摘要：针对49E1A1断面钢轨成型为BS90AM断面钢轨跟端的锻造工艺问题，通过理论分析、计算两种轨型的轨头、轨腰、轨底各个部位的锻造比，绘制锻件图，模具三维造型与有限元模拟验证。最后制作模具进行了实物试生产验证，制定了一种适用于工厂化批量高效生产的典型热模锻工艺。
关键字：49E1A1 BS90AM 钢轨跟端 模锻成型
一、前言
铁路道岔中的尖轨，一般采用非对称矮型特种断面钢轨制造，实际使用中尖轨尖端为自由态，而跟端需要与岔区外的标准断面钢轨采用夹板栓接或焊联实现无缝化。因此，尖轨跟端就需要采用热模锻工艺压制成型出一段与标准钢轨相同截面的锻压段（由成型段与过渡段组成，见图1）。某城市地铁道岔设计中尖轨采用了欧标49E1A1钢轨，其跟端需要与BS90AM钢轨焊联，实现岔区的无缝化。该轨型的热模锻，为行业内首次涉及，因此，需要进行跟端热模锻成型工艺的开发。
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图1 钢轨压型跟端
二、产品概况
49E1A1钢轨与BS90AM钢轨的断面尺寸见图2所示：
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图2 49E1A1-BS90AM钢轨断面尺寸对比
根据两种轨型的断面尺寸差，通过计算轨头、轨腰、轨底的锻造金属余量，设计的BS90AM钢轨成型段断面及各部位断面积与锻造比见下图3，轨头、轨底预留机加工余量，其余部位靠模具压制到位。
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图3 成型段锻毛坯设计尺寸
三、模具设计
1、模具结构形式的确定
目前普遍采用的钢轨跟端热锻成型模具主要有两种结构形式，一种是图4所示的两工位活块组合式结构，一种为图5所示的四工位结构。这两种模具结构各有优缺点，其中两工位结构由于开模成本低，模具加工简单，制造周期短。且成型所需设备吨位小等优势，在跟端成型模具的设计中，普遍采用。尤其适用于小批量新产品的首次试制。因此，本次模具设计采用了这种结构开展模具设计。
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图5 四工位钢轨压型模具
2、热锻模具外形尺寸确定
压型模具的设计是以49E1A1-BS90AM钢轨端部成型段加工图为基础进行的，其关键在于各部热缩尺寸的选择，如果热缩尺寸选择不合适，就会严重影响成品的精度，依据冷锻件图，绘制出热锻件图，模具型腔尺寸按下式计算：
—热锻件尺寸（mm）
—工件冷尺寸（mm） —压型时锻件温度
—线膨胀系数 ℃
由于工件整形过程中各断面尺寸不一，因此其整形温度也不相同，这就要根据实际经验，对计算的L值进行一些修正，一般轨头温度取高些。
3、模具长度确定
该产品设计图纸中压型过渡段长度150mm，成型段长度为225mm，考虑实际生产中锻压段端头成型尺寸不良，因此模具成型段长度较产品设计长度增加150mm。为与现有其他规格模具长度统一，将模具总长定为690mm，其中导向段100mm，过渡段150mm，成型段440mm。
4、成型力核算
以单侧轨腰活块模为例，当作用于上模架的正压力为P时，模具受力见下图6
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图6 轨腰模具受力分解图
由已知条件：
推导得出：
当与成型力大小相等时，才能完成轨件的成型
由锻造变形算力公式：（选自《锻造工艺学》清华大学王祖唐）
—最大锻压力 —应变速度系数，取
—变形方式和摩擦条件影响系数，取
—终锻温度的热强度 —锻件变形部分投影面积
在确定了模具外形尺寸及长度后，将钢轨入模压型长度定为700mm。根据以上数据，即可进行成型力的核算。压型过程分两个工步进行，第一步挤轨腰，镦粗轨头，使轨头，轨腰成型，第二步压轨底，故成型力分别按下式计算：
—最大锻压力
—应变速度系数，取
—变形方式和摩擦条件影响系数，取
—终锻温度的热强度
（第一工步） （第二工步）
—锻件与作用力垂直平面上的投影面积
第一工步：
第二工步：
通过以上计算，采用3000T压力机可完全满足49E1A1-BS90AM钢轨端部成型的试验及生产。
5、绘制三维图并模拟验证
根据上述成型段涉及断面进行模具设计，在建立有限元模拟模型（见图7）时，对模具外形尺寸进行了部分简化，将模具成型段长度缩短为300mm，有限元分析结果见图8—图9。
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图9 有限元模拟结果（纵向）
模拟结果分析：轨底整形结束后，轨腰、轨底成型尺寸均达到产品成型要求，短支侧轨头下颚存在挤伤现象（图9所示），长度约50mm，轨头下颚缺肉。经修改短支预锻模轨头下颚部位尺寸3次，无改善。因此，正式生产时，压型下料需加长至少50mm。
四、工艺试验
1、加热长度及温度的确定：
（1）加热长度的确定：根据产品要求，总变形长度为700mm，我们确定加热长度为800～900mm.
（2）加热温度：本次试验的49E1A1钢轨，材质为R260，参照国内U71Mn材质钢轨的锻前加热工艺，始锻温度定为1150℃，终锻温度850℃。
2、工艺试验
采用3000T框架式油压机上，我们将新制的试验模具装模，进行了压型试验，压制的试件见下图10。
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为了提高锻压段的强度和耐磨性能，我们对试件进行了正火处理(见图11)，针对试验钢轨的材质R260，采取的正火工艺为：箱式电阻炉将工件加热至850℃，保温70min后出炉空冷。
五、试验件性能检测：
对正火后的试件，进行了成型段形式尺寸检测，检测结果见表5。经轨顶面机加工后，按照产品标准要求，对轨顶面硬度进行检测，检测要求见图12，轨底检测结果见表6，轨顶面检测结果见表7。
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说明： 1、成型段轨头帽形与轨底下平面有机加工余量，可满足后续加工要求；
2、成型段轨腰厚度与轨底宽度无需机加工，成型尺寸满足产品零件图要求。
3、试件的实测尺寸与有限元模拟结果基本吻合，且短肢侧轨头下颚的成型质量也与模拟结果接近。
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说明： 对照图12所示检测要求，压型段轨顶面与轨底面的硬度检测结果均达到产品技术要求。
六、结论
1、采用两工位组合式结构模具，能满足49E1A1-BS90AM钢轨跟端的热模锻成型要求；
2、在模具设计中，采用现场生产经验+有限元模拟验证的设计思路，可以缩短新模具的开发周期；
3、采用箱式炉正火的锻后热处理工艺，能满足R260材质49E1A1-BS90AM钢轨跟端的产品性能要求。