螺纹挤压成形技术在轨道客车制造中的应用

王宏图，张保林，韩 笑，刘春海

（1.中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 063035；2.河北省轨道车辆转向架技术创新中心，河北 唐山 063035）

引言

近几年，我国轨道交通行业迅猛发展，运行速度不断提高，新的制造技术也不断应用到轨道交通制造中，对高速动车组制造提出了更高的技术要求。转向架作为高速动车组的走行部位，其多个关键部位采用螺栓连接方式来满足强度高、耐用性好、易更换的运营和检修要求[1]。高速动车组转向架轮对更换频繁，约1.5年就要对转向架进行分解检修，保证安全运行至下一个高级修程[2]，频繁地更换需要螺纹具有良好的耐磨性，且该处螺栓连接保证节点传递牵引力(或制动力)、横向力、垂向力和振动冲击，因此，该处螺纹连接强度直接关系到车辆运行的稳定和安全，采用挤压成形技术可以获得良好的使用效果。动车组转臂简图如图1所示。

图1 动车组转臂

1 挤压成形螺纹的技术特点

传统轨道车辆螺纹制造采用切削丝锥来完成，相比较于切削成形螺纹，挤压成形螺纹具有以下特点[3]：

1）螺纹挤压成形后齿侧面很平滑，光洁度好。材料纤维保持连续，螺纹挤压成形过程有加工硬化作用，挤压获得的螺纹强度大大高于切削的螺纹，可以满足高速动车组关键部位高强度、易更换的要求。

2）螺纹挤压过程不产生切屑，避免了因铁屑造成的折刀事故。虽然攻丝扭矩大，但挤压丝锥没有容屑槽，丝锥的结构强度大，可以大幅度提高切削速度。

3）挤压丝锥加工螺纹孔的弹性恢复比切削丝锥大，弹性恢复造成的螺纹收缩在攻丝后的瞬间完成，螺孔大小稳定。由于没有切屑等随机变动因素的影响，加工孔精度较高。

4）挤压丝锥无锋利刀尖，不宜磨损，寿命可达到切削丝锥寿命的数倍。

5）挤压成形过程是靠工件的塑形变形完成，故需要工件具有一定的延展性，即较好的塑形变形能力。

6）不可修复。由于挤压螺纹的扭矩大，弹性恢复量大，螺纹在加工过程意外终止时，不可继续加工恢复完成挤压螺纹的任务。

2 挤压成形刀具的特点

内螺纹挤压成形工具一般为挤压丝锥，挤压丝锥通过丝锥上螺纹棱带使金属变形，获得相应牙型。挤压丝锥与普通切削丝锥有所不同，切削部分为带有尖端圆弧的多边形截面新型内螺纹加工刀具，如图2所示。挤压丝锥横截面为棱圆。棱圆的高点为棱脊，承担所加工螺纹的挤压和校准工作。棱圆的低凹部分是棱背，它一般由两段相切的阿基米德铲磨曲线组成，起分齿作用，使该丝锥逐层分齿挤压，并减少螺孔加工过程中的摩擦阻力[4-5]。

图2 挤压丝锥横截面

3 螺纹挤压成形的技术条件

1）适于挤压丝锥加工的材料，应具有以下特性[6-7]：挤压材料有一定的延展性，塑形变形能力好，一般认为，挤压丝锥适合于加工延展率≥20%，且碳含量偏低的材料。轨道车辆关键部件转向架常用S355耐候钢，所用钢板基本化学成分如下页表1所示，金属断后生产率≥21%，可以满足螺纹挤压要求。

表1 化学成分（质量分数） %

2）合理配置机床与刀具。机床具有刚性攻丝能力，可以适应进给和主轴转动之间的速度匹配，完成正转、反转和补偿。轨道客车制造设备大部分为西门子840D数控加工机床，可以满足挤压螺纹制造需求。

3）合理选配加工参数。金属加工时，一般会选择高转速提高生产效率，加工速度越高，挤压过程越迅速，摩擦产热量也就越大。金属被加热后自身强度下降，反而会降低攻丝扭矩。因此，轨道车辆制造中挤压成形工艺参数会高于切屑丝锥工工艺参数的40%～60%。以M20螺纹为例，国内推荐值为18.8 mm，欧洲刀具制造商推荐为18.9 mm，通过实际生产过程中对加工中心控制面板有功率监控记录可以得出，底孔对切削功率的影响几乎为线性变化，当底孔增大一定范围时，功率不再变化，如图3所示。

图3 切削功率和底孔关系

4 挤压成形过程中的故障处理

螺纹挤压成形在轨道交通制造批量化生产过程中，仍然会发生以下应用型问题。

1）挤压螺纹中径不合格。通常表现为通止规检测不合格，或者大端不能止住或者小端不能通过。实验发现，丝锥磨损后均可造成以上问题。针对轨道客车大批量、自动化程度较高的生产过程，提高丝锥的更新频率，成为解决问题的最直接方法。

2）螺纹成形不良。在制造某新型动车组的转向架过程中，发现螺纹顶部有微裂纹、螺纹发黑的现象。经过分析，螺纹底孔偏小是造成问题的主要原因。

3）挤压扭矩高。在生产过程中，通过监控机床功率可以看到，同一产品会出现扭矩偏高情况，扭矩大意味着挤压阻力大，丝锥磨损增加，增加了螺纹成型不良的风险。经过现场分析，金属挤压过程加注合理的切削液后，问题得以解决。

4）机床精度降低。机床在长使用过程中，信号系统老化，信号传递不稳定。通过制定合理的机床精度校准计划，生产得以顺利进行。

5）产品设计结构问题。工件局部刚性差，加工过程容易发生变形、共振问题，导致螺纹成形不良。改善产品的结构刚度有助于提高挤压成形的成功率。

6）工装结构问题。挤压成形的抗力大，需要工装支撑，但是由于生产条件约束未能满足生产需求，造成螺纹成形不良。故改变加工参数，降低切削抗力，以提高加工成功率。

5 结语

螺纹挤压成形的效率高，加工后的螺纹孔无金属屑残留，且螺纹光洁度好，尺寸精度高、耐磨性好、强度大。2011—2017年，通过对250列动车组转向架维修检查验证，该处螺纹状态良好，未发生过螺纹滑丝、表面鱼鳞等问题，且在五级修阶段，挤压成形螺纹表面质量明显好于切削成形螺纹。螺纹挤压成形技术在轨道交通行业具有很高的推广、应用价值。