一种高速列车轴箱体的锻造方法与流程

本发明涉及一种高速列车铝合金轴箱体的锻造新工艺及其模具结构，特别涉及一种体积分布差异大、形状复杂的轴箱体锻件的预成形件形状设计方法及其模具结构。

背景技术：

高速列车是指运行速度超过200km/h的铁路列车，其在现代交通运输中占据举足轻重的地位，具有载客量高、输送能力大、速度快、能耗低以及安全环保等优点。自1964年世界上第一条高速铁路建成以来，高速铁路迅速步入人们生活并成为不可替代的一部分。为实现高速列车的轻量化，目前普遍采用强度高、密度低的铝合金作为高速列车结构件的材料。

高速列车的高速化对车体结构轻量化提出了更高要求。目前除了高速列车车体采用铝合金型材外，高速列车传动装置中的轴箱体和轮箱体也采用铝合金铸件，并不断简化其结构。高速列车的轴箱体是列车转向架中的重要承载部件和运动形式的转换关节。在列车运行中，垂向力、纵向力和横向力都要经过轴箱体结构，因此轴箱体的承载状况复杂，其结构和性能稳定性对列车的安全运行具有重要作用。高速列车的铝合金轴箱体多采用Al-Cu系7050铝合金，该铝合金材料力学性能好，但其铸造工艺相对较差，在铸造成形过程中极易产生缩孔、缩松和热裂纹，影响列车的安全运行和服役寿命。与铸件相比，铝合金轴箱体锻件内部缺陷少，且在合理生产条件下还能够保持完整的锻造流线，可显著提高轴箱体的综合性能和使用寿命。但高速列车轴箱体锻件形状复杂，其基本结构和几何特征如图1所示，沿长度方向锻件体积分布差异大，杆部7的横截面为深H形筋板，筋部高度大，壁厚较小，整个锻件的最大投影界面也不在同一水平面上，如何合理地设计预成形件，达到沿总长度方向体积分配合理，保证终锻件锻造流线合理，完全充满型腔且无折叠缺陷，是高速列车轴箱体锻件成形中面临的主要工艺问题。

侯磊、游和清等在《冷热工艺》(2013年第6期)上发表了一篇名为“铝合金轴箱体锻造成型数值模拟和试验研究”的论文，对轴箱体锻造成形过程进行了数值模拟研究，其工艺是采用圆柱形坯料，直接一次锻造成形轴箱体锻件，主要研究了锻造速度、温度和摩擦系数对轴箱体锻造成形的影响规律，但未涉及预成形件形状设计、模具结构及其具体的锻造工艺流程。

任学冲、张利欣等曾在Procedia Engineering(2012年第27卷)发表过一篇名为“高速列车用7050铝合金轴箱体拉伸及疲劳性能研究”的论文，采用铸锭—挤压开坯—自由锻—模锻的工艺流程，成形高速列车铝合金轴箱体锻件，重点分析了铝合金轴箱体沿金属流线方向和非流线方向上的拉伸及疲劳性能以及保持铝合金轴箱体锻件中流线合理分布的重要性，但该文尚未给出保证模锻轴箱体锻造流线合理分布的具体工艺方法与措施，也未涉及各成形工序的锻件形状、模具结构以及预成形件形状的设计方法。

西南铝业(集团)有限责任公司在2014年公开了一种名为“一种轨道车辆转向架轴箱体锻造工艺”(公开号：CN 103643183A)的专利技术。该发明提供了一种轨道车辆转向架轴箱体锻造工艺，该工艺将圆柱形锭坯通过所述模具锻造成长方体状毛坯，再将长方体状毛坯进行预压和终压，形成轴箱体。通过该方法得到的铝合金轴箱体锻件具有较高的抗拉强度、屈服强度和延伸率，能够满足高铁转向架轴箱体的力学性能要求。但尚未涉及轴箱体锻件预锻过程的体积分配、预锻件形状、模具结构和锻造流线分布等相关工艺方法。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种高速列车轴箱体的锻造方法。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种高速列车轴箱体的锻造方法，包括如下步骤：

(1)坯料下料，所述坯料为圆柱形挤压棒料，经锯切下料，获得所需长度的坯料；

(2)横向压扁，将所述坯料进行横向压扁镦粗，得到预制坯；

(3)挤压预制坯，获得预锻件，所述预锻件形状沿其长度方向依次包括与轴箱体锻件形状相对应的端部、中部和杆部，且预锻件沿长度方向的体积分布与轴箱体的体积分布相匹配；

(4)终锻件成形，将预锻件放置于终锻模具中进行终锻，得到终锻件。

圆柱形挤压棒料的来源广泛，经锯床下料即可获得坯料。经过横向压扁镦粗工序获得的预制坯，可方便地放入挤压模具中，经挤压获得预锻件。为方便将预制坯放入挤压模具并保障其在挤压模具中定位稳定，应先采用横向压扁镦粗工艺，将初始圆柱形坯料拍扁至指定的高度，获得预制坯。

轴箱体的预锻过程是整个锻造过程的关键，其基本要求是保证预锻件的体积分布与终锻件的体积分布相匹配，为此，按照轴箱体终锻件长度方向上的端部5、中部6和杆部7(图1)，将预锻件形状也设计成沿其长度方向上的端部5’、中部6’和杆部7’(图2III)，预锻件各部分的体积分布与热锻件各部分的体积分布基本一致。对于终锻件，所述长度方向是指从端部5到中部6再到杆部7的方向；对于预锻件，所述长度方向是指从端部5’到中部6’再到杆部7’的方向。

上述预锻件各部分的体积分布与终锻件各部分的体积分布一致，在终锻模具型腔中预锻件材料体积分布合理，各部位的材料能够就近充满终锻模具的各个型腔，可减少材料的流动距离，能够确保终锻件尤其是筋部充填饱满，无穿流和折叠缺陷。

上述预锻件(图2Ⅲ)沿长度方向上的体积分布相差悬殊，且预锻件端部5’、中部6’和杆部7’也不在同一水平线上，很难采用锻造工艺经一次锻造获得所要求的预锻件形状，也不容易保障锻造流线的合理性。考虑到所涉及的预锻件形状简单，无小特征结构，本专利技术采用正挤压工艺一次成形预锻件，即将步骤(2)获得的预制坯沿其轴向放置于正挤压模具中进行预锻件的挤压成形，获得预锻件。采用挤压方式进行预锻件成形，其几何形状与尺寸精度容易保障，流线分布合理，且无原材料浪费，具有成形精确、效率高和预锻件内部质量好的特点。

优选的，步骤(2)压扁镦粗后获得预制坯的轴向截面尺寸比挤压模具内腔尺寸小1～2mm。便于将预制坯置入挤压模具型腔。

优选的，步骤(3)中所述的预锻件，其杆部7’为圆柱形，在中部6’和杆部7’的过渡区采用过渡圆弧结构。

由于轴箱体的杆部7具有不同型腔深度的“H”形，所以轴箱体的杆部锻造为终锻成形过程充型较为困难的部分。当预锻件杆部7’为圆柱形时，更容易充满轴箱体终锻件的“H”形型腔部分，且无折叠和缺肉等锻造缺陷，同时，在预锻件中部6’和杆部7’的过渡区采用过渡圆弧结构，可避免轴箱体终锻件在中部6和杆部7过渡区出现锻造折叠缺陷。

进一步优选的，所述预锻件的中部6’和杆部7’之间的过渡区采用较大过渡圆角，其圆弧半径为110mm；所述预锻件的端部5’和中部6’之间过渡圆角的圆弧半径比轴箱体锻件此处的端部5和中部6之间的过渡圆弧半径大5～10mm。除上述圆弧半径以外，预锻件端部5’和中部6’区域的其它棱边均采用圆弧过渡，其圆弧半径为7-8mm。预锻件不存在尖角，可减少预锻件成形过程中挤压模具的应力集中现象。

进一步优选的，所述预锻件中部6’的形状为近似长方体形状，使之在终锻模具型腔中基本呈镦粗方式成形，中部垂直于中心线的两个面(即图2Ⅲ所示的预锻件中部6’的左右两个侧面)的拔模斜度与终锻件的拔模斜度一致，即分别为7°，以使预锻件在终锻模膛中的定位更准确。

进一步优选的，预锻件中部6’的前后两个表面和上下两个表面均设计为直壁。一是便于终锻时使金属更容易充满终锻模具的中部深腔，延迟飞边形成的时间；二是保证挤压成形预锻件时挤压凹模的侧壁为直壁，减小挤压载荷，并避免凸模和凹模之间产生挤压毛刺。

进一步优选的，图3所示的预锻件挤压模具的上端不设分流结构，而挤压模具的凹模下端具有分流结构，此部位凹模型腔的高度比预锻件的杆部长度高5-10mm。

在挤压预锻件过程中，金属在挤压模具型腔中上、下双向流动，一是金属向上流动，充满形成预锻件的端部5’的形状，二是金属向下流动，进入凹模的杆部型腔，成形出预锻件的杆部7’的形状。由于金属向上流动阻力较小，金属很容易充满挤压模具的上端型腔和成形出预锻件的端部5’的形状，而金属向下流动阻力较大，挤压模具的下端型腔充填较慢。采用上端不设分流结构而下端设置分流结构的挤压模具，在预锻件挤压成形结束后，预锻件的杆部不与挤压凹模底端相接触，仍有材料流动空间，为材料变形提供了很好的分流通道，可减少挤压载荷，提高挤压模具寿命。

优选的，步骤(3)中获得的预锻件的长度比终锻模具型腔的长度短3-6mm。

根据长轴类锻件在锻造过程中的材料流动规律和定位需要，预锻件的长度应略小于终锻件的模膛长度，这样，可方便将预锻件放入终锻模具型腔，且有利于定位的稳定性。

优选的，步骤(4)中，采用带有飞边的开式模锻工艺，将预锻件置入轴箱体终锻模具模膛，进行轴箱体的终锻成形，获得终锻件。

进一步优选的，轴箱体终锻件的中部6和杆部7位置的分模面位于其最大投影面上，轴向体终锻件端部5的分模面位于其上顶面；轴箱体终锻件端部5和中部6的过渡区域内的分模面为沿轴箱体终锻件的端部5和中部6的弯曲过渡面拓展而成，并与端部5的分模面和中部6的分模面光滑衔接。

上述各部位的分模面组成台阶状分模面，适应于本申请中形状复杂且沿长度方向截面高度落差较大的轴箱体锻件的分模面设置。

优选的，上述锻造方法还包括对步骤(4)中获得的轴箱体锻件的锻后处理工艺步骤。

按照上述锻造方法，可锻造成形出轴箱体终锻件。

本发明的有益效果为：

1、预锻件的体积分布与终锻件的体积分布吻合良好，预锻件成形采用挤压工艺，不产生飞边；预锻件在终锻模腔中定位稳定，可保障终锻件良好成形。预锻件的杆部为圆柱形，可保证终锻件的“H”形筋部充填饱满，无折叠和穿流缺陷，锻造流线合理，锻件变形均匀性良好；由于预锻件已获得了合理的体积分布，终锻过程中的材料利用率较高。

2、预锻件包括端部、中部和杆部，其体积分布分别与终锻件的对应部位相吻合，形状简单，但体积分配合理，没有小几何特征的难成形结构，预锻件长度比终锻模膛长度略短，预锻件中部两个侧面的拔模斜度与终锻件相同，有利于预锻件在终锻模膛中的稳定定位。

3、轴箱体终锻件的分模面为台阶式分模面，基本处于终锻件的最大水平投影面上，能够实现良好的终锻模膛充填、飞边控制和出模。

4、预锻件成形采用正挤压工艺，与传统预锻相比，挤压工艺的三向压应力有利于材料内部缺陷锻合，材料内部纤维分布合理，不产生飞边，有利于提高材料利用率。预锻件的杆部不与挤压凹模底端接触，留有一定流动空间作为变形材料的分流通道，减小挤压载荷和提高模具寿命。

附图说明

图1中，(a)所示为轴箱体终锻件的基本结构和几何特征轮廓图，A、B面为终锻件中部的两个侧面；(b)为终锻件杆部的第一截面的结构示意图；(c)为其第二截面的结构示意图；(d)为其第三截面的结构示意图。

图2为轴箱体锻件的锻造工艺流程示意图，图中，Ⅰ-原始坯料；Ⅱ-预制坯件；Ⅲ-预锻件；Ⅳ-带飞边的终锻件。

图3为预锻件挤压模具的结构示意图。

图中，1-第一截面；2-第二截面；3-第三截面；4-分模面；5-轴箱体锻件端部；5’-预锻件端部；6-轴箱体锻件中部；6’-预锻件中部；7-轴箱体锻件杆部；7’-预锻件杆部；8-模柄；9-上模板；10-导套；11-凸模固定板；12-导柱；13-凹模压紧圈；14-凹模垫板；15-下模板；16-顶杆；17-内六角螺钉；18-凹模；19-内六角螺钉；20-预锻件；21-压扁镦粗的预制坯；22-凸模；23-内六角螺钉。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步介绍。

如图1所示为高速列车轴箱体锻件的主要几何特征轮廓图，轴箱体锻件分为轴箱体锻件端部5、轴箱体锻件中部6和轴箱体锻件杆部7组成(简称端部5、中部6和杆部7)，其材料为7050高强铝合金，轴箱体热锻件(含飞边)总体积约为3.404×10⁷mm³，中部6所占体积最大，约为2.5515×10⁷mm³，杆部7的体积为6.749×10⁶mm³，而端部5的体积仅为1.736×10⁶mm³，可见各部分体积差很大，此外，端部5与中部6和杆部7的最大轮廓线也不在同一水平线上，如果按照最大轮廓线确定分模面，则分模面为台阶状的分模面，杆部7的截面为H形，从右到左，H形截面的筋部高度逐渐增加，筋部最大高宽比可达4.3。可见，难以采用简单原始棒料直接一次锻造成形，因此，预成形工序及各工序的形状设计就成为锻造工艺设计的关键环节。

首先绘制轴箱体锻件沿长度方向截面积图，根据沿长度方向的截面积分布，将预锻件设计成与热锻件截面积分布基本相同的形状，预锻件也分为预锻件端部5’、预锻件中部6’和预锻件杆部7’三个部分(分别简称为端部5’、中部6’、杆部7’)，各部分体积基本与热锻件各部分体积分布一致，获得如图2中Ⅲ所示的预锻件形状，该预锻件形状宜采用正挤压工艺成形。预锻件的长度略小于终锻件的模膛长度，预锻件杆部截面为圆形截面，其直径为150mm，圆形截面更容易充满轴箱体锻件杆部的H形型腔，且不易产生折叠缺陷。预锻件中部形状设计成近似长方体形状，使之在终锻模具型腔中基本呈镦粗方式成形，预锻件两个侧面具有7°的拔模斜度。为使金属更容易充满终锻件中部的型腔，延迟飞边产生的时间，减少预锻件挤压成形时的挤压载荷和便于挤压的预锻件出模，预锻件的前后两个表面设计为直壁。为避免轴箱体终锻件在中部和杆部过渡区出现锻造折叠缺陷，预锻件在中部和杆部过渡区采用较大过渡圆角，过渡圆角为110mm。此外，预锻件的中部和端部区域的棱边采用较大圆角过渡，为7-8mm。

针对本发明设计的预锻件形状，本发明采用正挤压工艺成形预锻件，其挤压模具结构如图3所示。包括模柄8、上模板9、导套10、凸模固定板11、导柱12、凹模压紧圈13、凹模垫板14、下模板15、顶杆16、内六角螺钉17、凹模18、内六角螺钉19、预锻件20，压扁镦粗后的预制坯21、凸模22、内六角螺钉23。

本发明涉及的预锻件挤压模具工作原理为：当压扁镦粗后预制坯21置于正挤压模具型腔内时，模柄8与热模锻压机滑块相连，滑块向下移动，带动模柄8和与之相连的上模板9向下移动。通过凸模固定板11与上模板9固定在一起的凸模22向下移动，推动预制坯21向下移动，通过挤压模具的凹模18，形成所需要的形状；考虑到金属很容易充满上端型腔，而下端杆部挤压型腔则较难充满，因而本发明设计的预锻件挤压模具上端无分流通道，下端具有分流通道，凹模18的底部通道高度比预锻件杆部轴向长度大5-10mm，当预锻件挤压成形结束时，预锻件的杆部端面不与模具底端相接触，仍有材料流动空间，为材料变形提供了分流通道，可减少挤压载荷。另外，预锻件形状的棱边过渡圆弧半径设计为7-8mm，对应的挤压模具的圆弧过渡半径也为7-8mm，不存在尖角，可减少挤压模具的应力集中。

基于上述设计的预锻件及其挤压工艺与模具结构，本发明采用的预锻件挤压用坯料为原始棒料经简单压扁镦粗后的预制坯。原始棒料直径选择为368mm，根据轴箱体锻件体积计算得出原始棒料长度为320mm，原始棒料如图2中I所示。将原始棒料平放在平砧上，进行简单侧面压扁镦粗，压扁至高度222mm，获得轮廓尺寸长宽高约为462mm、396mm、222mm的预制坯件，将预制坯件沿轴向放入预锻件挤压模具型腔，进行预锻件的挤压成形。

轴箱体终锻工艺为带分边的模锻工艺，终锻模具型腔形状按照其热终锻件形状设计，分模面设置在轴箱体锻件的最大投影面处，如图1中的4所示，分模面为台阶状，轴箱体终锻件的中部与杆部处的分模面设置在中间的最大投影面处，而端部的分模面设置在端部的顶部最大轮廓处，端部与中部过渡区由两部分的分模面光滑过渡连接。

综上所述，高速列车轴箱体锻件的基本锻造工序为：锯床下料、横向镦粗压扁获得预制坯、挤压成形获得预锻件、终锻，如图2所示。

本实施例锻造成形过程为：

步骤(1)：采用直径为368mm的圆柱形挤压棒料，经锯切下料，获得所需长度的坯料，坯料直径为368mm，坯料长度为320mm，坯料体积为3.404×10⁷mm³。

步骤(2)：将坯料加热至要求锻造温度，将加热后的坯料横向放置于平砧上，进行自由压扁镦粗，其压下量为146mm，获得如图2中II所示形状的预制坯件。

步骤(3)：将预制坯件沿轴向放入正挤压模具中，通过挤压获得如图2中III所示形状的预锻件，该预制坯件中部6’的尺寸为262.9×226×400mm，杆部7’的直径为150mm，中部6’和杆部7’之间的过渡圆角为110mm，端部5’的高度为75mm，比锻件在此处的高度高10mm，为避免终锻过程中预锻件端部和中部之间的大圆角过渡部分产生充不满现象，预锻件在该部分的过渡半径应比锻件大5～10mm。

步骤(4)：将预锻件置入终锻模具型腔中，进行终锻成形，预锻件中部两个侧面的拔模斜度与终锻件拔模斜度一致，这样，当预锻件放入终锻模腔时，可很容易地与终锻模腔内的对应表面产生面接触，使预锻件在终锻模具型腔内的初始定位准确、稳定和简单。终锻成形设备选择1.25万吨的热模锻压机，经锻造成形获得轴箱体终锻件。

步骤(5)：终锻结束后，取出锻件，然后进行相应的锻后处理。

所述原始圆柱形坯料经压扁获得的作为预锻件挤压用的预制坯件，不局限于圆柱形坯料压扁，也可包括满足挤压用坯料几何尺寸的长方体坯料或长方体坯料镦粗获得的预制坯件。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。