CN102189211A - 一体式火车轮轴及其制造锻镦液压机和加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一体式火车轮轴及其制造锻镦液压机和加工方法，主要由车轴和左右车轮构成，其特征是：所述车轴和左右车轮由两端的支承轴、左右车轮及左右车轮之间的连接轴锻镦连接成一体轮轴。其加工方法所述一体式火车轮轴采用锻镦液压机，对阶梯车轴坯料实施上下的垂直保护力和左右水平相向方向的锻镦增力，进行两火一体镦锻成形的方法。有益效果：采用防弯的垂直保护力，彻底打破了传统的长径比1∶2.5的原则，满足了长径比1∶5逐渐过渡到1∶2.5的一体式火车轮轴镦锻工艺要求，仅用两火(6分钟)，即可镦锻成一根整体动车火车轮轴。

Description

一体式火车轮轴及其制造锻镦液压机和加工方法

技术领域

本发明属于火车轮轴加工，尤其涉及一种一体式火车轮轴及其制造锻镦液压机和加工方法。

背景技术

火车车轴、车轮和摇枕侧架是火车三大关键行走部件。车轴的加工技术目前主要有两种：精锻和快锻。这两种工艺的技术含量“看似不算高”，但车轴产品本质上对质量和安全性的内在要求却非常高，从冶炼、锻造、热处理到后续的粗加工、精加工、无损检测等程序，每一步都必须逐个把关。原因就是，如果有一根轴在行走过程中出现断裂，列车就会出现颠覆事故，从而造成无可挽回的影响。两种技术相比较，精锻技术和工艺自动化程度较高，节省轴坯材料和能耗，生产效率高，锻造一根轴只需3-4分钟，但其核心设备精锻机目前仍需进口，设备造价比较高。而快锻技术属于传统的工艺技术，虽然锻打速度相对慢些，完成一根轴需要8-10分钟，消耗材料也多一些，但快锻机组国产化较早，技术也非常成熟，设备投资成本较低。两种技术均能满足目前市场对产品质量的要求。现在车轮轮毂是使用铸钢制作的，用高速车轮钢先经过熔炼，铸入模子中，而成轮毂。然后经过粗加工-精加工-退火等一系列工艺而成。车轮与车轴的连接是经过热压而成，既将轮子加热400℃度以上，通过压力机将轮子压进轮轴，冷却后，由于轮毂的冷收缩与轴紧紧地连在一起。不但耐磨，而且牢固可靠。可以看出，火车轮轴是由五个零件经铸、锻(火车外圈和轴是锻件，中间轮毂是铸件)分别逐件经过机加工后，再经压装而成。制造一根火车车轮需要经过铸造、锻造和机加工等非常繁多及复杂的工序才能完成。设备多、人员多，它需经立车、铣、镗、普通车床、精车、磨床等多台机加工设备加工而成。机加工精度要求较高，费时、费料；而且经轮轴压装机压装而成整体火车轮轴，重量大，精度及强度相对较低。随着铁路运输业的高速发展，火车轮轴的需求量非常大。但是国内外传统火车轮轴的制造工艺复杂、生产效率较低，远远不能满足铁路运输“提速重载”的战略思路的要求。

锻造技术已经发展多年，火车轮轴也一直在运用锻造工艺。为什么多年来仍然采用多个零件分开加工再进行组装的复杂工艺呢？最主要的原因是锻造工艺经过几代人的经验总结，已确定了一种不可逾越的设计原则：锻造工艺的长径比必须小于1∶2.5。因此，长期以来，在锻镦生产中，技术人员均按照长径比1∶2.5的原则设计锻造工艺以及模具和锻压机床。因此，目前国内外没有可以满足镦锻整体火车轮轴工艺要求的大中型锻压设备。

目前不论是垂直锻造机床，还是多向模锻机床均无法加工一体式火车轮轴。垂直锻造只能锻造一面车轮，另一面车轮则无法完成；多向模锻机床的水平油缸锻造压力太小，若要满足火车轮轴的加工，必须加大油缸，占地面积庞大，不现实。专利技术(申请号ZL200510013222.8)公开了一种曲轴弯曲镦锻专用液压机，其特征在于：在活动梁两侧下部均对称安装有其另一端与左、右上功能箱相连接的可通过活动梁的上、下位移推动左、右下功能箱水平相向位移的增力臂杆。不必无限增大油缸，即可使水平压力数倍增加。但是该液压机在具有弯曲曲轴功能的上弯曲模、下弯曲模两侧对称相向安装有两个由固装在机架上的锁模油缸提供工作压力的可锁合上弯曲模与下弯曲模的摆动卡块式锁模装置。上弯曲模、下弯曲模合模后的锁模力由摆动卡块式锁模装置提供。上述专用液压机可以为锻造一体式火车轮轴提供四个方向的挤压力。但是锻造工艺的长径比仍小于1∶2.5，若超出则会产生变形或弯曲。为了适应目前铁路运输业的高速发展，火车轮轴制造行业亟待进行技术改造，提升装备水平，提高火车轮轴产品的生产效率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种一体式火车轮轴及其制造模锻液压机和加工方法，为满足锻镦整体火车轮轴的工艺要求，改进的锻镦液压机，去掉结构复杂的摆动卡块式锁模装置，采用液压保压延时控制方法，既可以提供液压控制的上下垂直锁模保护力，又可以提供两个相向水平锻镦增力。突破了传统的长径比1∶2.5的设计原则，满足了长径比1∶5逐渐过渡到1∶2.5的镦锻一体式火车轮轴工艺要求，仅用两火(6分钟)，即可镦锻成一根整体动车火车轮轴。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种一体式火车轮轴，主要由车轴和左右车轮构成，其特征是：所述车轴和左右车轮由两端的支承轴、左右车轮及左右车轮之间的连接轴锻镦连接成一体轮轴。

一种镦锻一体式火车轮轴的锻镦液压机，其特征是：主要由上、下半圆式保护模具、上、下垂直保护油缸、镦锻油缸、下横梁、活动梁、左右上功能箱、左右下功能箱、左右下功能箱移动缸、活动工作台构成，所述镦锻油缸与活动梁上部固接，所述活动梁两侧下部分别通过对称的增力臂杆与左右上功能箱固接，所述下垂直保护油缸与下横梁的中心部位固接，所述下垂直保护油缸的活塞顶端固接有连接母，所述连接母上端径向设有T形通槽，所述连接母的T形通槽与连接下半圆式保护模具的顶模杆下端的T形块插接。

一种镦锻一体式火车轮轴的加工方法，其特征是：所述一体式火车轮轴采用锻镦液压机，对阶梯车轴坯料实施上下的垂直保护力和左右水平相向方向的锻镦增力，进行两火一体镦锻成形的方法。

所述镦锻一体成形的具体加工工艺步骤如下：

一、坯料制造：按设计标准锻造出由ab，cd段车轮镦粗部分，bc段连接轴部分，ed，df段支承轴部分五段构成的阶梯车轴坯料；

二、锻镦模具的安装

锻镦液压机的上、下垂直保护油缸的活塞顶端分别通过顶模杆与半圆式保护模具连接；锻镦液压机活动工作台上的左下功能箱内放置下半只锻镦凹模，对应的左上功能箱内放置上半只锻镦凹模，右下功能箱内置有下半只锻镦凸模，对应的右上功能箱内置有上半只锻镦凸模，锻镦凹凸模具外侧分别固接固定块，右上下功能箱内对应阶梯车轴坯料bc段连接轴的位置设置支撑块；

三、第一火锻镦车轮：

1、将阶梯车轴坯料的ab段车轮镦粗部分置于中频加热炉中局部加热，加热温度1100℃-1250℃，将加热后的阶梯车轴坯料吊装到左、右下功能箱内的凹凸模具之间位置；

2、第一火锻镦左车轮：启动锻镦液压机的液压系统，上、下半圆式保护模具分别通过上、下垂直保护油缸，同时向阶梯车轴坯料中心运动，上、下半圆式保护模具运动到阶梯车轴坯料的ab段车轮镦粗部分1/2处，对其进行局部夹持，形成上下垂直保护力；同时，锻镦液压机的镦锻油缸推动活动梁带动左、右上功能箱向下运动，并推动四组增力臂杆产生向液压机中心移动的相向、对称水平增力，开始镦粗阶梯车轴坯料的ab段车轮镦粗部分；

3、上、下垂直保护油缸对镦粗坯料中部的局部夹持力通过液压系统提供保压延时，时间为0.5-1分钟，保压至镦粗工序进行到1/3行程时，上、下垂直保护油缸带动保护模具各自退出；镦锻油缸推动活动梁继续下行，达到指定位置，使凹凸模具压合，锻镦左车轮完全成形，即完成第一火锻镦左车轮工序；

四、第二火锻镦车轮：

1、将阶梯车轴坯料的cd段车轮镦粗部分置于中频加热炉中局部加热，加热温度1100℃-1250℃，将加热后的阶梯车轴坯料吊装到左、右下功能箱内的凹凸模具之间位置；

2、第二火锻镦右车轮：启动锻镦液压机的液压系统，上、下半圆式保护模具分别通过上、下垂直保护油缸，同时向阶梯车轴坯料中心运动，上、下半圆式保护模具运动到阶梯车轴坯料的cd段车轮镦粗部分1/2处，对其进行局部夹持，形成上下垂直保护力；同时，锻镦液压机的镦锻油缸推动活动梁带动左、右上功能箱向下运动，并推动四组增力臂杆产生向液压机中心移动的相向、对称水平增力，开始镦粗阶梯车轴坯料的cd段车轮镦粗部分；

3、上、下垂直保护油缸对镦粗坯料中部的局部夹持力通过液压系统提供保压延时，时间为0.5-1分钟，保压至镦粗工序进行到1/3行程时，上、下垂直保护油缸带动保护模具各自退出；镦锻油缸推动活动梁继续下行，达到指定位置，使凹凸模具压合，锻镦右车轮完全成形，即完成第二火镦粗右车轮工序。

有益效果：改进的锻镦液压机，去掉结构复杂的摆动卡块式锁模装置，采用液压保压延时控制方法，既可以提供液压控制的上下垂直锁模保护力，又可以提供两个相向水平锻镦增力。锻镦液压机提供的上、下、左、右四个力。一对水平增力负责镦粗；另一组上下垂直力负责防弯保护。工作时，使得两个车轮可以轻易镦粗成活，采用防弯的垂直保护力，突破了传统的长径比1∶2.5的设计原则，满足了由长径比1∶5逐渐过渡到1∶2.5的一体式火车轮轴镦锻工艺要求，仅用两火(6分钟)，即可镦锻成一根整体动车火车轮轴。

附图说明

图1是本发明采用镦锻专用液压机床的结构示意图；

图1A是图1的俯视图；

图2是阶梯车轴坯料的结构示意图；

图3是整体镦锻成形轮轴与车轮的结构示意图；

图4是凸模的结构示意图；

图5是凹模的结构示意图；

图6是固定块的结构示意图；

图7、图8是左轮镦锻成形的结构示意图；

图9、图10是右轮镦锻成形的结构示意图；

图11是支撑块的结构示意图；

图12是固定在下横梁上的下垂直保护油缸结构示意图。

图中：1、镦锻油缸，2、上垂直保护油缸，3、活动梁，4、凸模，5、增力臂杆，6、左右上功能箱，7、凹模，8、上半圆式保护模具，9、阶梯轴坯料，10、下半圆式保护模具，11、左右下功能箱，12、活动工作台，13、左右下功能箱移动缸，14、下垂直保护油缸，15、下横梁，16、连接母，17、T形通槽，18、顶模杆，19、T形块，20、固定块，21、支撑块，1-1、1-2支承轴，1-3、连接轴，2-2、2-3、左、右车轮。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。如图所示，一种一体式火车轮轴，主要由车轴和左右车轮构成，所述车轴和左右车轮由两端的支承轴1-1、1-2，左、右车轮2-2、2-3及左右车轮之间的连接轴1-3锻镦连接成一体轮轴。图2中，ab，cd段为车轮镦粗部分，bc段为连接轴段，ed，df段为支承轴段。

一种镦锻一体式火车轮轴的锻镦液压机，主要由上、下半圆式保护模具8、10、上、下垂直保护油缸2、14、镦锻油缸1、下横梁15、活动梁3、左右上功能箱6、左右下功能箱11、左右下功能箱移动缸13、活动工作台12构成，所述两只或四只镦锻油缸与活动梁上部固接，所述活动梁两侧下部分别通过对称的增力臂杆5与左右上功能箱固接，所述下垂直保护油缸与下横梁的中心部位固接，所述下垂直保护油缸的活塞顶端固接有连接母16，所述连接母上端径向设有T形通槽17，所述连接母的T形通槽与连接下半圆式保护模具的顶模杆18下端的T形块19插接。

一种镦锻一体式火车轮轴的加工方法，所述一体式火车轮轴采用锻镦液压机，对阶梯车轴坯料实施上下的垂直保护力和左右水平相向方向的锻镦增力，进行两火一体镦锻成形的方法。

所述镦锻一体成形的具体加工工艺步骤如下：

一、坯料制造：按设计标准锻造出由ab，cd段车轮镦粗部分，bc段连接轴部分，ed，df段支承轴部分五段构成的阶梯车轴坯料9；

二、锻镦模具的安装

锻镦液压机的上、下垂直保护油缸的活塞顶端分别通过顶模杆与半圆式保护模具连接；锻镦液压机活动工作台上的左下功能箱内放置下半只锻镦凹模，对应的左上功能箱内放置上半只锻镦凹模7，右下功能箱内置有下半只锻镦凸模，对应的右上功能箱内置有上半只锻镦凸模4，锻镦凹凸模具外侧分别固接固定块20，右上下功能箱内对应阶梯车轴坯料bc段连接轴的位置设置支撑块21；

三、第一火锻镦车轮：

1、将阶梯车轴坯料的ab段车轮镦粗部分置于中频加热炉中局部加热，加热温度1100℃-1250℃，将加热后的阶梯车轴坯料吊装到左、右下功能箱内的凹凸模具之间位置；

2、第一火锻镦左车轮：启动锻镦液压机的液压系统，上、下半圆式保护模具分别通过上、下垂直保护油缸，同时向阶梯车轴坯料中心运动，上、下半圆式保护模具运动到阶梯车轴坯料的ab段车轮镦粗部分的1/2处，对其进行局部夹持，形成上下垂直保护力；同时，锻镦液压机的镦锻油缸推动活动梁带动左、右上功能箱向下运动，并推动四组增力臂杆产生向液压机中心移动的相向、对称水平增力，开始镦粗阶梯车轴坯料的ab段车轮镦粗部分；

3、上、下垂直保护油缸对镦粗坯料中部的局部夹持力通过液压系统提供保压延时，时间为0.5-1分钟，保压至镦粗工序进行到1/3行程时，上、下垂直保护油缸带动保护模具各自退出；镦锻油缸推动活动梁继续下行，达到指定位置，使凹凸模具压合，锻镦左车轮完全成形，即完成第一火锻镦左车轮工序；

四、第二火锻镦车轮：

1、将阶梯车轴坯料的cd段车轮镦粗部分置于中频加热炉中局部加热，加热温度1100℃-1250℃，将加热后的阶梯车轴坯料吊装到左、右下功能箱内的凹凸模具之间位置；

2、第二火锻镦右车轮：启动锻镦液压机的液压系统，上、下半圆式保护模具分别通过上、下垂直保护油缸，同时向阶梯车轴坯料中心运动，上、下半圆式保护模具运动到阶梯车轴坯料的cd段车轮镦粗部分1/2处，对其进行局部夹持，形成上下垂直保护力；同时，锻镦液压机的镦锻油缸推动活动梁带动左、右上功能箱向下运动，并推动四组增力臂杆产生向液压机中心移动的相向、对称水平增力，开始镦粗阶梯车轴坯料的cd段车轮镦粗部分；

3、上、下垂直保护油缸对镦粗坯料中部的局部夹持力通过液压系统提供保压延时，时间为0.5-1分钟，保压至镦粗工序进行到1/3行程时，上、下垂直保护油缸带动保护模具各自退出；镦锻油缸推动活动梁继续下行，达到指定位置，使凹凸模具压合，锻镦右车轮完全成形，即完成第二火镦粗右车轮工序。

固定块与支撑块分别为上下开合的两个半圆块构成。固定块的作用是将凹、凸模固定到固定块上。固定块可以减少制作凸凹模贵重模具钢的使用，节约模具成本，可长期重复使用。固定块用螺钉紧固固定到功能箱上；支撑块的作用是支撑坯料在功能箱上使坯料不倾翻。

工作过程：

详见附图，把阶梯车轴坯料ab段放在中频加热炉中进行局部加热，加热温度1100℃-1250℃，吊装到活动工作台左、右下功能箱位置(活动工作台已经开出液压机中心在右边)阶梯车轴坯料9放好后，活动工作台开回到液压机中心，开始准备镦粗车轮(第一火)，活动梁、上、下半圆式保护模具同时向液压机中心运动。活动梁向下运动靠锻镦油缸推动，锻镦油缸柱塞底部与活动梁上部连接为球形面铰接，锻镦油缸有四组，对称固定在液压机活动梁上，上半圆式保护模具向下运动靠上垂直保护油缸推动，上垂直保护油缸底部与上半圆式保护模具连接，下半圆式保护模具向上运动靠下垂直保护油缸推动，下垂直保护油缸固定在液压机下横梁上，上、下半圆式保护模具运动到坯料预定位置停止，液压机活动梁内部对称安装四组增力臂杆推动活动横梁向下运动，使铰接于活动梁臂杆推动上功能箱凸块结构带动下功能箱凹槽产生相向的、对称的，同时向液压机中心移动的水平增力。增力可达数倍；采用保压延时，时间为0.5-1分钟，保压至镦粗工序进行到1/3行程时，上、下半圆式保护模具在镦粗车轮部分的中部进行局部夹持，在镦粗进行1/3行程时，此时镦粗的长径比已过渡到1∶2.5以下，此时再继续镦粗，车轮镦粗部分已不会变弯。上、下半圆式保护模具各自退出，活动梁继续下行，达到指定位置，便完成第一火镦粗左车轮的工作；第二火压机的动作顺序与上面的叙述基本一样。锻镦设计的长径比可达1∶5。液压机的镦锻油缸压力为三千吨，通过四组增力臂杆产生的水平增力为1.4万吨，上、下垂直保护油缸的工作压力为580吨。

工作原理：

采用具有四个方向挤压力，即上下垂直保护力及左右水平相向方向锻镦增力的镦锻液压机。车轴毛坯棒料在镦粗过程中，ab，cd段车轮镦粗部分的长度为1.2m、直径为350mm，长径比大于1∶2.5，毛坯棒料在逐渐变粗的同时，坯料的中部就会开始弯曲(坯料变弯，则镦粗就不能进行)，此时利用液压机的上、下半圆式保护模具的预设园形弧面(比毛坯棒料直径大一些)实施上下垂直的保护力，限制毛坯棒料在镦粗过程中变弯。工艺设计：上、下半圆式保护模具通过液压系统提供保压延时(保压0.5-1分钟)，上下保护模具起着保护坯料能够正常的由长径比1∶5逐渐过渡到1∶2.5以下(上、下半圆式保护模具的保护长度约占镦粗坯料长度的1/4)保护的位置是车轮镦粗坯料长度的1/2处，即上、下半圆式保护模具所在的位置就是长径比小于1∶2.5的位置。工艺的关键之处在于坯料锻镦的长径比可以达到1∶5，再由长径比1∶5逐渐过渡到1∶2.5以下，才能保证火车轮轴的单个车轮能一火锻压成型。上、下半圆式保护模具的液压锁模控制采用常规的液压设计系统。在液压油缸进液排液的回路中用插装阀控制；同时，在回路中进排液口用两个液控单向阀锁住，经过两个措施即可保证上下弯曲模进出油口不漏油，从而保证在保压0.5-1分钟期间不掉压，通过溢流阀调定阈值压力，超过阈值压力，溢流阀工作，保证系统安全，保证液压锁模安全可靠。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种一体式火车轮轴，主要由车轴和左右车轮构成，其特征是：所述车轴和左右车轮由两端的支承轴、左右车轮及左右车轮之间的连接轴锻镦连接成一体轮轴。

2.一种镦锻一体式火车轮轴的锻镦液压机，其特征是：主要由上、下半圆式保护模具、上、下垂直保护油缸、镦锻油缸、下横梁、活动梁、左右上功能箱、左右下功能箱、左右下功能箱移动缸、活动工作台构成，所述镦锻油缸与活动梁上部固接，所述活动梁两侧下部分别通过对称的增力臂杆与左右上功能箱固接，所述下垂直保护油缸与下横梁的中心部位固接，所述下垂直保护油缸的活塞顶端固接有连接母，所述连接母上端径向设有T形通槽，所述连接母的T形通槽与连接下半圆式保护模具的顶模杆下端的T形块插接。

3.一种镦锻一体式火车轮轴的加工方法，其特征是：所述一体式火车轮轴采用锻镦液压机，对阶梯车轴坯料实施上下的垂直保护力和左右水平相向方向的锻镦增力，进行两火一体镦锻成形的方法。

4.根据权利要求3所述的镦锻一体式火车轮轴的加工方法，其特征是：所述镦锻一体成形的具体加工工艺步骤如下：

一、坯料制造：按设计标准锻造出由ab，cd段车轮镦粗部分，bc段连接轴部分，ed，df段支承轴部分五段构成的阶梯车轴坯料；

二、锻镦模具的安装

锻镦液压机的上、下垂直保护油缸的活塞顶端分别通过顶模杆与半圆式保护模具连接；锻镦液压机活动工作台上的左下功能箱内放置下半只锻镦凹模，对应的左上功能箱内放置上半只锻镦凹模，右下功能箱内置有下半只锻镦凸模，对应的右上功能箱内置有上半只锻镦凸模，锻镦凹凸模具外侧分别固接固定块，右上下功能箱内对应阶梯车轴坯料bc段连接轴的位置设置支撑块；

三、第一火锻镦车轮：

1、将阶梯车轴坯料的ab段车轮镦粗部分置于中频加热炉中局部加热，加热温度1100℃-1250℃，将加热后的阶梯车轴坯料吊装到左、右下功能箱内的凹凸模具之间位置；

2、第一火锻镦左车轮：启动锻镦液压机的液压系统，上、下半圆式保护模具分别通过上、下垂直保护油缸，同时向阶梯车轴坯料中心运动，上、下半圆式保护模具运动到阶梯车轴坯料的bc段连接轴部分，对其进行局部夹持，形成上下垂直保护力；同时，锻镦液压机的镦锻油缸推动活动梁带动左、右上功能箱向下运动，并推动四组增力臂杆产生向液压机中心移动的相向、对称水平增力，开始镦粗阶梯车轴坯料的ab段车轮镦粗部分；

3、上、下垂直保护油缸对镦粗坯料中部的局部夹持力通过液压系统提供保压延时，时间为0.5-1分钟，保压至镦粗工序进行到1/3行程时，上、下垂直保护油缸带动保护模具各自退出；镦锻油缸推动活动梁继续下行，达到指定位置，使凹凸模具压合，锻镦左车轮完全成形，即完成第一火锻镦左车轮工序；

四、第二火锻镦车轮：

1、将阶梯车轴坯料的cd段车轮镦粗部分置于中频加热炉中局部加热，加热温度1100℃-1250℃，将加热后的阶梯车轴坯料吊装到左、右下功能箱内的凹凸模具之间位置；

2、第二火锻镦右车轮：启动锻镦液压机的液压系统，上、下半圆式保护模具分别通过上、下垂直保护油缸，同时向阶梯车轴坯料中心运动，上、下半圆式保护模具运动到阶梯车轴坯料的bc段连接轴部分，对其进行局部夹持，形成上下垂直保护力；同时，锻镦液压机的镦锻油缸推动活动梁带动左、右上功能箱向下运动，并推动四组增力臂杆产生向液压机中心移动的相向、对称水平增力，开始镦粗阶梯车轴坯料的cd段车轮镦粗部分；

3、上、下垂直保护油缸对镦粗坯料中部的局部夹持力通过液压系统提供保压延时，时间为0.5-1分钟，保压至镦粗工序进行到1/3行程时，上、下垂直保护油缸带动保护模具各自退出；镦锻油缸推动活动梁继续下行，达到指定位置，使凹凸模具压合，锻镦右车轮完全成形，即完成第二火镦粗右车轮工序。

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