CN108356192A - 一种辙叉的整体模锻方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辙叉的整体模锻方法，包括开坯、预锻和终锻，开坯采用楔横轧将加热至始锻温度后的原始坯料在轴向进行预分配，得坯料；预锻采用模锻将加热至始锻温度后的坯料进行预制，得预制坯；终锻采用模锻将加热至始锻温度后的预制坯进行锻制，即得辙叉。本发明的方法采用楔横轧开坯、模锻预锻和模锻终锻的方式成形，在楔横轧开坯和模锻预锻后，预制坯的质量分布形式逐渐由圆棒形原始坯料的等截面形式逐渐成形为接近终锻锻件的轴向两端多中间少、截面方向两侧多中间少的形式；采用坯料柱面特征与预锻模膛的导向特征相配合，降低预锻中坯料失稳滑移的倾向；其轴向加工精度和材料利用率高，工艺稳定，能在较低吨位下实现辙叉的整体模锻。

Description

一种辙叉的整体模锻方法

技术领域

本发明涉及锻造技术领域，具体涉及一种辙叉的整体模锻方法。

背景技术

变截面长轴类锻件通常具有长径比大、中间形状和两端形状复杂的特点，在实际应用中变截面长轴类锻件通常需要承受压缩、拉伸、弯曲等交变载荷，因此对锻件的质量提出了较高的要求。尤其是诸如铁路上使用的辙叉部件等超长变截面长轴类锻件，其长度可达6米以上，同时延轴线方向的截面形状变化复杂，目前一般是采用铸造工艺大批量生产。

然而，随着国家对重载铁路线路质量的要求不断提高，铸造辙叉的性能已不能完全满足要求，需要采用锻造工艺提升性能；此外，对于部分锻造方法，如锻造叉心栓接或焊接，虽然实现难度较低，但容易在连接处引入病害。从提升辙叉寿命及整体线路质量出发，整体锻造工艺更为合适。

在变截面长轴类锻件中，最典型的超长变截面长轴类锻件，锻造工艺的实现过程难度很大：一方面，由于受锻件本身的几何形状的影响，分模面选取受限，投影面积大，带来最终的成形吨位很高；另一方面，由于锻件沿轴向截面形式多，质量分布差别很大，端部和中部的成形方式完全不同；此外，锻件中还存在小翼和筋等难成形的薄壁特征。使用锻造工艺成形可采用自由锻或模锻，如为减小设备的吨位要求，使用自由锻+机加工的形式，考虑到复杂的截面形式，需要大量的型砧才能够实现终成形，同时敷料多、耗时长，在轴向精度上也很难把控；而采用模锻整体成形则需要极大的成形吨位完成充形，为降低最终吨位需要额外的预锻或是其他成形辅助手段将材料预先分配，同时在预锻和开坯过程中也需要满足相应的坯料投影面积、充形高度、坯料定位及吨位的限制。

以图1所示的某型号辙叉热锻件的锻造成形工艺为例说明。该型号辙叉热锻件(不包含飞边)，由两侧的翼轨、中心位置的叉心和由叉心延伸出的叉跟轨构成，整体结构由最外侧的耳板及延伸出的压板连接固定。车轮首先沿翼轨内侧进入，越过翼轨和叉心之间的有害空间后冲击叉心，之后从叉跟轨外侧离开。辙叉除火车车轮的压力外，主要承受越过有害空间的冲击载荷，要求主要形面及连接部分充形饱满；该型号辙叉(不包含飞边)的全长约6米，最大宽度约450毫米，最大高度约180毫米，总重低于1.5吨。

如果采用自由锻+机加工工艺线路，则至少需要十组下砧，大大延长了加工时间的同时也增加了加热次数，同时由于无法实现精确成形，需要增加敷料和额外的加工余量，材料的利用率低于50％，下料至少3 吨；且叉心位置的大量敷料最终都需通过后续机加工去除，而后续机加工会切断自由锻形成的金属流线，因而降低了锻件的整体性能，而此部分承受车轮的剧烈冲击，对性能要求很高，机加工切削量过大很可能使最终辙叉锻件不符合要求；另外，辙叉对于轴向精度较为敏感，在自由锻工艺中轴向的拔长量很难控制，工艺稳定性不高，最终会导致较高的废品率。

如果该型号辙叉采用模锻成形，则会引入如下问题：终成形吨位极大，合模力在10万吨左右，同时由于其本身外形特征，分模面选取受限，导致单一模膛内充形高度很大，在翼轨叉跟端根部(即锻件两端)、翼轨外缘小翼、耳板肋板等位置充形困难，这些特征也导致模锻吨位对坯料质量分布形式十分敏感，单纯采用自由锻开坯会由于精度原因导致后续模锻步骤吨位大幅上升。如图3和图4所示，该型号辙叉截面特征以“U”形及“П”形的包围型截面为主，充形高度高且质量沿截面方向主要分布于两侧，这使得坯料宽度大大小于模膛宽度，加上本身6米的长度，使得坯料在模膛中的定位出现很大的困难，坯料中段在模锻过程中大部分行程下都处于半悬空的状态，一旦发生错移，坯料宽度方向上分布会收到影响，严重时巨大的锻压吨位产生的侧推力甚至会折断模具。在模锻工艺中，目前没有针对此类锻件坯料的定位方式，而采用双动压机等方式在大吨位模锻下很难实现。

综上所述，研究开发一种轴向加工尺寸精度高、适用性强且成形难度低的辙叉的整体模锻方法具有重要的理论和实际价值，应用前景广阔。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种辙叉的整体模锻方法。

本发明采用如下技术方案：

一种辙叉的整体模锻方法，包括开坯、预锻和终锻三步，所述开坯采用楔横轧将加热至始锻温度后的原始坯料在轴向进行预分配，得到坯料；所述预锻将加热至始锻温度后的所述坯料采用模锻进行预制，得到预制坯；所述终锻将加热至始锻温度后的所述预制坯采用模锻进行锻制，即得辙叉。

在上述技术方案中，在所述开坯步骤中，所述原始坯料为轧制圆棒材，所述开坯后得到的坯料为多个同轴圆柱的轴向叠加结构，且相邻圆柱之间采用锥面过渡连接。

优选地，在上述技术方案中，在所述开坯步骤中，所述坯料的结构以锻件的轴向分布为基准进行简化，且所述坯料控制为3-5个同轴圆柱的轴向叠加结构。

在上述技术方案中，所述预锻采用闭式模锻的方式进行，且所述预锻模膛中与所述坯料接触的突出位置设置有与所述坯料柱面特征相配合的导向特征。

优选地，在上述技术方案中，所述预锻步骤中的成形吨位小于5 万吨。

在上述技术方案中，所述终锻采用开式模锻的方式进行，且所述终锻模膛的上模设置有卸压槽。

优选地，在上述技术方案中，所述终锻步骤中的成形吨位小于5 万吨。

优选地，在上述技术方案中，所述终锻步骤中的所述预制坯与所述终锻模膛通过模膛斜度自动找正。

在上述技术方案中，所述终锻模膛中设置有上仓式飞边槽，且所述终锻压板处设置有阻力墙。

优选地，在上述技术方案中，所述整体模锻方法还包括对终锻后的锻件进行飞边切除和机加工处理。

本发明的优点：

(1)本发明的整体模锻方法采用楔横轧开坯、模锻预锻和模锻终锻的方式成形，在楔横轧开坯和模锻预锻后，预制坯的质量分布形式逐渐由圆棒形原始坯料的等截面形式逐渐成形为接近终锻锻件的轴向两端多中间少、截面方向两侧多中间少的形式，同时，使模锻终锻中的材料流动方式得到了很大改善，降低了最终的终锻成形吨位；

(2)本发明的整体模锻方法通过从楔横轧开坯开始对坯料形状及预锻模膛的结构特征进行改进，通过采用坯料柱面特征与预锻模膛的导向特征相配合，降低了预锻过程中坯料失稳滑移的倾向，同时降低了预锻过程中对机械手操作精度的要求，减少了预锻过程中机械手的操作时间和坯料温降，也改善了预锻模具的工作环境，避免了坯料分布不均在锻造过程中产生的侧推力所造成的不利影响，此外，本发明所采用的楔横轧开坯+模锻预锻+模锻终锻的工艺的轴向加工精度和材料利用率高，工艺稳定性好；

(3)本发明的整体模锻方法在模锻预锻过程中采用闭式模锻的方式，能有效避免中间步骤飞边的产生，能减少模锻终锻过程中对模锻吨位的浪费，此外，在预锻模具上模增加额外开放位置，在一定程度上降低了预锻吨位，使模锻预锻能在5万吨以下完成；在模锻终锻过程中采用开式模锻的方式，且终锻模膛的上模还增加了泄压槽，平衡各个部分的成形时间，使各部分飞边同时产生，最终模锻终锻吨位控制在5万吨左右，且耳板和小翼等难成形位置均能成形。

附图说明

图1为现有技术中无飞边形式的某型号辙叉热锻件的结构示意图；

图2为现有技术中带飞边形式的某型号辙叉热锻件的结构示意图；

图3为图1所示的某型号辙叉热锻件的主要截面形式示意图一；

图4为图1所示的某型号辙叉热锻件的主要截面形式示意图二；

图5为本发明实施例1中圆棒形原始坯料经楔横轧开坯后的坯料二维结构示意图；

图6为本发明实施例1中坯料经模锻预锻后的预制坯二维结构示意图；

图7为本发明实施例1中坯料经模锻预锻后的预制坯的主要截面形式示意图一；

图8为本发明实施例1中坯料经模锻预锻后的预制坯的主要截面形式示意图二；

图9为本发明实施例1中坯料经模锻预锻过程的三维示意图(1/2 模型)；

图10为本发明实施例1中坯料经模锻预锻过程的模具模膛定位特征及坯料示意图；

图11为本发明实施例1中预制坯模锻终锻过程的终锻模具三维模型图一；

图12为本发明实施例1中预制坯模锻终锻过程的终锻模具三维模型图二；

图中：

翼轨1，叉心2，叉跟轨3，压板4，上模5，下模6，坯料7。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

实施例1

本发明实施例采用本发明所提供的超长变截面长轴类锻件的整体模锻方法生产某型号辙叉热锻件，该辙叉热锻件含飞边结构，其具体结构如图2所示，主要用于重载铁路线路交汇及换向位置。

与图1所示的不包含飞边结构的辙叉热锻件类似，该型号辙叉热锻件由两侧的翼轨1，中心位置的叉心2及由叉心2延伸出的叉跟轨3 构成，整体由最外侧的压板4连接固定，锻件中去除了辙叉中部布置的两个筋板特征，辙叉全长约6米，最大宽度约450毫米，最大高度约180毫米，总重量低于1.5吨。

除长径比相差悬殊外，如图3和图4所示，该锻件的另一特点是轴线方向材料分布不均匀，前后两端与铁轨相连接处的截面积约 40000平方毫米，而中部截面积最小位置约为两端的2/3，不同的截面积分布除限制了坯料的尺寸形状关系外还在一定程度上会增加合模吨位。

为了在楔横轧开坯过程中提供一定变形量，选择圆棒形原始坯料的直径大于300毫米；同时，保证材料性能需要的锻比主要由轧制提供。

圆棒形原始坯料经楔横轧开坯后的坯料的二维外形结构如图5所示，坯料为3段同轴圆柱的轴向叠加结构，且两端的圆截面大于中部的圆截面，与辙叉热锻件的质量分布一致，呈哑铃型质量分布；同时，相邻圆柱之间采用大锥角的锥面过渡连接，合理控制过渡连接部分可以防止在预锻过程中产生折叠，并降低楔横轧开坯的难度。

由于圆棒形原始坯料的直径大于横轧开坯后坯料的目标各特征圆截面直径，相应地，圆棒形原始坯料的长度小于横轧开坯后坯料的目标长度，此时，楔横轧开坯过程中的3段同轴圆柱同时在轧辊的作用下拔长，且中部圆柱的变形最大，在此基础上完成原始坯料的拔长及沿轴向方向上的质量分布过程，经楔横轧开坯后得到的坯料尺寸精度很高，可以减小在后续的预锻和终锻步骤中产生的飞刺和飞边，降低需要的设备吨位。

坯料经模锻预锻后的预制坯的二维外形结构如图6所示，其主要截面形式示意图如图7和图8所示，模锻预锻的主要功能是使坯料在截面方向和轴向方向小尺寸的进一步分配，同时保证叉心等的充形高度。此外，由于坯料的宽度小于预锻下模膛的宽度，坯料进入模膛时其中段处于悬空，两端失稳倾向大，且预锻上模与坯料中段接触时失稳倾向也很大，因此，在预锻模膛中引入了与坯料外形相配合的导向特征，相应地，预制坯结构上，在与预锻模膛接触的区域增加了与开坯后坯料特征圆截面曲率接近的突出柱面特征。

本发明实施例生产某型号辙叉热锻件的整体模锻方法的具体步骤如下：

S1、轧制圆坯下料，并采用感应加热使原始坯料温度升至始锻温度，送入楔横轧机中进行开坯，在楔横轧机轧辊的作用下，较大直径的圆棒料逐渐拔长，并成形为如图3所示的哑铃形的坯料结构，多余坯料由轧辊切断，达到极高的坯料尺寸精度；

S2、采用感应加热将开坯后的坯料加热至预锻始锻温度，并通过机械手将坯料移入预锻下模内，其预锻过程如图9所示，采用闭式模锻的方式，预锻模具不设置飞边槽，而是在预锻模具的上模5下压过程中在边缘处产生向上的飞刺(或填充入开放位置内)，如图10所示，坯料置入预锻模具的下模模膛时，预锻模具的下模6在两端区域的中央突出位置具有与坯料7外形相配合的自定位特征，坯料在下模膛内会自动对中，上模下压过程中与坯料发生接触，上模5中段突出位置也具有与坯料7外形相配合的自定位特征，防止在预锻行程中坯料失稳跑偏；

S3、在预锻压机上顶出预制坯后，再次以感应加热的方式加热至终锻始锻温度，并通过机械手将预制坯移入终锻下模内，如图11所示，此时预制坯和模膛可通过模膛斜度自动找正，终锻为开式模锻，为防止压溃飞边槽形式采用上仓式，且在终锻模具的上模开有泄压槽，容纳中部多余金属，延后该部分成形，从而使各部分成形时间趋近，降低终锻吨位，终锻结束后终锻压机上模在动梁带动下向上移开，利用压机工作平台顶出杆将终锻锻件顶出；

S4、切除飞边，并对辙叉锻件进行机加工。

采用本发明所述的辙叉整体模锻方法生产某型号辙叉热锻件时，原料采用轧制圆截面棒料，以楔横轧开坯、模锻预锻及终锻的方式成形。在楔横轧开坯和模锻预锻后，坯料的质量分布形式逐渐由原圆棒料的等截面形式逐渐成形为接近终锻件的轴向两端多中间少，截面方向两侧多中间少的形式，同时这也使之后终锻中的材料流动方式得到了很大改善，降低了最终的终锻成形吨位。

在预锻过程中采用闭式模锻避免了飞边的产生，能够减少在终锻过程中由于额外产生的投影面积而对模锻吨位的浪费，另外在上模增加额外开放位置竖直方向上容纳多余金属，一定程度上降低了预锻吨位，使得预锻过程能够在5万吨以下完成。终锻过程还增加了泄压槽，平衡截面方向上各个部分的成形时间，使得各部分飞边同时产生，最终吨位可以控制在5万吨左右，耳板小翼等难成形位置均能成形。由于锻件本身长径比大，截面变化复杂，导致使用的坯料和预制坯也具有很大的长径比，这带来了非常严重的坯料定位问题，在此基础上，本发明从自由锻开坯步骤开始进行对坯料设计形状及模具特征进行改进，通过坯料柱面特征及模具自定位特征相配合的方式，降低了预锻过程中坯料失稳滑移的倾向，对此过程机械手的操作精度要求降低，保证了操作过程较少的操作时间和坯料温降，同时也改善了模具的工作环境，避免了因坯料分布不均产生的侧推力造成不利影响。另外，不采用自由锻的工艺路线能够提升最终成形的轴向精度和材料利用率，也增加了整个工艺的稳定性。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种辙叉的整体模锻方法，其特征在于，包括开坯、预锻和终锻三步，所述开坯采用楔横轧将加热至始锻温度后的原始坯料在轴向进行预分配，得到坯料；所述预锻将加热至始锻温度后的所述坯料采用模锻进行预制，得到预制坯；所述终锻将加热至始锻温度后的所述预制坯采用模锻进行锻制，即得辙叉。

2.根据权利要求1所述的整体模锻方法，其特征在于，在所述开坯步骤中，所述原始坯料为轧制圆棒材，所述开坯后得到的坯料为多个同轴圆柱的轴向叠加结构，且相邻圆柱之间采用锥面过渡连接。

3.根据权利要求2所述的整体模锻方法，其特征在于，在所述开坯步骤中，所述坯料的结构以锻件的轴向分布为基准进行简化，且所述坯料控制为3-5个同轴圆柱的轴向叠加结构。

4.根据权利要求1-3任一项所述的整体模锻方法，其特征在于，所述预锻采用闭式模锻的方式进行，且所述预锻模膛中与所述坯料接触的突出位置设置有与所述坯料柱面特征相配合的导向特征。

5.根据权利要求4所述的整体模锻方法，其特征在于，所述预锻步骤中的成形吨位小于5万吨。

6.根据权利要求1-3任一项所述的整体模锻方法，其特征在于，所述终锻采用开式模锻的方式进行，且所述终锻模膛的上模设置有卸压槽。

7.根据权利要求6所述的整体模锻方法，其特征在于，所述终锻步骤中的成形吨位小于5万吨。

8.根据权利要求6所述的整体模锻方法，其特征在于，所述终锻步骤中的所述预制坯与所述终锻模膛通过模膛斜度自动找正。

9.根据权利要求1-3任一项所述的整体模锻方法，其特征在于，所述终锻模膛中设置有上仓式飞边槽，且所述终锻压板处设置有阻力墙。

10.根据权利要求9所述的整体模锻方法，其特征在于，还包括对终锻后的锻件进行飞边切除和机加工处理。