文／任文·太原重工鍛造分公司

馬紅翠·山西長(zhǎng)鋒公司

大型環(huán)軌鍛件制造工藝研究

文／任文·太原重工鍛造分公司

馬紅翠·山西長(zhǎng)鋒公司

環(huán)軌類(lèi)鍛件的傳統(tǒng)鍛造工藝方案有兩種：第一種是先經(jīng)過(guò)鍛造成方條形狀，再機(jī)加工成圓弧形狀；第二種是先經(jīng)過(guò)鍛造成方條形狀，再進(jìn)行冷彎曲成形。第一種工藝方案不僅鍛件料凈比大、生產(chǎn)成本高，而且車(chē)削加工后打斷了金屬纖維方向，零件的力學(xué)性能會(huì)受到影響，另外此工藝方案也只適用于小型環(huán)軌。第二種工藝方案生產(chǎn)周期長(zhǎng)，而且冷彎曲后易形成裂紋折疊等缺陷。隨著我公司環(huán)軌產(chǎn)品的訂貨不斷增多，尤其是有批量的大型環(huán)軌產(chǎn)品，這就要求我公司必須改變傳統(tǒng)工藝，制造合適的模具和工裝，采取熱彎曲成形的工藝方法，克服傳統(tǒng)工藝的不足。研制出一套成熟的鍛造成形、模具制作、調(diào)質(zhì)處理工藝，不僅能保質(zhì)保量按期交貨，而且為公司后期生產(chǎn)環(huán)軌類(lèi)鍛件市場(chǎng)打下基礎(chǔ)。

產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)及指標(biāo)

本批環(huán)軌產(chǎn)品材質(zhì)為34CrNi1Mo，成品環(huán)軌組合后外徑為15700mm，截面尺寸210mm×208mm。

材料為34CrNi1Mo熔煉分析要求見(jiàn)表1。

鍛件生產(chǎn)過(guò)程

鍛件原材料的控制

原材料回廠后取樣并委托理化中心進(jìn)行檢測(cè)，包括原材料的化學(xué)成分和金相檢測(cè)。化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表1 熔煉分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)：%）

我公司實(shí)際采購(gòu)鋼錠的化學(xué)成分中，P、S、Cu等有害元素的含量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，且其余金屬元素基本都控制在標(biāo)準(zhǔn)要求的中間值附近。

金相檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

檢測(cè)結(jié)果顯示，晶粒度為5.0級(jí)；組織為粒狀珠光體；帶狀組織級(jí)別為0.5級(jí)。

無(wú)皮下氣泡、裂紋、翻皮，無(wú)非金屬夾雜及夾渣，無(wú)異金屬夾雜物。

模具和工裝的制造

通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和精確計(jì)算，設(shè)計(jì)出鍛造環(huán)軌用上下模具（見(jiàn)圖1），為保證模具的耐久性，模具材料使用5CrMnMo。由于環(huán)軌鍛件長(zhǎng)度較長(zhǎng)且截面小，熱狀態(tài)下極易因自身重力發(fā)生變形，我分公司特制工裝（見(jiàn)圖2），原理是工裝中間開(kāi)一個(gè)與鍛件截面相同的方眼，鍛造時(shí)利用工具緊緊套住坯料的一端，操作機(jī)夾住另一端，以下砧子為支點(diǎn)，以三點(diǎn)定一平面的原理，既防止修整中發(fā)生熱變形，又防止出現(xiàn)大晃動(dòng)和偏移。另外制作鐵皮樣板，弧度尺寸與圖紙尺寸相符，便于在熱彎成形時(shí)測(cè)量鍛件弧度是否合格。

表2 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)：%）

表3 非金屬夾雜物

表4 材料低倍級(jí)別檢測(cè)結(jié)果

圖1 鍛造環(huán)軌用上下模具

圖2 特制工裝

圖3 環(huán)軌鍛件鍛造尺寸

環(huán)軌的鍛造成形

環(huán)軌鍛件鍛造尺寸見(jiàn)圖3。

工藝方案為：鋼錠拔長(zhǎng)并下料至規(guī)格為6500mm×245mm×245mm的方坯，要求表面質(zhì)量良好，不得有裂紋折疊等缺陷；再進(jìn)行熱壓彎成形，壓彎始鍛溫度800～850℃，由專(zhuān)用模具進(jìn)行壓彎，并利用鐵皮樣板紅檢。

鍛造步驟：第一步，先從坯料中部開(kāi)始下壓，并以大約半砧子尺寸的送進(jìn)量直至坯料的一端部全部壓彎；第二步，水壓機(jī)操作機(jī)夾住已壓彎的一端，仍先從坯料中部開(kāi)始下壓，以大約半砧子尺寸的送進(jìn)量直至坯料的另一端部全部壓彎；第三步修整，利用特制的工具套住坯料的一端，操作機(jī)夾住另一端，以下砧子為支點(diǎn)，以三點(diǎn)定一平面的原理，既防止修整中發(fā)生熱變形，又防止出現(xiàn)大晃動(dòng)和偏移。

環(huán)軌的熱處理

⑴環(huán)軌鍛后進(jìn)行消應(yīng)力退火處理，退火溫度550℃，保溫時(shí)間7h，冷卻速度≤25℃/h，爐溫低于200℃時(shí)出爐。鍛后消應(yīng)力退火曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

⑵環(huán)軌毛坯粗加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)處理時(shí)應(yīng)利用臺(tái)車(chē)煤氣爐加熱，裝爐時(shí)注意裝盤(pán)墊平，防止熱處理變形。調(diào)質(zhì)后，利用劃線(xiàn)平臺(tái)及地軌進(jìn)行二次劃線(xiàn)，準(zhǔn)確檢測(cè)變形量及加工余量，確保產(chǎn)品一次性合格。調(diào)質(zhì)處理后進(jìn)行硬度及力學(xué)性能檢測(cè)。對(duì)熱處理變形較大的鍛件用1250t水壓機(jī)進(jìn)行直彎處理，直彎時(shí)加熱溫度不超過(guò)520℃。調(diào)質(zhì)處理工藝見(jiàn)圖5。

檢測(cè)結(jié)果

圖4 鍛后消應(yīng)力退火曲線(xiàn)

圖5 調(diào)質(zhì)處理工藝曲線(xiàn)

⑴調(diào)質(zhì)處理后在環(huán)軌本體取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，力學(xué)性能檢測(cè)全部符合技術(shù)要求，具體數(shù)值見(jiàn)表5。

⑵調(diào)質(zhì)處理后對(duì)環(huán)軌鍛件進(jìn)行100%UT和MT探傷，全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 力學(xué)性能檢測(cè)

開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

材料控制

質(zhì)量?jī)?yōu)秀的原材料是確保產(chǎn)品成功的關(guān)鍵因素之一。我公司經(jīng)過(guò)研究分析，為保證鍛件質(zhì)量和試驗(yàn)成功率，又進(jìn)一步優(yōu)化原材料成分范圍和金相組織要求。原材料的冶煉方法為采用電爐+精煉+真空脫氣，嚴(yán)格控制原材料的化學(xué)成分、高低倍檢測(cè)情況。

鍛造模具

鍛造模具和工裝在鍛造過(guò)程中起到改變尺寸和形狀的重要作用，我公司在設(shè)計(jì)模具時(shí)，技術(shù)人員充分考慮環(huán)軌外形尺寸和形狀，經(jīng)過(guò)精確計(jì)算設(shè)計(jì)出試制模具，試制模具的尺寸和輪廓與鍛件圖完全吻合。

鍛造成形

原材料鍛造時(shí)，必須保證鍛件各個(gè)表面的平整，不得有折疊、裂紋等缺陷，防止缺陷在后續(xù)壓彎和熱處理過(guò)程中擴(kuò)大和延伸。使用上下平砧，嚴(yán)格控制壓下量，做到小壓下量快鍛。壓彎工序始鍛溫度不能過(guò)高，防止晶粒粗大，初步定為850℃。壓彎過(guò)程操作機(jī)、水壓機(jī)、起重機(jī)必須緊密配合，統(tǒng)一指揮，嚴(yán)格執(zhí)行鍛造工藝、充分利用模具生產(chǎn)，技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)跟蹤服務(wù)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行總結(jié)。

鍛后消應(yīng)力處理和調(diào)質(zhì)處理

鍛件鍛后有熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，必須進(jìn)行消應(yīng)力處理。鍛件粗加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，本道工序的關(guān)鍵是既必須保證熱處理后力學(xué)性能符合要求，又要保證環(huán)軌鍛件變形小，不能尺寸超差。圖6為調(diào)質(zhì)處理后環(huán)軌，圖7為最終成品。

圖6 調(diào)質(zhì)處理后環(huán)軌

圖7 最終成品

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)環(huán)軌鍛件關(guān)鍵技術(shù)的精準(zhǔn)分析和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)纳a(chǎn)過(guò)程控制，不僅整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中鍛件無(wú)裂紋、折疊、晶粒粗大等缺陷，探傷合格，力學(xué)性能滿(mǎn)足技術(shù)要求，而且節(jié)省原材料，減少了生產(chǎn)工序，完全滿(mǎn)足用戶(hù)的訂貨要求。同時(shí)我公司積累了寶貴的技術(shù)能力和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，為今后生產(chǎn)環(huán)軌類(lèi)鍛件打下基礎(chǔ)。