有轨电车主轴轴座锻造工艺与模具设计

文/王盛鑫·大连机车车辆有限公司

阮发林，张建鑫·戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司锻压事业部

有轨电车主轴轴座锻造工艺与模具设计

文/王盛鑫·大连机车车辆有限公司

阮发林，张建鑫·戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司锻压事业部

王盛鑫，工艺师，从事机车产品锻造工艺设计及模具设计制造工作。参与完成的《HXD3型电力机车牵引从动齿轮国产化热处理工艺研究与应用》获中国北车集团2013年度科技成果二等奖，同时拥有1项发明专利，1项实用新型专利。

有轨电车主轴轴座锻件截面积变化较大，锻造工艺难点多。采用一模两腔的模具设计可节省锻模材料22%。坯料带飞边预锻后终锻试制出的样件无缺陷，表面质量优良。

有轨电车的造价较低，无需复杂的车站设计和地下施工，仅需15%的地铁造价。有轨电车采用低地板结构，上下车极为方便，其运输量比快速公交要高出一倍。有轨电车采用独立旋转车轮转向架、左右车轮横向耦合的结构，也有前后纵向耦合和电机直驱结构，舒适性远超公交车，和地铁几乎一样。横向耦合连接轮对的弯轴有整体锻造和锻造后焊接而成两种结构形式。整体式弯轴安装方便，其转向架刚度性能优异，但是其锻造难度大、效率与材料利用率很低、成本高，对锻造设备和工艺都提出了较高的要求。锻焊结构的弯轴制造相对简单，生产效率高，制造和维修成本低。

锻件结构分析

图1是锻焊结构弯轴的轴座。该锻件带有前置凸台，头部高而厚，需要材料较多，终锻拔模和头部充填都较难。两侧肋板薄而长，需要的材料少但材料流动距离远，材料等效应变大，易出现折叠等缺陷。锻件截面积无论是高度方向还是长度方向在肋板处的突变都很大，锻件复杂系数为S3级。六条加强筋均没有被加工，锻造成形工艺难度大。

图1 有轨电车主轴轴座

工艺设计

为了保证产品质量，预锻件应避免出现飞边，防止在终锻的时候出现质量问题。因此对于复杂程度较高的锻件通常是自由锻制坯后再进行终锻，但是该工艺存在锻件成本高、效率低的问题。同时非加工面的表面质量在抛丸后还要进行大量的人工打磨才能达到要求。戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司拥有220MN电动螺旋压力机，该机工作台面较大，能够满足多工位锻造。综合考虑后，为了提高材料利用率，确定了带飞边预锻后再终锻的一次加热锻造成形工艺。

预锻形状应该兼顾材料的预分配和终锻的定位问题。预锻下模型腔用柱面三点和底平面定位放下坯料，不至于造成坯料倾斜。预锻拔模斜度相对终锻大2°～4°，在终锻成形的中前期减少与模具型腔面的接触，减小摩擦阻力，便于充满的同时避免折叠。终锻前期属于镦粗充填成形，预锻飞边会出现向外扩张，同时高度方向降低，因而预锻的分模面比终锻分模面稍高，避免预锻的飞边进入型腔形成折叠等缺陷。预锻件横截面呈T形带有头部和底部凸台，底部工艺凸台用于终锻定位（图2）。T形两侧主要为终锻的两侧肋板提供材料，其材料的体积与流动距离较为关键。预锻件两侧的厚度和长度对最终成形均有较大影响。两侧的镦粗量不够时，首先接触模具部位的两侧出现外翻，出现侧向内凹的不完整鼓形（图3），导致终锻肋板加强筋部位出现折叠。镦粗量过大，两侧分料过多，终锻时形成较大的飞边，同时头部材料较少，导致头部充不满（图4）。在尽量保证型腔充满以及避免缺陷产生的同时，应尽可能减少流入飞边的材料来提高材料利用率。

图2 预锻设计

图3 镦粗缺陷

图4 头部缺肉的锻件

模具设计

正常工作条件下模具的平均工作温度为300℃，采用强韧性较好的5CrNiMo材料，其在600℃以内具有良好的综合机械性能，300℃时抗拉强度保持在1300MPa以上。

模块最小的壁厚通过最小壁厚的经验公式计算出。通过DEFORM10.2模拟得出预锻和终锻打击力分别为18.1MN和102.4MN。根据相关公式计算出预锻和终锻模具的最小承击面积。结合模具最小壁厚和最小承击面积以及锁扣等设计计算出预锻和终锻模块的最小总重量为8.41t，模块后期机加工和热处理均存在不小的难度。预锻模具与终锻模具存在安装、顶杆等问题，设计难度大，模具更换费时费力。

为了节省昂贵的锻模材料与加工时间，以及增强模具的刚度和安装便捷性，采用整体式模具设计（图5），较大幅度增加模具打击接触面积，有利于延长模具寿命。在最后充满的最深型腔位置采用分体镶块式设计，显著降低模具闭合高度的同时兼具排气作用，降低了轴座头部的充填阻力。整体式模具的模块仅6.54t，相比原设计节省22%。在模具设计的时候注意吊装孔的设计，不能出现尖锐内凹以致降低模具整体强度，位置上考虑吊装和翻转的便捷性。

根据最小阻力定律，终锻时轴座的背面在成形初期就出现飞边，大量材料流向仓部，降低了材料利用率，可能导致成形后期头部充不满，形成废品。为了改善材料流动，终锻背面采用较宽的桥部，增大此处材料流动的阻力，同时头部深型腔部位增大润滑剂量，保证头部的成形。

图5 主轴轴座锻造模具

结束语

模具按照上述设计进行了样件（图6）试制，样件经抛丸、探伤后确认为合格品，表面质量优良。该轴座的成功开发表明带飞边预锻后终锻工艺的可行性，为类似复杂锻件的开发提供了一火成形的思路和宝贵经验。

图6 主轴轴座锻件