雙輪緣行車輪的軋制成形工藝
雙輪緣行車輪被廣泛應用于港口、船舶、礦山、工程機械等領域,具有形狀復雜、承受載荷大、工作環境惡劣等特點。目前,隨著港口機械市場復蘇,雙輪緣行車輪已占據市場一定比例,呈現出品種多、數量大、尺寸差異大等特點。尋求一種經濟、可行、成材率高的生產方式尤為必要。
本公司成熟的火車輪生產經驗,對雙輪緣行車大輪的成形工藝進行了深入研究,以提高成材率,降低制造成本,提高了產品質量及生產效率。
行車輪通常采用“模鍛 + 軋制復合成形”進行生產，對于現有裝備而言,雙輪緣行車輪的結構尺寸具有很顯著的特殊性。選取典型的Ф900mm行車輪作為研究對象,其結構尺寸給鍛軋成形帶來的難度主要體現在以下幾個方面:
(1)雙輪緣結構,成品槽寬173mm,兩側輪緣厚度為30.5mm;
(2)輞寬高,成品輞寬234mm,熱鍛件輞寬為250mm,嚴重超出現有軋機設備開檔極限尺寸;
(3) 外徑大、下料重量大,該行車輪外圓直徑較大,熱態鍛件外圓直徑達到Ф980mm,所需軋制力較大,成形時易出現邊角缺肉等缺陷。
根據上述行車輪鍛件成形工藝難點分析,其輞寬嚴重超出現有軋機設備極限,因此,需對軋機設備進行改造,設計了加寬(加寬70 mm)的軋機機架及其配套的壓緊輥銷軸及隔套,滿足了軋制高寬度行車輪的最基本條件。
考慮到直接軋制雙輪緣存在較大質量風險,決定分兩階段開展雙輪緣行車輪軋制成形工藝的研究。第1階段,采用軋制直踏面行車輪的方案,雙輪緣部位由機加工完成。待工藝成熟以后,再開展第2階段研究,進行雙輪緣軋制。這樣一方面可降低下料重量,進一步提高成材率;另一方面亦可減小機加工余量,提高加工效率。
出于質量安全方面的考慮,首先對直踏面行車輪軋制工藝進行研究,初步工藝方案確定后,開始嘗試進行小批量生產試制。試制過程存在的問題有:輪坯在軋制時“上下躥動”,不能在軋機上穩態運轉,導致出現內側輞輻距偏大、輻板厚度偏小、內側輻板出現較深臺階等諸多質量問題;另外,也出現了內輞面金屬折疊、壓緊輥下側軸承異常頻繁損壞等問題。針對出現的質量問題,分析其產生原因,并采取如下措施加以改進。為盡可能減少輪坯在軋機上不能穩態運轉的情況,增加了主軋輥外圓角度,由0°增加到8°,以期將輪坯進行機械限位,改善輪坯“上下躥動”的情況,從而改善由此造成的質量問題。
成形坯外圓因考慮脫模的原因,常規設置為10°的拔模斜度,成形時外圓與內輞面過渡的自由倒角處填充較好。由于該行車輪高輞寬(成形坯輞寬為 253.5 mm)的尺寸特點, 成形坯外側輪輞面與外圓倒角直徑較內側輪輞面與踏面倒角直徑小約73mm。在后續軋制過程中,內側直徑過早達到軋制坯外形尺寸要求,為保證外側直徑處填充飽滿,繼續軋制時極易使內側直徑處多余金屬順延至內輞面區域從而在內輞面形成折疊缺陷。
另外,同樣的原因導致壓緊輥上、下側軸承受力不均勻,下側軸承受力較大,且軋制過程接觸時間過長,極易出現異常磨損現象，綜上考慮,將成形坯的角度由10°更改為6°,并相應地將成形環模具由10°更改為 6°,以此來減小成形坯的直徑差值,從而減緩內輞面折疊以及壓緊輥下部軸承受力不均勻的問題。
鑒于直踏面行車輪軋制工藝已基本趨于穩定,開始進入軋制雙輪緣階段,通過在模具中的壓緊輥和主軋輥外圓上設置“凸臺”結構來實現雙輪緣的軋制。另外,“凸臺”結構在軋制過程中可將輪坯進行較好的“卡位”,能更好地防止輪坯在軋機上“上下躥動”;同時,也可對壓緊輥受力不均勻起到一定的緩和作用, 可有效解決壓緊輥下側軸承異常損壞的問題。
在Ф900mm雙輪緣行車輪壓機分體模具工藝得到良好使用效果的基礎上,還對其他雙輪緣行車輪進行了批量生產驗證,合格率較高,大幅度節約了下料重量,極大提高了成材率。相比一次模鍛成形而言,下料重量減少程度非常顯著。
因雙輪緣行車輪均為直輻板,且具有高度對稱特點,因此,對多種行車輪的輞寬、輞輻距、轂輻距、孔徑、踏面槽寬、內外轂徑等關鍵尺寸進行了分類識別,設計了通用的上下沖孔模具、上下斜輥、壓緊輥、主軋輥、上壓彎模等,滿足了沖孔、軋制、壓彎等工序模具的通用化,極大地縮短了模具制造周期,從而提高了生產效率。
針對雙輪緣行車輪高寬度、大輪徑、雙輪緣、裝備與工裝受限等成形工藝難點,創造性地通過改造設備,將壓機上成形模拆分為分體結構模具,增加打料裝置,設計特殊結構模具,使原本不適合在本條車輪生產線生產的雙輪緣行車輪得以成功開發, 極大地提高了產品成材率,并經過批量生產試制,獲得了較高的合格率,證明了該鍛軋成形工藝及設計的模具穩定可靠、切實可行。雙輪緣行車輪的成功開發,是一個典形的降本增效的方案,對公司適應新的經濟發展形勢、實現產品多元化、培育新的利潤增長點具有極其重要的現實意義。
