大型环轨锻件制造工艺研究

文／任文·太原重工锻造分公司

马红翠·山西长锋公司

大型环轨锻件制造工艺研究

文／任文·太原重工锻造分公司

马红翠·山西长锋公司

环轨类锻件的传统锻造工艺方案有两种：第一种是先经过锻造成方条形状，再机加工成圆弧形状；第二种是先经过锻造成方条形状，再进行冷弯曲成形。第一种工艺方案不仅锻件料净比大、生产成本高，而且车削加工后打断了金属纤维方向，零件的力学性能会受到影响，另外此工艺方案也只适用于小型环轨。第二种工艺方案生产周期长，而且冷弯曲后易形成裂纹折叠等缺陷。随着我公司环轨产品的订货不断增多，尤其是有批量的大型环轨产品，这就要求我公司必须改变传统工艺，制造合适的模具和工装，采取热弯曲成形的工艺方法，克服传统工艺的不足。研制出一套成熟的锻造成形、模具制作、调质处理工艺，不仅能保质保量按期交货，而且为公司后期生产环轨类锻件市场打下基础。

产品主要技术参数及指标

本批环轨产品材质为34CrNi1Mo，成品环轨组合后外径为15700mm，截面尺寸210mm×208mm。

材料为34CrNi1Mo熔炼分析要求见表1。

锻件生产过程

锻件原材料的控制

原材料回厂后取样并委托理化中心进行检测，包括原材料的化学成分和金相检测。化学成分检测结果如表2所示。

表1 熔炼分析（质量分数：%）

我公司实际采购钢锭的化学成分中，P、S、Cu等有害元素的含量远低于标准要求，且其余金属元素基本都控制在标准要求的中间值附近。

金相检验结果见表3和表4。

检测结果显示，晶粒度为5.0级；组织为粒状珠光体；带状组织级别为0.5级。

无皮下气泡、裂纹、翻皮，无非金属夹杂及夹渣，无异金属夹杂物。

模具和工装的制造

通过计算机模拟和精确计算，设计出锻造环轨用上下模具（见图1），为保证模具的耐久性，模具材料使用5CrMnMo。由于环轨锻件长度较长且截面小，热状态下极易因自身重力发生变形，我分公司特制工装（见图2），原理是工装中间开一个与锻件截面相同的方眼，锻造时利用工具紧紧套住坯料的一端，操作机夹住另一端，以下砧子为支点，以三点定一平面的原理，既防止修整中发生热变形，又防止出现大晃动和偏移。另外制作铁皮样板，弧度尺寸与图纸尺寸相符，便于在热弯成形时测量锻件弧度是否合格。

表2 化学成分检测结果（质量分数：%）

表3 非金属夹杂物

表4 材料低倍级别检测结果

图1 锻造环轨用上下模具

图2 特制工装

图3 环轨锻件锻造尺寸

环轨的锻造成形

环轨锻件锻造尺寸见图3。

工艺方案为：钢锭拔长并下料至规格为6500mm×245mm×245mm的方坯，要求表面质量良好，不得有裂纹折叠等缺陷；再进行热压弯成形，压弯始锻温度800～850℃，由专用模具进行压弯，并利用铁皮样板红检。

锻造步骤：第一步，先从坯料中部开始下压，并以大约半砧子尺寸的送进量直至坯料的一端部全部压弯；第二步，水压机操作机夹住已压弯的一端，仍先从坯料中部开始下压，以大约半砧子尺寸的送进量直至坯料的另一端部全部压弯；第三步修整，利用特制的工具套住坯料的一端，操作机夹住另一端，以下砧子为支点，以三点定一平面的原理，既防止修整中发生热变形，又防止出现大晃动和偏移。

环轨的热处理

⑴环轨锻后进行消应力退火处理，退火温度550℃，保温时间7h，冷却速度≤25℃/h，炉温低于200℃时出炉。锻后消应力退火曲线见图4。

⑵环轨毛坯粗加工后进行调质处理，调质处理时应利用台车煤气炉加热，装炉时注意装盘垫平，防止热处理变形。调质后，利用划线平台及地轨进行二次划线，准确检测变形量及加工余量，确保产品一次性合格。调质处理后进行硬度及力学性能检测。对热处理变形较大的锻件用1250t水压机进行直弯处理，直弯时加热温度不超过520℃。调质处理工艺见图5。

检测结果

图4 锻后消应力退火曲线

图5 调质处理工艺曲线

⑴调质处理后在环轨本体取样进行力学性能检测，力学性能检测全部符合技术要求，具体数值见表5。

⑵调质处理后对环轨锻件进行100%UT和MT探伤，全部符合标准要求。

表5 力学性能检测

开发设计关键点

材料控制

质量优秀的原材料是确保产品成功的关键因素之一。我公司经过研究分析，为保证锻件质量和试验成功率，又进一步优化原材料成分范围和金相组织要求。原材料的冶炼方法为采用电炉+精炼+真空脱气，严格控制原材料的化学成分、高低倍检测情况。

锻造模具

锻造模具和工装在锻造过程中起到改变尺寸和形状的重要作用，我公司在设计模具时，技术人员充分考虑环轨外形尺寸和形状，经过精确计算设计出试制模具，试制模具的尺寸和轮廓与锻件图完全吻合。

锻造成形

原材料锻造时，必须保证锻件各个表面的平整，不得有折叠、裂纹等缺陷，防止缺陷在后续压弯和热处理过程中扩大和延伸。使用上下平砧，严格控制压下量，做到小压下量快锻。压弯工序始锻温度不能过高，防止晶粒粗大，初步定为850℃。压弯过程操作机、水压机、起重机必须紧密配合，统一指挥，严格执行锻造工艺、充分利用模具生产，技术人员现场跟踪服务，发现问题及时进行总结。

锻后消应力处理和调质处理

锻件锻后有热应力和组织应力，必须进行消应力处理。锻件粗加工后进行调质处理，本道工序的关键是既必须保证热处理后力学性能符合要求，又要保证环轨锻件变形小，不能尺寸超差。图6为调质处理后环轨，图7为最终成品。

图6 调质处理后环轨

图7 最终成品

结束语

通过环轨锻件关键技术的精准分析和严谨的生产过程控制，不仅整个生产过程中锻件无裂纹、折叠、晶粒粗大等缺陷，探伤合格，力学性能满足技术要求，而且节省原材料，减少了生产工序，完全满足用户的订货要求。同时我公司积累了宝贵的技术能力和生产经验，为今后生产环轨类锻件打下基础。