.圖5為鍛件的應(yīng)力分布云圖.從圖中可以看出.內(nèi)孔和內(nèi)側(cè)的輪緣表面成形所需的軋制力較小.而外側(cè)的成形力較大.從成形面積上看.外側(cè)的變形面積較大.內(nèi)側(cè)的變形面積較小.所以內(nèi)側(cè)的成形力要小于外側(cè)；圖6為鍛件的應(yīng)變分布云圖.應(yīng)變大小的變化情況基本符合對(duì)應(yīng)力的分析。由軋制過程可知.在主驅(qū)動(dòng)輥和芯輥的作用下.外表面和內(nèi)表面同時(shí)產(chǎn)生應(yīng)變.隨著軋制過程的進(jìn)行.外側(cè)金屬的流動(dòng)要大于內(nèi)側(cè).產(chǎn)生的變形里較大.相應(yīng)的應(yīng)變要大于內(nèi)側(cè)。應(yīng)變的變化規(guī)律和實(shí)際軋制過程的鍛件成形規(guī)律基本吻合.即從內(nèi)向外隨著變形里的增大.相應(yīng)的應(yīng)變也隨之增大.二者呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系。軋制過程的軋制力隨時(shí)間變化的曲線如圖7所示.在經(jīng)過尺寸逐漸增大的過程后.軋制力慢慢趨于穩(wěn)定.但仍然是一個(gè)波動(dòng)的過程。

圖5 應(yīng)力分布云圖

圖6 應(yīng)變分布云圖

圖7 軋制力隨時(shí)間變化曲線

設(shè)置上述工藝條件下的模擬參數(shù).主輥直徑為φ1025mm/φ556mm.芯輥主徑為φ230mm.工作直徑為φ440mm.徑向進(jìn)給速度為2.5mm/s.軋制時(shí)間為28s.主輥轉(zhuǎn)速為20r/min.摩擦因子為0.3.軋制溫度區(qū)間在850～1150℃之間。運(yùn)用軟件進(jìn)行軋制過程的相關(guān)模擬.不僅可以驗(yàn)證工藝方案的可行性.還能通過模擬給出的參數(shù)對(duì)實(shí)際的軋制過程進(jìn)行指導(dǎo).為軋制出理想外觀尺寸的鍛件提供了科學(xué)的參考依據(jù)。

鍛件實(shí)際軋制情況

通過以上的工藝分析和軟件的模擬仿真.證明采用單側(cè)異形的軋制方案是可行的.根據(jù)前期試制的兩件鍛件（圖8）.測(cè)里顯示內(nèi)徑型腔高度偏低.與設(shè)計(jì)的坯形尺寸有出入.并帶有一圈凹槽.凹槽深度為10mm.寬度為5mm。經(jīng)過分析.臺(tái)階沖頭的臺(tái)階高度偏低.導(dǎo)致制坯高度不夠.軋制時(shí)與異形芯輥不匹配.最終無法軋制出設(shè)計(jì)的鍛件。通過重新設(shè)計(jì)臺(tái)階沖頭的高度.改進(jìn)墊圈外觀.增加與毛坯的配合度.又進(jìn)行了兩件試制.產(chǎn)品如圖9所示。

圖8 試制鍛件

圖9 第二次試制鍛件圖

經(jīng)過改進(jìn)后.鍛件的內(nèi)槽表面質(zhì)里明顯變好。凹槽的深度明顯減小.證明以上的工藝改進(jìn)是正確的.圖10是第二次試制產(chǎn)品的尺寸測(cè)里數(shù)據(jù)圖.圖11是精加工后的產(chǎn)品。

圖10 二次試制產(chǎn)品的尺寸測(cè)里圖

圖11 精加工成品圖

結(jié)束語

目前.鐵路運(yùn)行行業(yè)正處在高速發(fā)展的時(shí)期.國家對(duì)于高鐵的投資力度越來越大.相應(yīng)的對(duì)鐵路機(jī)車整體質(zhì)里也提出了更高的要求.作為部分機(jī)件產(chǎn)品的生產(chǎn)方.良好的質(zhì)里承擔(dān)著巨大的社會(huì)責(zé)任.也創(chuàng)造著巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)財(cái)富。通過采用先進(jìn)技術(shù)讓產(chǎn)品的質(zhì)里上一個(gè)新的臺(tái)階.不僅是企業(yè)追求的目標(biāo).也是國家和社會(huì)發(fā)展的需要。該火車驅(qū)動(dòng)齒輪環(huán)鍛件的成功開發(fā).預(yù)計(jì)年銷售額近千萬元.在創(chuàng)造巨大社會(huì)財(cái)富的同時(shí).也給國家的技術(shù)進(jìn)步做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

徐光順.助理工程師.主要從事新材料性能提高、異形環(huán)鍛件產(chǎn)品開發(fā)、模具設(shè)計(jì)和軋制新工藝的研究.參與完成多種異形環(huán)鍛件產(chǎn)品的開發(fā)和大型設(shè)備研發(fā)。