中国铁建高新装备有限公司研究设计院 杨育贤
摘要：本文介绍了中国铁建高新装备股份有限公司为某国铁路开发的新型捣固车起拨道装置用的夹轨轮。在夹轨轮的加工过程中，我们对夹轨轮的轮缘淬火热处理方法进行了工艺攻关，确保夹轨轮的生产顺利完成，达到设计要求。首先，新型宽轨道岔捣固车起拨道装置较原先的起拨道装置结构有突破性的创新，夹轨轮的工作面和工作方式产生了改变，其高频淬火面有所增加。由于轮缘比较薄，既要保证硬度，又要保证有足够的韧性防止脆裂，高频淬火工艺要求更高。其次，本企业传统的热处理工艺方法和工装无法满足加工要求，外协单位也无法解决此问题。通过对夹轨轮结构的分析，结合本厂高频淬火设备状况，决定使用本厂现有的一台高频淬火设备进行热处理方法研究。经过多轮反复的工艺论证，确定了热处理工装方案及工艺方案，又通过在加工过程中的不断完善、修订，最终将夹轨轮加工完成，完全满足设计要求，并交付用户。
关键词 夹轨轮 ；高频淬火 ；热处理 ；起拨道装置 ；工艺
前言：某新型捣固车是我公司为打开国门开拓海外市场，与某国签订了采购合同，2019年至今一直在研制适用于某国国情的铁路养护装备。基于公司的发展战略，此项目是公司战略目标实现的重大举措之一，因此公司对待此项目必须做到精益求精，研制高品质、高精度和高可靠性的产品，提升国际化形象和品牌。
新型捣固车项目装车试验后，发现夹轨轮轮缘磕碰、磨损严重，这一问题对捣固车正常作业和整车安全产生了极大影响。主要问题是委托外协单位加工的夹轨轮和滚轮轮缘及其底部硬度不足产生了磕碰、磨损等问题，从而影响整车作业质量。为解决这一问题，我们对夹轨轮轮缘淬火热处理工艺方法进行技术攻关。目的是提高夹轨轮和滚轮轮缘及其底部硬度，要求淬硬深度不能过深，保证芯部有一定的韧性，实现夹轨轮和滚轮技术设计要求。此次装车被磨损的配件有两种，夹轨轮和滚轮，并对其数量进行了统计，如下表所示：
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1夹轨轮的结构和工艺分析
本起拨道装置使用到的夹轨轮有两种，一种是大夹轨轮，装于左右安装座上，另一种是小夹轨轮，装于左右单夹钳上。
两种夹轨轮除了大小区别形状基本类似，工艺路线一致，工艺路线如下：
锯削下料 ——锻造——热处理（正火）——粗车——调质——精车——铣键槽——高频淬火——发蓝——磨削——探伤——检验
夹轨轮的设计与原夹轨轮设计工艺上最大的区别在于高频淬火范围有变动，如下图所示：
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外协厂家在最先加工时由于未注意到其高频淬火范围的变化，还是按原范围加工，导致夹轨轮在过鱼尾板时磕伤，如下图所示：
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外协厂家在按新图图示范围进行高频淬火后，由于淬硬深度过深出现脆裂现象。分析原因为外协厂家高频淬火机功率不足淬火时间过长导致。
2热处理方法研究
2.1解决措施
解决措施：1、由于本厂的高频淬火设备功率较高，可以进行试验。2、试验完成对淬硬层深度、硬度和范围做检测，用检测结果判断可行性。
本厂试验用的高频淬火设备功率为200KW,由于上下两面均需进行高频淬火，需制作感应线圈分别对两面加热。分两道工步，先对上表面有硬度要求的范围进行高频淬火；然后更换感应线圈对底面有硬度要求的范围进行高频淬火，另外还需采用喷水圈来进行冷却。当执行第二道工步对底面进行高频淬火时，同时对底面和侧面喷淬火冷却液降温，以防已淬硬表面因受热回火硬度降低和淬硬层过深。
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原图纸高频淬火位置
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新图纸高频淬火位置
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2.2制作感应线圈
由于较以前的夹轨轮新增加了面3、面4、面5进行高频感应淬火，经过对高频淬火范围的整体分析，经研究决定分三次对该夹轨轮进行淬火。
针对新增加的面3、面4、面5热处理没有适用的感应线圈，根据夹轨轮结构、尺寸采用铜管通过下料、钳工、焊接等工序制作了两个新的感应线圈，即2#感应线圈、3#感应线圈，1#为原感应线圈。
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感应线圈
2.3生产方案
制定的生产方案为由上至下分三次进行高频感应淬火，具体生产步骤流程见下图：
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由于高频感应淬火属于快速加热快速冷却，且淬火后硬度较高，在空气中放置时间长易开裂，淬火后及时回火可减少或消除淬火内应力。因此，为避免工件开裂每次高频淬火完后都将及时回火，回火后才能进行下一次淬火。
2.4设置生产工艺参数
通过研究讨论制定了生产方案。制定的方案除了制作感应线圈、喷水圈，调整感应线圈、喷水圈位置，还对淬火过程进行重新编程，调整设备的功率、电流，淬火温度及加热时间、喷水时间等生产参数，以保证夹轨轮、滚轮硬度满足工艺要求。夹轨轮高频淬火程序中重要生产参数设置：加热时间为20秒，冷却时间20秒。
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5、无损探伤检验
该夹轨轮属于A类件，也属于八防件，严禁生产过程中产生裂纹缺陷。因此，该工件高频感应淬火后需进行了无损探伤检验，探伤发现部分夹轨轮面3与面1交接处A产生了裂纹，如图所示。
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探伤裂纹
针对首批试制夹轨轮生产裂纹这一问题，对产生裂纹的原因进行分析。经过深入思考研究，得出第一次对面3加热淬火，第二次对面1、2、4加热淬火，两次加热会出现1、3两面交界A处重复加热，第二次加热时相当于对A处进行了退火后又淬火处理，使其热应力增加，导致产生裂纹。
2.5改进生产方案
基于第一种生产方案高频感应淬火后工件产生裂纹，通过研究分析找出原因后进行了生产方案改进，为避免A处产生裂纹，主要对生产步骤进行了调整。具体生产步骤流程如下：
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生产方案改进后，考虑到1#感应线圈垂直面高度刚好能保证面1完成淬火，后期生产中为保证交接处A有淬硬层及硬度，又要避免第二次对面3淬火后不会对A处进行退火。经过分析及讨论决定将1#感应线圈垂直面的高度加高，使其在对面1进行加热时可以将交接处向面3处多加热一段距离。而将2#感应线圈的直径缩小，使其对面3进行加热时一方面保证将面3全部加热，一方面尽量远离A处，以避免对A 处进行退火。
生产过程中第二次对面3进行淬火时为避免对A处及面1进行退火，加热面3时有一个喷水圈一直对面1进行喷水，以保证A处及面1处于低温状态。另一个喷水圈对面3进行喷水冷却。因此，该夹轨论的高频感应淬火喷水系统为双喷水圈设置。
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第三次对面5进行加热淬火时也存在上述情况，吸取A处产生裂纹的教训及经验，同样采用双喷水圈设置，对面5进行加热时有一个喷水圈一直对面4喷水冷却，以保证面4及交接处不产生退火。
采用改进后的生产方案对该类夹轨轮进行高频感应淬火并低温回火后，经探伤检验交接处A未生产裂纹。并对易磕碰、磨损的轮缘及底部做切片检验，检验结果显示淬硬层及硬度均满足工艺要求。
2.6理化检验
采用改进后的生产方案对夹轨轮进行二次试制，工件高频感应淬火及低温回火完成后送理化室进行切片检验，查看其淬硬层深度及硬度。根据夹轨轮磕碰、磨损位置为轮缘及底部，主要对这两个部位进行了切片检验，并获得检验结果报告。切片试样如下图所示：
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切片试样
（1）由下图可看出切片试样1处淬硬层有效深度达约4.2mm。
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（2）由下图可看出切片试样2处淬硬层有效深度达约3mm。
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（3）由下图可看出切片试样3处淬硬层有效深度达约 1.05mm。
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3生产验证
3.1 5月份批量生产情况
在前期试验成功的基础上，5月份生产一批该夹轨轮和滚轮，采用为该夹轨轮、滚轮特制的感应线圈、喷水圈，特设的功率、加热时间、冷却时间等参数，该批夹轨轮、滚轮高频淬火后的硬度满足工艺要求，且即均匀又稳定。
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由上表可得，采用试验成功的生产方案对该种滚轮、夹轨轮进行生产，其合格率基本可达100%，高频淬火、回火后进行硬度检测，各工件硬度均满足工艺要求。
3.2 6月份批量生产情况
在前期试验成功的基础上，6月中旬又生产一批该夹轨轮，采用为该夹轨轮特制的感应线圈、喷水圈，特设的功率、加热时间、冷却时间等参数，该批夹轨轮高频淬火后的硬度满足工艺要求，且即均匀又稳定。
（1）6月接收到工件种类及数量：
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由上表可得，采用试验成功的生产方案对该种滚轮、夹轨轮进行生产，其合格率可达100%，高频淬火、回火后进行硬度检测，各工件硬度均满足工艺要求。经过5、6两个月的批量生产，工件质量都比较稳定，后期将继续对生产方法进行巩固，并对生产过程进行监督。
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（2）4种滚轮高频淬火回火后的硬度，图纸要求为HRC45-50,实测硬度均在图纸要求范围内。
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（3）2种夹轨轮高频淬火回火后的硬度，图纸要求为HRC45-50,实测硬度均在图纸要求范围内。
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3.3 7月份批量生产情况
在前期试验成功及5、6月份批量生产质量稳定的基础上，7月份生产一批该夹轨轮。为持续检验及巩固其生产方法，仍采用为该夹轨轮特制的感应线圈、喷水圈，特设的功率、电流、加热时间、冷却时间等参数对所接收夹轨轮进行高频淬火。生产后对该批夹轨轮进行硬度检测，其高频淬火、回火后的硬度均满足工艺要求，且即均匀又稳定。
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由上表可得，采用试验成功的生产方法对该种滚轮、夹轨轮进行生产，其合格率可达100%，高频淬火、回火后进行硬度检测，各工件硬度均满足工艺要求。经过5、6、7三个月的批量生产，工件质量都比较稳定，后期将继续对生产方法进行巩固，对生产过程进行监督。
根据最近三个月的生产统计可得，该夹轨轮图纸要求的高频淬火范围硬度均已达到工艺要求，且后期未得到该夹轨轮损坏的反馈。
4结语
该类夹轨轮为耗损件，需要定期更换。通过本次工艺攻关改进后，一定程度上延长了每件夹轨轮使用寿命，减少了其更换频次，一定程度上节省了生产成本。解决了夹轨轮易磨损的问题，确保其在使用中质量可靠。出厂到客户手中使用，产品满足客户需要，获得客户好口碑，为企业在市场上树立好形象、赢得好声誉。该类型夹轨轮、滚轮的高频感应淬火生产过程对同一个工件进行多次高频感应淬火，以及采用双喷水圈的生产方案可引用到其他结构复杂的工件高频感应淬火生产中。解决了夹轨轮易损耗的实际质量难题，使员工的自身智慧和创造力转化成了企业的效应，充分发挥了企业人才的价值。不足之处：本次改进方案中，夹轨轮、滚轮的面与面交接处存在部分软带。为改善这一问题，后期仍将继续探索更好地生产方案。
参考文献
【1】孟少农主编.机械加工工艺手册.机械工业出版社.1998.
【2】成大先主编.机械设计手册.化学工业出版社.2006.
【3】成大先主编.机械加工工艺手册.机械工业出版社.1998.
作者简介：杨育贤.女.1987年10月出生毕业于昆明理工大学机械工程及自动化专业. 2009年7月参加工作.现就职于中国铁建高新装备股份有限公司，主要从事工艺设计、工装设计、产品设计以及现场技术服务工作.