王子舒

（中鐵寶橋集團(tuán)有限公司 道岔分公司, 陜西 寶雞 721006）

0 引言

非對(duì)稱斷面鋼軌因其高度低、穩(wěn)定性好等特點(diǎn), 一般用于道岔尖軌[1］。非對(duì)稱斷面尖軌跟端鍛壓成標(biāo)準(zhǔn)軌型與導(dǎo)軌連接, 尖軌跟端鍛壓段由過渡段和成型段組成, 一般過渡段長度150 mm, 成型段長度450 mm, 在現(xiàn)場(chǎng)更換尖軌等特殊情況下, 存在成型段需加長600 mm的需求。為實(shí)現(xiàn)尖軌更換時(shí)既不增加焊縫, 又能使焊縫居中, 最有利的方案是把尖軌跟端的成型段長度加長一個(gè)軌枕間距（600 mm）[2］。研制跟端加長型道岔尖軌, 實(shí)現(xiàn)截面均勻延伸, 再與后端的導(dǎo)軌焊接, 相應(yīng)的墊板等零部件均不發(fā)生變化, 此技術(shù)具有簡單、便捷的特點(diǎn), 特別適用于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救援, 加長型尖軌更換示意見圖1。

圖1 加長型尖軌更換示意圖

1 存在問題

一般情況下, 道岔的非對(duì)稱斷面異型鋼軌成型段為450 mm, 在特殊狀態(tài)下需要采用加長型異型鋼軌, 便于現(xiàn)場(chǎng)更換, 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)見圖2。一直以來, 道岔生產(chǎn)廠家鍛造設(shè)備按成型段450 mm配置, 壓力機(jī)最大噸位約為5 000 t, 要實(shí)現(xiàn)異型鋼軌跟端加長600 mm, 采用分段成形的方式實(shí)現(xiàn)。此方案不可避免出現(xiàn)接頭搭接處表面充填不足、彎曲變形、折疊、鍛壓段直線度超差等工藝難題, 同時(shí)采用分段成形工藝很難實(shí)現(xiàn)跟端熱鍛成形自動(dòng)化, 增加了鍛壓工藝復(fù)雜程度。經(jīng)壓力計(jì)算, 采用常規(guī)方式進(jìn)行加長型異型鋼軌一次整體成型, 所需壓力機(jī)噸位會(huì)成倍增加, 整體成形噸位超過8 000 t。為適應(yīng)鐵路線路更換非對(duì)稱斷面異型鋼軌作業(yè)的快速性、便捷性以及經(jīng)濟(jì)性要求, 同時(shí)實(shí)現(xiàn)跟端加長型異型鋼軌的生產(chǎn)自動(dòng)化和產(chǎn)品高質(zhì)量, 亟待研究道岔異型鋼軌跟端加長600 mm熱鍛成形關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 60AT1-60 kg/m異型鋼軌跟端加長產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 熱鍛成形方案

目前異型鋼軌熱鍛成形主要有2種方式, 縱向2個(gè)工位活塊組合模具成形方式（見圖3）和橫向4個(gè)工位整體模具成形方式（見圖4）。根據(jù)各自成形方式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 活塊組合式適用于成型段≤600 mm, 且軌頭變形較小的產(chǎn)品, 能實(shí)現(xiàn)預(yù)鍛和終鍛之間前后縱向快速換模[3］；橫向4個(gè)工位整體式適用于尺寸精度要求高的產(chǎn)品, 利于實(shí)現(xiàn)各工位間快速換模。

圖3 ?活塊組合式

圖4 整體式

在此研究產(chǎn)品的成型段長度為1 050 mm, 采用活塊組合式結(jié)構(gòu)上模架長度為860 mm, 若要實(shí)現(xiàn)成型段1 050 mm, 則必須采用分段成形模式, 即第1段成形600 mm, 再進(jìn)行第2段成形550 mm（包括100 mm相接段）, 分段成形過程見圖5。經(jīng)試驗(yàn), 第1段和第2段相接位置容易出現(xiàn)軌肢寬度超負(fù)差, 軌肢側(cè)面呈波浪形狀, 接茬部位軌肢上表面出現(xiàn)臺(tái)階狀, 魚尾空間超差嚴(yán)重, 形狀尺寸不能滿足跟端加長600 mm產(chǎn)品成形需求[4］。

圖5 分段成形過程

對(duì)比異型鋼軌成形質(zhì)量、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、自動(dòng)化方式, 選用橫向4個(gè)工位整體模具成形方式進(jìn)行60AT1跟端加長600 mm異型鋼軌熱鍛成形。

2.1.1 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)上述分析, 選用的熱鍛成形方案需分別設(shè)計(jì)4個(gè)工位模具, 前3個(gè)工位模具為成形模具, 第4個(gè)工位模具為切邊模具。4個(gè)工位模具結(jié)構(gòu)示意見圖6。

圖6 4個(gè)工位模具結(jié)構(gòu)示意圖

（1）第1工位。由于毛坯料為60AT1非對(duì)稱斷面鋼軌, 設(shè)計(jì)第1工位模具結(jié)構(gòu)時(shí), 考慮長短肢兩側(cè)金屬分配問題, 結(jié)合毛坯料軌腰金屬量確定上、下模軌肢寬度和軌高, 使成形后長肢側(cè)軌腰和軌肢夾角＞95°, 避免第2工位成形時(shí)內(nèi)圓弧出現(xiàn)折疊等缺陷, 同時(shí)還應(yīng)避免第2工位成形時(shí)造成長肢側(cè)軌肢內(nèi)圓弧出現(xiàn)折疊或不可逆的局部缺肉[5］。

（2）第2工位。第2工位模具對(duì)毛坯料進(jìn)行軌底成形, 確保第3工位模具能順利完成合模成形而不產(chǎn)生缺陷。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí), 端頭短肢側(cè)軌底寬度能否延伸至155 mm是成形成功與否的關(guān)鍵。另外第2工位軌頭朝下成形, 第2工位模具是左右拼裝模具, 出模時(shí)容易出現(xiàn)夾料現(xiàn)象, 造成脫模不暢, 所以設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí), 應(yīng)重點(diǎn)考慮鋼軌出模問題[6］。

（3）第3工位。第3工位模具負(fù)責(zé)產(chǎn)品最終成形, 是終鍛模具。除考慮產(chǎn)品外形、金屬量等, 還應(yīng)結(jié)合后續(xù)機(jī)加工因素確定模具結(jié)構(gòu)尺寸[7］。

（4）第4工位。第4工位模具主要切除前工位產(chǎn)生的飛邊, 是切飛邊模具。設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮軌頭及軌底剪刃結(jié)構(gòu)尺寸, 既要便于飛邊切除, 又要避免出現(xiàn)夾料現(xiàn)象。

2.1.2 數(shù)值模擬

利用三維設(shè)計(jì)軟件Solideworks分別創(chuàng)建各工位上模和下模, 毛坯料60AT1與上下模組裝成合模狀態(tài)并導(dǎo)入有限元分析軟件中, 合模狀態(tài)示意見圖7。

圖7 合模狀態(tài)示意圖

毛坯料60AT1及第1工位模具導(dǎo)入有限元分析軟件, 調(diào)整其位置, 進(jìn)入待合模狀態(tài), 對(duì)毛坯料60AT1及模具進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

設(shè)置模擬參數(shù)如下：毛坯料始鍛溫度為1 150℃, 塑性體；模具溫度為200℃, 剛性體；毛坯料體積保持不變。上模主運(yùn)動(dòng), 運(yùn)動(dòng)速度設(shè)置為14 mm/s, 其余參數(shù)默認(rèn)[8］。設(shè)置模擬參數(shù)后進(jìn)行數(shù)值模擬, 第1工位模擬過程見圖8。

圖8 第1工位模擬過程

以第1工位成形工件作為第2工位的毛坯, 按上述方法進(jìn)行第2、第3工位模擬, 模擬過程見圖9、圖10。

圖9 第2工位模擬過程

圖10 第3工位模擬過程

根據(jù)模擬結(jié)果, 查看各工位成形過程中是否存在金屬折疊以及各工位所需鍛造壓力, 進(jìn)而指導(dǎo)模具工藝優(yōu)化及工藝參數(shù)設(shè)計(jì)[9］。對(duì)各工位成形后工件進(jìn)行分析并查看金屬流動(dòng)趨勢(shì)圖, 各工位成形后工件見圖11, 各工位未見金屬折疊, 表明模具結(jié)構(gòu)合理。

圖11 各工位成形后工件

由模擬結(jié)果可知, 各工位鍛造壓力機(jī)噸位分別為2 320、4 890、14 300 t。目前我國道岔生產(chǎn)廠家壓力機(jī)噸位為5 000~6 000 t, 故需要進(jìn)行二火加熱整型。各工位鍛造壓力機(jī)噸位見圖12。

圖12 各工位鍛造壓力機(jī)噸位

在5 000 t壓力機(jī)噸位下, 第3工位工件飛邊尺寸見圖13, 軌頭和軌底飛邊較小, 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn), 飛邊較小時(shí), 采用切飛邊模具容易夾料, 為便于鋼軌順利脫模, 第3工位一火成形后不切飛邊, 直接進(jìn)行二火加熱。

圖13 第3工位極限壓力機(jī)噸位下工件飛邊尺寸

2.2 自動(dòng)化成形方案

為降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度, 提高產(chǎn)品穩(wěn)定性, 主要從送料、入模壓形以及下料方式的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等方面考慮, 對(duì)鋼軌熱模鍛成形工件的上料、入爐加熱、入模成形及下料全自動(dòng)控制進(jìn)行設(shè)計(jì), 主要包括連續(xù)自動(dòng)上料系統(tǒng)、四軸聯(lián)動(dòng)操作機(jī)、自動(dòng)下料系統(tǒng)[10］, 總體布局見圖14。

圖14 總體布局圖

2.2.1 連續(xù)自動(dòng)上料系統(tǒng)

連續(xù)自動(dòng)上料系統(tǒng)設(shè)置2級(jí)上料單元, 第1級(jí)為儲(chǔ)料架, 第2級(jí)為上料架。儲(chǔ)料架和上料架分別固定在基礎(chǔ)上, 橫向不對(duì)接, 縱向錯(cuò)位后搭接。根據(jù)鋼軌長度制作若干個(gè)儲(chǔ)料架和上料架, 并且沿鋼軌長度方向布置, 連續(xù)自動(dòng)上料系統(tǒng)見圖15。

圖15 連續(xù)自動(dòng)上料系統(tǒng)

（1）每個(gè)儲(chǔ)料架安裝橫向移動(dòng)的單向推料頂頭, 頂頭采用鏈條和傳動(dòng)軸連接, 采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn), 實(shí)現(xiàn)各個(gè)儲(chǔ)料架的頂頭同步橫向移動(dòng), 通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)推料頂頭推料和回程, 使鋼軌依次平移至上料架, 儲(chǔ)料架結(jié)構(gòu)見圖16。

圖16 儲(chǔ)料架結(jié)構(gòu)

（2）每個(gè)上料架安裝等距多頂頭單向橫向推料機(jī)構(gòu), 頂頭間距根據(jù)取料操作機(jī)寬度確定, 推料機(jī)構(gòu)采用連接板和液壓缸連接, 液壓管路安裝液壓調(diào)速器, 實(shí)現(xiàn)各個(gè)上料架等距推料機(jī)構(gòu)橫向同步平行移動(dòng), 在第1個(gè)上料架的取料位和尾部分別安裝光電傳感器, 檢測(cè)來料情況并對(duì)控制器發(fā)送信號(hào)。儲(chǔ)料架上安裝手動(dòng)拉料機(jī), 利用手動(dòng)拉料機(jī)將鋼軌逐根依次平移至上料架, 通過上料架的推料機(jī)構(gòu)將軌件等距分開放置, 便于入爐加熱, 上料架結(jié)構(gòu)見圖17。

圖17 上料架結(jié)構(gòu)

2.2.2 四軸聯(lián)動(dòng)操作機(jī)

（1）壓力機(jī)后側(cè)布置1套操作機(jī), 用于完成工件壓制過程中的各工藝動(dòng)作。操作機(jī)可完成上下、前后、左右移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)、夾緊等動(dòng)作。該裝置是鋼軌鍛壓成型的送料機(jī)構(gòu), 主要由車架、夾緊裝置、動(dòng)力輸送裝置、定位裝置、自動(dòng)控制裝置組成, 能完成感應(yīng)爐加熱、壓力機(jī)鍛造、出料等工藝過程間的鋼軌傳遞。

（2）操作機(jī)由橫向輸送大車、縱向輸送小車組成。橫向輸送大車主要完成鋼軌加熱位置、鍛造成形位置間的橫向輸送；縱向輸送小車主要完成鋼軌的夾緊、升降、入爐加熱, 配合鋼軌鍛造成形工藝要求實(shí)現(xiàn)鋼軌入模、拔模、出模、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作, 然后把鋼軌送至下料區(qū)。

2.3 熱鍛成形試驗(yàn)

各系統(tǒng)安裝后, 分別測(cè)試每個(gè)系統(tǒng)動(dòng)作, 保證能正常工作。橫向換模系統(tǒng)與壓力機(jī)主控制系統(tǒng)相連, 由壓力機(jī)主控制系統(tǒng)控制橫向換模、行程和鎖緊, 鋼軌熱鍛成形自動(dòng)控制生產(chǎn)線見圖18。

圖18 鋼軌熱鍛成形自動(dòng)控制生產(chǎn)線

2.3.1 自動(dòng)控制參數(shù)

將熱模鍛成形4個(gè)工位模具安裝在壓力機(jī)橫向換模上下滑動(dòng)板上, 根據(jù)模具尺寸及第4工位卸料缸位置, 確定第1、第2工位橫向換模位置參數(shù)為320 mm, 第3、第4工位橫向換模位置參數(shù)為700 mm。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)整, 分別確定加熱爐、4個(gè)工位的橫向與縱向位置及旋轉(zhuǎn)角度和高度, 自動(dòng)控制參數(shù)見圖19。

圖19 自動(dòng)控制參數(shù)

2.3.2 模具熱鍛成形

選用4根試驗(yàn)件, 采用通用感應(yīng)電加熱爐加熱, 始鍛溫度為1 150℃, 利用自動(dòng)上、下料系統(tǒng)完成異形鋼軌端加長600 mm熱鍛成形試驗(yàn)。熱鍛成形及機(jī)加工圖見圖20。

圖20 熱鍛成形及機(jī)加工圖

熱鍛成形工藝過程為：

（1）將一批鋼軌放置于儲(chǔ)料架上→操作工配合天車將鋼軌擺正→控制儲(chǔ)料架的拉料機(jī)構(gòu)。

（2）將鋼軌平移至上料架→利用上料架的推料機(jī)構(gòu)將軌件等距依次平移至取料位→操作機(jī)夾持鋼軌送料入爐加熱→鋼軌加熱→利用操作機(jī)橫向和縱向移動(dòng)完成鋼軌出爐和第1工位入?！?工位壓型合模→開模。

（3）操作機(jī)橫向、縱向移動(dòng)并旋轉(zhuǎn)90°或270°至第2工位→第2工位壓型合?！_模。

（4）小車縱向移動(dòng)出模到位后旋轉(zhuǎn)90°或270°同時(shí)模具橫向移動(dòng)裝置完成第2工位至第3工位移動(dòng)→第3工位壓型合模→開?！≤噴A緊鋼軌移動(dòng)至第4工位→第4工位合模→開模。

（5）小車縱向移動(dòng)出模并旋轉(zhuǎn)90°→小車橫向移動(dòng)至加熱爐→鋼軌二火加熱→加熱完成后操作機(jī)橫向、縱向移動(dòng)至第3工位并完成鋼軌入?！?工位壓型合模→開?！≤噴A緊鋼軌移動(dòng)至第4工位→第4工位合?！撥壋瞿Ｖ料铝吓_(tái)→操作機(jī)回取料位取料。

2.3.3 試件檢驗(yàn)

異型鋼軌跟端加長600 mm熱鍛成形試驗(yàn)經(jīng)多次模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化, 最終完成熱鍛成形, 試件檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 試件檢測(cè)數(shù)據(jù) mm

隨機(jī)挑選尺寸合格產(chǎn)品進(jìn)行軌頭正火硬度、拉伸性能、低倍組織、顯微組織、脫碳層深度、超聲波探傷、磁粉探傷、疲勞試驗(yàn), 其中1件脫碳層試件脫碳層深度為0.59 mm, 由于送檢試件軌頂面未加工, 正常產(chǎn)品均有不小于1 mm的加工量, 所以正常產(chǎn)品脫碳層深度符合標(biāo)準(zhǔn)要求（小于0.5 mm）。其余檢測(cè)項(xiàng)點(diǎn)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）針對(duì)線路維修等特殊情況需更換跟端加長異型鋼軌, 通過模具設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬、試件驗(yàn)證等方式, 開發(fā)了一套生產(chǎn)加長型非對(duì)稱斷面異型鋼軌的4個(gè)工位模具。該套模具能實(shí)現(xiàn)跟端1次整體成形, 成形斷面均勻延伸, 減少鍛造次數(shù)及加熱次數(shù), 解決了分段鍛壓后發(fā)生彎曲變形、表面充填不足、折疊、鍛壓段直線度超差等工藝難題, 成型段長度不小于1 050 mm。

（2）針對(duì)異型鋼軌鍛壓成形特點(diǎn), 開發(fā)了一套完整的異型鋼軌熱鍛成形自動(dòng)生產(chǎn)線, 實(shí)現(xiàn)了異型鋼軌熱鍛成形全自動(dòng)生產(chǎn), 極大地降低了勞動(dòng)強(qiáng)度, 提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

（3）加長異型鋼軌的成功開發(fā), 改變了線路更換尖軌的方式, 縮短了更換時(shí)間, 提升了工務(wù)養(yǎng)護(hù)水平和效率, 具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

道岔異型鋼軌跟端加長600 mm熱鍛成形技術(shù)采用4個(gè)工位模具1次整體熱鍛成形, 壓力機(jī)最大噸位為5 000~5 200 t, 成型段長度可達(dá)1 050 mm, 產(chǎn)品尺寸及理化性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求, 產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定, 操作簡單, 工藝重復(fù)性好, 外觀及魚尾空間滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)異型鋼軌熱鍛成形特點(diǎn)采用操作機(jī)自動(dòng)上、下料系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)異型鋼軌成型段加長600 mm熱鍛成形產(chǎn)品的全自動(dòng)生產(chǎn), 整個(gè)生產(chǎn)過程中不需要操作人員干預(yù), 全部按預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行, 大幅降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約生產(chǎn)成本。