付麗偉

(西安軌道交通裝備有限公司技術(shù)中心工藝部 陜西 西安 710086)

隨著鐵路重載快捷技術(shù)發(fā)展的需要，Q295A材質(zhì)的封頭已不能滿足大軸重鐵路罐車的需要。為了配合大軸重罐車的研發(fā)，西安軌道交通裝備有限公司在現(xiàn)有工藝裝備的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了屈服強(qiáng)度不小于345 MPa系列的封頭冷壓工藝試驗(yàn)，進(jìn)一步確定影響冷壓封頭成型質(zhì)量的各因素，并得出壓力機(jī)的噸位配置是影響鐵路通用罐車封頭一次冷壓成形質(zhì)量的關(guān)鍵因素；材質(zhì)的化學(xué)成分和力學(xué)性能是影響封頭冷壓成型過(guò)程中的鼓包、皺褶等質(zhì)量問(wèn)題的主要因素等結(jié)論。

1 選擇冷壓成形工藝

由于鐵路罐車封頭屬于大型薄壁封頭，其成形工藝主要有熱沖壓、旋壓和冷沖壓。從節(jié)約能源、提高產(chǎn)品質(zhì)量、改善操作人員的作業(yè)環(huán)境等方面綜合考慮，決定以G70封頭為代表，研發(fā)鐵路罐車封頭冷沖壓成形制造工藝。

2 封頭冷壓成形制造工藝

2.1 制造工藝的制定

由于對(duì)大型薄壁封頭冷壓成形各因素估計(jì)不足，僅在現(xiàn)有小型配件冷壓成形和外界封頭熱壓成形的基礎(chǔ)上，將封頭的成形工藝定為一次冷壓成形工藝。經(jīng)研究人員的反復(fù)推算及試驗(yàn)，最終將以G70封頭為代表的鐵路罐車通用罐車封頭的成形工藝定為一次冷壓成形工藝，將其制造工藝流程制定為：板材打砂預(yù)處理→下毛坯料→刨毛坯直邊→拼接組焊→磨焊縫余高→割吊耳、清渣→烤焊縫→清掃板材→成形→修整割邊→清理油污→檢驗(yàn)。

2.2 制造工藝的優(yōu)化

為了進(jìn)一步驗(yàn)證和優(yōu)化封頭冷壓成形制造工藝，試驗(yàn)前期對(duì)101個(gè)封頭進(jìn)行了跟蹤統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如下：產(chǎn)品合格率為87%，其中14個(gè)封頭取消烤焊縫工序，其合格率為85.7%，優(yōu)品率為57%?？梢缘贸觯汉附討?yīng)力對(duì)封頭的成形質(zhì)量影響不大，可以取消烤焊縫工序，提高封頭生產(chǎn)率。

與此同時(shí)，還進(jìn)行了成形后去除工藝吊耳和翻邊處直接割吊鉤孔的對(duì)比試驗(yàn)，所得封頭均為一等品，但是對(duì)模具損傷較嚴(yán)重，因此，在裝備到位后，取消了割吊耳工序。同時(shí)說(shuō)明，毛坯的不圓度及周邊偶爾微量短缺對(duì)封頭成形無(wú)影響。

3 封頭冷壓成形質(zhì)量因素分析

試驗(yàn)前期，以G70封頭為目標(biāo)，經(jīng)過(guò)一年多的工藝試驗(yàn)及摸索，確定了壓形參數(shù)，進(jìn)一步了解毛坯板厚公差、材質(zhì)理化性能和環(huán)境溫度對(duì)封頭成形質(zhì)量的影響以及潤(rùn)滑劑對(duì)下工序焊接環(huán)境的影響[1]，克服了起皺、鼓包、撕裂、難清洗等各種質(zhì)量問(wèn)題。在后續(xù)屈服強(qiáng)度σs不小于345 MPa材質(zhì)冷壓成形試驗(yàn)過(guò)程中，初步掌握了成型壓力、材質(zhì)的理化性能、成形工藝三者與封頭成型質(zhì)量之間的關(guān)系。

3.1 G70封頭成品質(zhì)量等級(jí)的劃分

G70封頭為公稱內(nèi)直徑為?3 000 mm 的1：2標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，采用Q295A—GB/T 1591—1994材質(zhì)，成型后內(nèi)深為790 mm，板厚為10 mm，最小厚度為9 mm。成品質(zhì)量一等品為封頭表面圓滑過(guò)渡,允許出現(xiàn)1～2處凹凸不平,其值不大于2 mm；二等品封頭表面圓滑過(guò)渡，允許出現(xiàn)5、6處凹凸不平，其值不大于5 mm；三等品封頭表面圓滑過(guò)渡,允許出現(xiàn)大于6處凹凸不平,其值不大于5 mm；封頭凹凸不平值大于5 mm的為次品；母材劃傷嚴(yán)重或出現(xiàn)裂紋的為廢品。

3.2 成形參數(shù)的確定

為了減少封頭起皺、鼓包，4 000 t壓力機(jī)采用了雙動(dòng)結(jié)構(gòu)，即由內(nèi)外滑塊分別控制拉伸力和壓邊力。成形過(guò)程主要分為2個(gè)步驟：(1)外滑塊加載，壓邊力達(dá)到最大值，保壓；(2)內(nèi)滑塊加載，拉伸力增大，分2次沖最大值，凸模到位后，整體卸載。

封頭成形過(guò)程中的受力簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 封頭毛坯成形時(shí)的受力簡(jiǎn)圖

由受力簡(jiǎn)圖可以看出：壓邊力過(guò)小，將產(chǎn)生皺褶、不成形的缺陷；壓邊力過(guò)大，將產(chǎn)生強(qiáng)力壓延，造成封頭板壁最薄處減薄量較大，甚至拉裂，產(chǎn)生橫向裂紋。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，最終確定Q295A普通板G70封頭的成形參數(shù)如下：壓邊力為1 950 t；拉伸力為2 550 t；總噸位為4 250 t。

3.3 板厚偏差

試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)23張板的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，排除了板厚偏差對(duì)封頭成形質(zhì)量的影響。

3.4 潤(rùn)滑

試驗(yàn)過(guò)程中，由于每張板的潤(rùn)滑狀況一樣，因此潤(rùn)滑狀況對(duì)封頭冷壓成形影響不大。但在下工序焊接時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大油煙，嚴(yán)重影響工人作業(yè)環(huán)境和身體健康。改用潤(rùn)滑劑代替潤(rùn)滑油后，取得了較好效果，解決了焊接油煙問(wèn)題。

3.5 材質(zhì)的理化性能

在試驗(yàn)階段，共對(duì)32張板料進(jìn)行取樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析和力學(xué)性能試驗(yàn)，化驗(yàn)結(jié)果表明試件全部符合GB/T 1591—1994的技術(shù)要求，成形情況為：成品合格率84.4%，理化性能及成形結(jié)果如表1和表2所示。

表1 屈服強(qiáng)度σs與成形結(jié)果比較

表2 化學(xué)成分與成形結(jié)果比較 /%

由以上表格可以看出：屈服強(qiáng)度值小和化學(xué)成分含量低的，封頭成形質(zhì)量好。

3.6 環(huán)境溫度

在夏季工藝試驗(yàn)階段，進(jìn)行了環(huán)境溫度與冷壓封頭成形的相關(guān)試驗(yàn)；在冬季試驗(yàn)階段，進(jìn)行了取消潤(rùn)滑、毛坯局部加熱和Q235A原材料冷壓成形等試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)可以得知：環(huán)境溫度對(duì)封頭冷壓成形質(zhì)量影響不大；取消潤(rùn)滑，封頭成形曲線過(guò)渡稍好，但封頭外表面劃傷嚴(yán)重；封頭毛坯局部加熱后成形，成形質(zhì)量稍好；Q235A材質(zhì)封頭成形均為一等品。因此，得出溫度、潤(rùn)滑對(duì)封頭成形質(zhì)量有影響，但不是主要因素。

3.7 封頭專用板驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證材質(zhì)的理化性能(化學(xué)成分和力學(xué)性能)是影響封頭成形質(zhì)量的主要因素，對(duì)材質(zhì)的理化性能(化學(xué)成分和力學(xué)性能)作出了要求。通過(guò)對(duì)兩家鋼鐵廠封頭板和相應(yīng)封頭實(shí)物質(zhì)量對(duì)比，發(fā)現(xiàn)滿足要求的H鋼鐵廠生產(chǎn)的板材成形非常好，一等品97%，二等品3%，其中，焊縫處無(wú)鼓包缺陷的封頭約占60%；未滿足要求的N鋼鐵廠生產(chǎn)的板材成形質(zhì)量差，皺褶、鼓包缺陷多，而且還出現(xiàn)撕裂報(bào)廢的封頭。

可見(jiàn)材質(zhì)的化學(xué)成分和力學(xué)性能是影響封頭成形質(zhì)量的主要因素，在隨后的封頭板批量投產(chǎn)使用過(guò)程中，逐步將封頭的成形參數(shù)調(diào)整如下：壓邊力為1 900 t；拉伸力為2 400 t；總噸位為4 000 t。

3.8 其他因素分析及驗(yàn)證

封頭專用板批量使用了近十年，在每年的秋冬和冬春交季時(shí)期，壓制的封頭易出現(xiàn)鼓包質(zhì)量問(wèn)題，特別是設(shè)備狀態(tài)不佳時(shí)。為了解決以上問(wèn)題及驗(yàn)證4 000 t油壓機(jī)壓制σs不小于345 MPa材質(zhì)封頭的可行性，以G70、GQ70(內(nèi)直徑為?3 050 mm 的1∶2.5標(biāo)準(zhǔn)橢圓)為代表，依次進(jìn)行了改變工藝(G70)、選用優(yōu)質(zhì)材質(zhì)(G70)、增加下料尺寸(G70、GQ70)等工藝試驗(yàn)及摸索，初步掌握了三者與封頭質(zhì)量之間的關(guān)系。

3.8.1改變工藝試驗(yàn)

增加熱處理工藝，改變其機(jī)械性能，進(jìn)行試驗(yàn)，材質(zhì)為Q345A，試驗(yàn)方法及結(jié)果如表3所示。

表3 改變工藝試驗(yàn)及結(jié)果

在試驗(yàn)過(guò)程中，為了掌握熱處理工藝對(duì)材料機(jī)械性能的影響程度，每張板均取相鄰的兩塊試樣，用于熱處理前后的理化性能分析比較。通過(guò)分析比較可知，去應(yīng)力熱處理工藝對(duì)原材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能影響不大，但對(duì)材料的性能有一定影響，使封頭的成形質(zhì)量提高一些。

3.8.2選用優(yōu)質(zhì)板材試驗(yàn)

通過(guò)查看相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)得知[2]：Q345E板各種元素控制較嚴(yán)，特別是P、S的含量接近Q295A封頭專用板的含量要求。另外，板厚為10 mm的Q345R板的終軋溫度為800 ℃～900 ℃，接近正火溫度。因此，選用Q345E、Q345R壓力容器板各2張進(jìn)行試驗(yàn)。

由于4張板材的化學(xué)成分和力學(xué)性能基本一致，先各壓制一個(gè)G70封頭，即Q345E①、Q345R①，成型結(jié)果均為三等品。由此可以看出，選用成形性能好的原材料，能夠提高封頭的成形質(zhì)量。

由于設(shè)備的壓邊力已經(jīng)達(dá)到了極限，繼續(xù)壓制另外兩張板，結(jié)果可能還是一樣，因此，決定采用增加摩擦面積，從而變相增加壓邊力的方法，壓制另外2張板。

3.8.3增加下料尺寸試驗(yàn)

通過(guò)計(jì)算，下料尺寸增加?30 mm可變相增加約為60 t壓邊力,與材質(zhì)為Q345的G70、GQ70封頭成形噸位理論相比較低，故決定Q345E②、Q345R②板加大下料尺寸進(jìn)行試驗(yàn)，但是，壓制G70封頭時(shí)，當(dāng)內(nèi)外滑塊相對(duì)距離約300 mm時(shí)，拉伸力雖未達(dá)到最大值，但設(shè)備已報(bào)警；壓制的GQ70封頭則為一等品。由此可知，增加封頭毛坯的下料尺寸，可變相提高設(shè)備的壓邊力，從而提高封頭的成形質(zhì)量。

4 結(jié)論

通過(guò)以上的工藝試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，可以得出：

(1)一次冷沖壓成形工藝是鐵路通用罐車封頭成形較為可取的方法之一，但該工藝方法對(duì)壓力機(jī)的噸位要求較高。

(2)壓力機(jī)的噸位及配置是影響鐵路罐車封頭一次冷壓成形質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

(3)影響鐵路罐車封頭冷壓成形質(zhì)量因素有毛坯的下料尺寸、毛坯潤(rùn)滑情況、環(huán)境溫度、材質(zhì)的化學(xué)成分和力學(xué)性能等，其中材質(zhì)的化學(xué)成分和力學(xué)性能是影響封頭成形質(zhì)量的主要因素。

(4)選用優(yōu)質(zhì)材質(zhì)和增大封頭毛坯下料尺寸，可以提高封頭的冷壓成形質(zhì)量。

(5)通過(guò)鋼廠單獨(dú)軋制鐵路罐車封頭專用板，嚴(yán)格控制材質(zhì)的化學(xué)成分和力學(xué)性能，是提高封頭冷壓成形質(zhì)量的有效途徑。

(6)采用多次冷壓成形工藝，可以保證鐵路罐車封頭冷壓成形質(zhì)量，但所需的投資成本以及場(chǎng)地較大。

(7)現(xiàn)有的工藝裝備無(wú)法保證σs≥345 MPa材質(zhì)G70封頭的冷壓成形質(zhì)量。若要冷壓，建議采用多次成形工藝方法或購(gòu)置大噸位雙動(dòng)油壓機(jī)和選用成形性能較好的材料，例如Q345R、Q345E等。