预热式钢轨跟端整体式锻造模具的设计和应用

文／何文超·中国铁建重工集团道岔分公司

预热式钢轨跟端整体式锻造模具的设计和应用

文／何文超·中国铁建重工集团道岔分公司

从研发钢轨跟端整体式锻造模具的过程出发，通过对模具材料的选择、结构设计、仿真分析、机械加工、热处理控制、使用和维护等方面的分析，阐述了钢轨跟端整体式锻造模具的设计方法和应该注意的因素，提出了提高模具使用寿命的措施，在实际应用中取得了良好的经济效益。

何文超，副总经理，高级工程师，2013年“火车头奖章”获得者，主要从事钢轨塑性成形技术和装备方面的研究工作，主持和负责的《引进道岔技术工装和设备的国产化研究》与《时速250公里60-18号客专道岔制造技术研究》获中国铁建科学技术一等奖，获得一项发明专利，两项实用新型专利。

在铁路道岔的生产中，常需要将矮型特种断面(非对称)钢轨端部(俗称AT轨)通过热锻方式成形为标准断面钢轨，用于和线路上标准端面钢轨联接。我公司瞄准国际先进技术以技术带设备方式引进了国际上最先进的“一次加热，三次热锻成形”技术和整体式锻造模具。模具材料采用引自德国的DIN1.2714钢，它是一种预硬锻造模具钢，价格昂贵，单价为国内同等性能材料的3～5倍，而且国内进货渠道单一，需要提前预定，有无法满足生产的风险。引进的模具材料在实际使用过程中锻造500件时出现龟裂现象，600件时出现垂直和水平裂纹，无法再继续使用，停产2个月，因此研发合适的替代模具材料势在必行。

国内现在的道岔制造企业一般采用4Cr5MoSiV1(H13)、3Cr3Mo3VNb(HM3)、3Cr2MoWVNi(B3)、4Cr2MoVNi(B2)四种模具材料，它们均是适宜在液压机上锻造AT钢轨跟端的模具材料。选择任何一种模具材料，不仅要考虑模具满足使用条件和工艺条件，而且要考虑模具的使用寿命。众所周知，模具的使用寿命主要取决于五个方面：模具材料的选择、模具的设计、模具的机械加工方式、热处理方式、使用和维护。如何从众多的模具材料中选择适合的模具材料并应用到引进技术的国产化项目中是本文的主要研究内容。

模具材料的选择

国内道岔生产行业钢轨的热锻成形普遍采用组合或活块式模具(图1)，它的优点是模具简单，制造成本低。以先进技术为代表的企业采用带有预热功能的整体式模具(图2)，这种模具可显著提高成形精度和成形效率，细化锻件晶粒，提高锻件理化性能，实现一次加热、三次成形。

模具材料选择的原则

⑴满足工作条件。

AT钢轨跟端热锻成形时，模具不仅要承受与钢轨之间的热摩擦作用，还要承受水基石墨乳的冷却作用以及模具表面和心部的温度应力作用，受力比较复杂，工作环境较为恶劣，因此对模具性能主要有如下要求：

1)耐磨。坯料在模具型腔中产生塑性变形时，沿型腔表面既流动又滑动，使型腔表面与坯料间产生剧烈的摩擦，从而导致模具因磨损而失效。

图1 组合式模具

图2 具有预热功能的整体式模具

2)耐高温。当模具的工作温度较高时(650℃)，硬度和强度下降，导致模具早期磨损或产生塑性变形而失效。

3)耐冷热疲劳。模具在工作过程中处于反复加热和冷却的状态，型腔表面受拉、压交变应力的作用，易引起表面龟裂和剥落，增大摩擦力，阻碍塑性变形，降低尺寸精度，从而导致模具失效。

⑵满足工艺性要求。

模具的制造一般都要经过锻造、切削加工、热处理等几道工序。为保证模具的制造质量，降低生产成本，其材料应具有良好的可锻性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性，还应具有小的氧化、脱碳敏感性和淬火变形开裂倾向。

⑶满足经济性要求。

模具选材必须考虑经济性这一原则，应尽可能地降低制造成本，因此，在满足使用性能的前提下，首先选用价格较低的材料，能用碳钢，就不用合金钢，能用国产材料，就不用进口材料。另外，在选材时还应考虑市场的生产和供应情况，所选钢种应尽量少而集中，易购买。

几种模具材料的对比

国内道岔生产行业一般采用4Cr5MoSiV1(H13)、3Cr3Mo3VNb(HM3)、3Cr2MoWVNi(B3)、4Cr2MoVNi(B2)四种模具材料，这四种模具材料的基本特点见表1～3。

表1 四种模具材料与DIN1.2714钢的化学成分对比

表2 四种模具材料的耐冷热疲劳性能对比

冶炼方法

模具钢由于批量小、规格品种多，故大多数钢厂采用碱性电弧炉冶炼生产，随着技术的不断发展，越来越多的企业采取电弧炉冶炼＋真空炉外精炼技术，通过精炼，钢中的气体含量和硫、磷及夹杂物含量等进一步降低，综合性能明显改善。随着对模具使用寿命要求的不断提高，电渣重熔技术开始被广泛使用。电渣重熔属于二次精炼方法，与其他的冶金方法相比，电渣重熔后，模具钢的中心疏松和偏析改善0.5级以上，低倍组织中心致密，一般均小于1级(按ASTM标准评定)，模具钢的组织和性能有显著提高。

模块的选择

通常对于存在严重化学成分偏析和亚稳定共晶碳化物的模具钢应进行合理锻造，大锻造比(通常取5～14)的反复镦拔工艺是提高热作模具钢组织和性能各向同性的有效措施。锻后必须进行严格的冷却和热处理工艺，以改善钢中化学成分和组织的均匀性，消除材料中的二次碳化物，用于增加模具的韧性。

此外模块还可以选择电渣重熔钢锭，如3Cr2MoWVNi和4Cr2MoVNi就均是选择电渣重熔钢锭，按规定锻成所需模块。由于电渣钢具有纯净度高、组织均匀及锻裂倾向性小等优点，锻造时无切头切尾，综合成材率(从电极→渣锭→锻材)一般可达到90%以上，提高了钢锭的使用率，具有较高的性价比，因此很快被广泛使用。

结论

⑴从四种模具材料的各自特点来看，它们均能用于AT钢轨跟端锻造模具。3Cr3Mo3VNb(HM3)的红硬性和抗650℃回火稳定性最好，但锻造和后续热处理工艺较难控制，因此不适合用于AT钢轨跟端锻造模具这种较大截面的模具(150mm×450mm×1200mm)。

⑵从AT钢轨跟端锻造成形方式来看，如采用组合式模具，4Cr5MoSiV1(H13)和3Cr2MoWVNi(B3)比较合适；如采用整体式模具，4Cr2MoVNi(B2)比较合适。

模具的设计

热锻模具的设计受到许多因素的制约，设计不当的话容易使模具在后续的机加工和热处理及使用过程中产生早期断裂失效，因此，设计合理的模具结构，是提高热锻模具寿命的有效途径之一。设计锻模必须考虑选择合理的分模面位置；选用合适的拔模斜度以及合理的圆角半径，尽可能使相邻截面均匀化，以避免模具在后续热处理和使用过程中因应力集中而开裂。此外，设计时还要尽量使锻模中心、压力中心、滑块中心一致，以达到提高模具使用寿命的目的。因此，我们用SolidWorks/UG软件来进行模具设计和三维造型，用DEFORM软件进行成形模拟，用ANSYS有限元分析软件进行仿真受力分析，使模具设计更加简洁明了并且避免了设计中的缺陷。

结构设计

在结构设计方面，主要目的是提高模具强度、避免应力集中、增加辅助导向面避免上下模错位和出现错移力，如图3、4所示。

图3 无导向模具结构

图4 自导向模具结构

圆角设计

锻件上的圆角半径对于保证金属流动、提高模具使用寿命、提高锻件质量和便于出模等十分重要。锻件上的外圆角相当于模具模膛的内圆角，如果锻件外圆角半径过小，金属充满模膛会十分困难，而且容易引起锻模崩裂；而若锻件外圆角半径过大，则机加工余量将加大。锻件上的内圆角相当于模具模膛的外圆角，如果锻件内圆角半径过小，模锻时金属流动形成的纤维会被割断，从而会导致锻件的力学性能下降，还有可能产生折叠使锻件报废，或使模膛产生压塌变形影响锻件出模；而若锻件内圆角半径过大，则机加工余量和金属损耗将会增加，金属会过早流失，从而导致金属填充时发生充不满现象，俗称“缺肉”。

综合上述考虑模具强度的要求、热处理淬火变形开裂的倾向、模具制造所用的刀具标准化以及保证模具内圆角处的最小余量，我们对圆角进行了等效或者优化设计，如图5、6所示。

图5 原模具圆角设计

图6 优化后的模具圆角设计

仿真分析

分析方法

根据模具外廓尺寸建立模具三维模型，采用四面体单元对模型进行网格划分，对模具施加相同的荷载进行同等受力状况下不同结构的对比分析(图7)，对Von Mises等效应力云图(图8)和最大应力截面云图(图9)的结果进行分析，优化模具结构，改善模具受力状态，从而达到提高模具寿命的目的。

图7 模具受力分析有限元模型及荷载作用范围

图8 模具应力云图

图9 模具最大应力截面局部放大图

结论

采用了结构优化设计，应用有限元法进行仿真分析，分析结果反馈到模具结构设计中，再次改善和优化模具结构，模拟结果表明，应力集中现象得到明显改善，最大应力比初始设计方案减小24%。

模具的机械加工方式

传统的模具制造周期一般为2～4个月，模具形状复杂，机械加工工序多，涉及到车、铣、刨、磨等工序，并且受人员素质、机床精度等诸多因素制约，稍有失误，如表面粗糙、刀痕过深、圆角半径过小等，就均有可能使模具局部应力集中，淬火时导致模具开裂，造成模具早期失效。据统计，机械加工过程中60%的废品是人为产生的，因此，我们提出采用一次定位、高速(转速为10000r/min)数控铣削的加工工艺，不采用人工抛光打磨的加工工艺，杜绝人为因素的影响，以提高模具表面加工精度来保证模具质量，同时制造周期缩短到2～3个月，缩短了30%左右。

热处理工艺的控制

俗话说“好模具要有好的热处理”，可见热处理在提高模具使用寿命方面的重要性。数据统计表明：热处理工艺或操作不当而导致模具断裂失效占失效总数的60%以上。我们对模具采用真空淬火＋两次回火的热处理工艺，以减少变形和过多的氧化、脱碳对模具寿命的影响。

使用和维护

模具在使用过程中，受到加热和冷却的交替作用，表面和心部由于温度变化而产生交变的应力和应变，经过频繁使用，表面出现微小裂纹并不断延伸，最终导致模具断裂失效，因此，必须在使用前对模具进行充分的预热。我们为此设计了专用的预热加热器(图10)，预热到200～250℃左右，减小了模具与坯料之间的温差，防止了裂纹的产生，进而达到了延长模具使用寿命的目的。

图10 模具预热加热器

模具的正确使用和日常精心的保养、维护也是延长模具使用寿命的有效措施。比如采用适当的润滑剂(建议采用高纯度、细分子的水基石墨乳)，可减少摩擦系数，变形抗力下降30%～40%，减轻了模具的磨损，防止了模具的非正常断裂。同时，为防止模具温度过高，热作模具必须采用冷却措施，生产实践证明，正确而有效的冷却对提高模具的使用寿命很有帮助。

模具的应用

硬度

采用真空淬火＋两次回火的热处理工艺后，模具的硬度可达42～47HRC，且分布均匀。4Cr2MoVNi含碳量较低，焊接修复性更好。其与DIN1.2714钢热处理后的硬度对比见表4。

金相组织

在重点控制热处理工艺后，收到了明显的效果，热处理工艺优化前后的金相组织对比如图11所示。

图11 热处理工艺优化前后的金相组织对比

表4 模具硬度检测值 (单位：HRC)

表5 模具寿命统计

表6 模具经济效益对比

使用寿命

引进的模具设计寿命为2000件，实际使用时锻造钢轨920件就发生型腔开裂，而通过国产化技术创新研发的模具，锻造钢轨3600件未断。详细数据见表5。

经济效益

原模具使用寿命为2000件/套，优化后的模具使用寿命为3600件/套，按照我公司年产2600组计算，模具经济效益分析见表6。

结束语

采用材料牌号为4Cr2MoVNi电渣重熔钢锭作为模块，设计了模具电加热预热系统，采用自导向飞边槽模具结构，解决了上下模错位的难题，通过仿真分析和结构优化设计，模具应力降低了24%，使用寿命显著提高，与进口模具相比使用寿命提高了3倍，因此4Cr2MoVNi电渣重熔钢用于钢轨跟端整体式锻造模具具有良好的经济性和使用性。