摘要 中文摘要 整體輾鋼車輪以其優(yōu)越的機(jī)械性能以及良好的內(nèi)、外在質(zhì)量，在鐵路運(yùn)輸車輛 上得到了廣泛的應(yīng)用。在整體輾鋼車輪的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，預(yù)成形工步起著重要的作用， 它不僅對(duì)初步形成火車輪形狀，而且對(duì)車輪內(nèi)部質(zhì)量和金屬流線的改善起重要作用。 但是，由于火車車輪形狀較為復(fù)雜，預(yù)成形過程中的成形力和摩擦系數(shù)等工藝參數(shù) 都很難求得精確的理論解，目前其成形工藝和模具的設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和簡單 的理論計(jì)算來完成，有時(shí)甚至要通過多次試生產(chǎn)才能找到較為合理的加工參數(shù)，費(fèi) 時(shí)、費(fèi)力。 本文對(duì)預(yù)成形工藝進(jìn)行了理論分析，建立了鐓粗工步及預(yù)成形工步的數(shù)學(xué)模型 和力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，采用d e f o r m - 3 d 有限元軟件對(duì)預(yù)成形工步進(jìn)行了數(shù)值模 擬。論文分析了不同鐓粗壓下量對(duì)火車車輪預(yù)成形工藝的影響、預(yù)成形過程中的金 屬流動(dòng)規(guī)律及變形區(qū)應(yīng)力、應(yīng)變狀況；對(duì)火車車輪預(yù)成形過程中的重要工藝參數(shù)進(jìn) 行了數(shù)值模擬分析，獲得了這些參數(shù)對(duì)車輪成形的充填情況及成形力的影響。根據(jù) 模擬結(jié)果優(yōu)選參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，將模擬結(jié)果與實(shí)際加工情況進(jìn)行對(duì)比，得出了現(xiàn) 實(shí)加工條件下火車輪預(yù)成形的最佳工藝參數(shù)，并對(duì)車輪成形過程中的常見缺陷提出 了改進(jìn)措施和建議。 通過本文的分析和研究，掌握了火車車輪的預(yù)成形過程的工藝規(guī)律，為其預(yù)成 形工藝方案的確定、成形生產(chǎn)和后續(xù)工藝的研究提供了理論依據(jù)，對(duì)于改進(jìn)火車輪 的鍛造質(zhì)量和生產(chǎn)效率、提高成品率、降低生產(chǎn)成本具有重要的意義。 關(guān)鍵詞：火車車輪；預(yù)成形；數(shù)值模擬；有限元分析 摘要 t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fp r e f o r m i n gi n r a i l w a yw h e e lf o r m i n gp r o c e s s g r a d u a t en a m e ：s o n gg u a n g x i n d i r e c t e db y ：f uj i a n h u a a b s t r a c t i n t e g r a lr o l l i n gw h e e li se x t e n s i v e l yu s e di nv e h i c l e so fr a i lt r a n s p o r t i n g f o ri t se x c e l l e n tm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e sa n di n n e ra n do u t e rq u a l i t i e s p r e f o r m i n gp r o c e s s ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ef o r m i n go f i t sp r e l i m i n a r y s h a p ea sw e l la st h ei m p r o v i n go fi t si n n e rm a t e r i a lq u a l i t i e sa n dm e t a l l i c s t r e a m l i n e s h o w e v e r , b e c a u s et h es h a p eo ft h et r a i nw h e e li sv e r yc o m p l e x ， a c c u r a t et h e o r e t i c a lr e s u l t so ft h e f o r m i n gp r e s s u r e i nt h e p r e f o r m i n g p r o c e s s e sa r ed i f f i c u l tt oo b t a i n ，s u c ha sf o r m i n gf o r c ea n df r i c t i o nc o n d i t i o n s t h e r e f o r e ，t h ef o r m i n gp r o c e s so fw h e e la n dd e s i g no fd i e sa r ea l w a y s c a l c u l a t e db a s e do ne x p e r i e n t i a ld a t aa n d s i m p l e t h e o r i e s p r e s e n t l y s o m e t i m e sr e a s o n a b l ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sh a v et ob eo b t a i n e db yt r i a l p r o d u c t i o nf o rs e v e r a lt i m e s ，w h i c hi saw a s t eo ft i m ea n dp o w e r i nt h i sp a p e r , p r e f o r m i n gp r o c e s sw a sa n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y , t h e m a t h e m a t i c a la n dm e c h a n i c a lm o d e lw e r ee s t a b l i s h e d a n dt h ep r o c e s sw a s n u m e r i c a l l ys i m u l a t e dw i t hf e m s o f t w a r ed e f o r m - 3d t h ei n f l u n c e so f d i f f e r e n tu p s e t t i n gr e d u c t i o n so nt h ep r e f o r m i n gp r o c e s s ，t h em e t a lf l o wr u l e i i i 火車輪預(yù)成形工藝分析及數(shù)值模擬 d u r i n gt h ep r e f o r m i n go ft r a i nw h e e la n dt h es t r a i na n ds t r e s sf i e l do ft h e d e f o r m i n ga r e a sw e r ea l s oa n a l y z e d i m p o r t a n tp a r a m e t e r si nt h ep r e f o r m i n g p r o c e s sa n dt h e i r i n f l u e n c e so nt h e f i l l i n gc o n d i t i o n sa n dt h ef o r m i n g p r e s s u r eh a v eb e e ns t u d i e d t h e nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sh a v eb e e nc o m p a r e d w i t ht h a to ft h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o no n e s ，o p t i m i z e dp a r a m e t e r so ft r a i n w h e e lf o r m i n gu n d e rp r a c t i c a lp r o d u c t i o nh a v eb e e na t t a i n e d m e s e a u r e sa n d s u g g e s t i o n sh a v eb e e np u tf o r w a r db a s e do nt h ec o m m o np r o b l e m si nt h e p r e f o r m i n gp r o c e d u r eo ft r a i nw h e e l t h r o u g ht h es t u d ya n da n a l y s i so ft h i sp a p e r , t h er u l e so ft h ew h e e l p r e f o r m i n gp r o c e s sh a sb e e nm a s t e r e d ，w h i c hp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h ed e t e r m i n a t i o no ft h ep r e f o r m i n gp r o c e s sd e s i g n ，t h ef o r m i n gp r o d u c t i o n a n dt h es u b s e q u e n tp r o c e s so ft h ew h e e l i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h e i m p r o v m e n to ff o r g i n gq u a l i t i e sa n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , t h ei n c r e a s eo f t h e r a t eo ff i n i s h e dp r o d u c t sa n dt h ed e c r e a s eo ft h ep r o d u c t i o nc o s t k e yw o r d s ：r a i l w a yw h e e l ；p r e f o r m i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f e m a n a l y s i s i v 承諾書水話吊 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú) 立完成的，學(xué)位論文的知識(shí)產(chǎn)權(quán)屬于太原科技大學(xué)。如果今 后以其他單位名義發(fā)表與在讀期間學(xué)位論文相關(guān)的內(nèi)容，將 承擔(dān)法律責(zé)任。除文中已經(jīng)注明引用的文獻(xiàn)資料外，本學(xué)位 論文不包括任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的成果。 學(xué)位論文作者( 簽章，：z 事之l 忿。 2 0 0 呂年莎月1 日 第一章緒論 第一章緒論 1 1 研究的背景及意義 鐵路是我國交通運(yùn)輸?shù)闹匾ぞ咧?，鐵路運(yùn)輸在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著舉足輕 重的地位?；疖囓囕喿鳛殍F路交通運(yùn)輸車輛的重要部件，具有承載、導(dǎo)向、傳遞動(dòng) 力和制動(dòng)等功能。隨著我國鐵路運(yùn)輸逐漸向著高速、重載方向發(fā)展，車輪在復(fù)雜的運(yùn) 行工況及惡劣的工作條件下，由于受到速度效應(yīng)和制動(dòng)方式的影響，對(duì)其強(qiáng)韌性、 耐磨性、抗熱裂性、抗剝離性、抗疲勞性等均提出了更高的要求。因此，研究車輪 成型工藝，大力提升車輪產(chǎn)品綜合質(zhì)量、提高產(chǎn)品加工的合格率，制造優(yōu)質(zhì)車輪， 是實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸?shù)挠辛ΡＷCh 3 。 目前，機(jī)車車輪生產(chǎn)工藝大體分為如下幾種：一是鑄造車輪法；二是全模鍛法； 三是整體輾鋼車輪生產(chǎn)法犯3 。鑄鋼車輪生產(chǎn)具有規(guī)模比較靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、建廠投資 小，能耗低，機(jī)加工費(fèi)用少，生產(chǎn)成本低，建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)，但是鑄鋼車輪的質(zhì) 量一直制約著其適用范圍。全模鍛車輪具有質(zhì)量好、生產(chǎn)工藝簡潔的優(yōu)點(diǎn)，但由于 必須使用大功率的鍛壓設(shè)備，且生產(chǎn)效率低，故沒有得到廣泛的使用。整體輾鋼車輪 生產(chǎn)法通過模鍛和軋制擴(kuò)徑兩個(gè)步驟來完成車輪主體成形。整體輾鋼車輪由于生產(chǎn) 時(shí)經(jīng)過較大塑性變形，故內(nèi)在質(zhì)量較鑄造車輪要好，同時(shí)其生產(chǎn)通過預(yù)成形和軋制兩 個(gè)工步分配變形量，相對(duì)于全模鍛生產(chǎn)方法來說，其生產(chǎn)工藝對(duì)模鍛設(shè)備的要求也 大大降低了?；谡w輾鋼車輪在質(zhì)量和生產(chǎn)工藝上的優(yōu)點(diǎn)，目前已為世界各國廣 泛應(yīng)用雎3 。 太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司于1 9 9 6 年成功引進(jìn)加拿大c s w 公司的整體輾鋼車輪 生產(chǎn)線，是我國繼馬鞍山鋼鐵公司輪轂廠之后的第二條整體輾鋼車輪生產(chǎn)線，該生 產(chǎn)線于1 9 9 7 年6 月試車成功。但是仍存在關(guān)鍵工藝問題：如各工步，尤其是預(yù)成形 和壓彎工步變形量分配、模具結(jié)構(gòu)尺寸等問題均未能得到很好解決，不僅使車輪工 藝及模具設(shè)計(jì)周期長、調(diào)試和修模過程復(fù)雜，而且經(jīng)常出現(xiàn)車輪輻板裂紋、成形形 狀和尺寸超差等質(zhì)量問題，使當(dāng)前車輪產(chǎn)量與生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力有較大差距。因此， 增加車輪生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)的技術(shù)密度、提高其工藝技術(shù)的科學(xué)水平和材料利用率，降 低生產(chǎn)成本成為迫切的需要。 本課題以當(dāng)前我國鐵路運(yùn)輸事業(yè)的高速發(fā)展為契機(jī)，針對(duì)車輪預(yù)成形工藝中的 成形和質(zhì)量控制等難點(diǎn)問題，采用計(jì)算機(jī)三維造型設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬技術(shù)和試驗(yàn)研究 火車輪預(yù)成形工藝分析及數(shù)值模擬 等方法對(duì)車輪6 0 刪壓機(jī)預(yù)成形工藝進(jìn)行分析，為預(yù)成形工藝設(shè)計(jì)提供了相關(guān)理論 依據(jù)，用以提高車輪成形技術(shù)的科學(xué)性及產(chǎn)品質(zhì)量的可控性，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益， 及不斷滿足國內(nèi)車輪市場的需求。 1 2 國內(nèi)外研究狀況 目前車輪成形工藝方法比較常用的有生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)法、物理模擬法、數(shù)值模擬法等 幾種。國內(nèi)外許多學(xué)者分別采用不同的方法研究了車輪成型工藝： 1 、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)法：在科研手段比較落后的情況下，車輪的設(shè)計(jì)生產(chǎn)技術(shù)人員憑借 生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)車輪成形工藝作了大量研究改進(jìn)：楊發(fā)昌等通過對(duì)車輪生產(chǎn)每一工序 后的輪坯進(jìn)行剖析，找出了車輪偏心的原因，并提出了要克服偏心，就要控制加熱 條件，增加高壓水清除氧化皮能力，改進(jìn)水壓機(jī)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)。章國勝通過生產(chǎn)實(shí)踐， 發(fā)現(xiàn)采用校偏壓彎模糾正車輪的偏心問題很有成效。并通過對(duì)壓痕工藝實(shí)踐摸索， 得出壓痕時(shí)定徑環(huán)內(nèi)孔合理斜度為1 5 。 - - 1 8 。時(shí)，比較容易滿足金屬排出比，能較 好的解決成形軋制時(shí)易形成踏面折疊的問題。秦國慶等對(duì)太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公 司鋼輪廠分公司輥臥式車輪軋機(jī)調(diào)整參數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算，確定了斜輥、車輪與主 輥間的速度關(guān)系與斜輥中錐段處的截面曲線方程，計(jì)算了斜輥各部位、壓緊輥與車 輪的接觸面積，以及斜輥各段的水平、垂直分力。張高萍等分析了馬鋼車輪輪箍分 公司在車輪生產(chǎn)中存在的主要問題，介紹了車輪生產(chǎn)工藝及設(shè)備的改造情況。太原 重型機(jī)械集團(tuán)郭玉璽在總結(jié)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)車輪熱成形各工步成形力進(jìn)行估 算、對(duì)模具及工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)提出建議、并總結(jié)了各工步下金屬的流動(dòng)規(guī)律。 2 、物理模擬法：王志誠利用鉛和塑泥模擬了馬鋼車輪壓軋成形工藝過程，找出 了輪輞內(nèi)、外側(cè)外端充不滿的原因：即成形環(huán)斜度大，且與壓痕坯斜度方向相反時(shí) 會(huì)導(dǎo)致輪輞外側(cè)無法充滿；成型環(huán)高度方向尺寸偏小時(shí)，金屬易于沿徑向流動(dòng)，導(dǎo) 致輪輞內(nèi)側(cè)外端無法充滿。通過改進(jìn)，開發(fā)了車輪成形的最佳工藝流程。裴興華對(duì) 火車車輪輾軋成形新工藝進(jìn)行了物理模擬試驗(yàn)，即用鉛在室溫下進(jìn)行熱輾成形，通 過對(duì)金屬流動(dòng)的分析，得出了金屬流動(dòng)合理、填充良好、變形均勻、無折疊現(xiàn)象的 擺輾成形工藝。裘哲利用塑泥材料，以0 9 1 5 c 車輪為試驗(yàn)對(duì)象，模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了壓 痕坯分流面的理論計(jì)算結(jié)果，從而制定出鐓粗定徑聯(lián)合工藝、壓痕鐓粗聯(lián)合工藝等 方案，它使金屬變形過程更加合理n 3 1 。 3 、數(shù)值模擬法：王志誠開發(fā)了二維非穩(wěn)態(tài)剛粘塑性有限元計(jì)算軟件r v p e e m ，分 析了火車車輪鍛造中預(yù)鍛和終鍛兩個(gè)工步的成型過程，研究了車輪成型中的金屬流 2 第一章緒論 動(dòng)規(guī)律n 5 3 。太原科技大學(xué)陳慧琴、劉建生、郭曉霞等采用剛塑性有限元模擬軟件 t f o r m 2 模擬了9 1 5 k k d 快速車輪的預(yù)成形過程，得出了預(yù)成形過程的塑性流動(dòng)規(guī)律和 鐓粗壓下量對(duì)預(yù)成形的影響較大的結(jié)論呻 7 1 。許章澤等借助m a r c a u t o f o r g e 對(duì)火車 車輪預(yù)成型各工步進(jìn)行了彈塑性有限元熱力耦合數(shù)值模擬。研究了車輪預(yù)成型過程 中金屬流動(dòng)規(guī)律、應(yīng)力場、應(yīng)變場、溫度場以及輪坯壓縮比的獲得，定量分析了摩 擦因素和壓痕定尺對(duì)車輪預(yù)成型過程的影響睥叫羽。b c m i l l e r 用d e f o r m 一3 d 模擬了 火車車輪壓軋變形過程、對(duì)熱加工過程的溫度場進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)高溫度梯度冷卻 模具對(duì)金屬流動(dòng)產(chǎn)生很大影響，并預(yù)測了表面折疊缺陷n 朝。k d a v e y 等綜合分析了有 限元數(shù)值模擬在火車車輪成型中的應(yīng)用問題。 上述研究在很大程度上豐富了車輪成形工藝?yán)碚?，這些理論可以為生產(chǎn)設(shè)計(jì)提 供良好的指導(dǎo)。但是這些研究有著三個(gè)方面的不足：第一，這些學(xué)者大多采用理論 研究結(jié)合數(shù)值模擬的方法對(duì)車輪得成形過程進(jìn)行研究，但由于試驗(yàn)條件的限制，都 未能與實(shí)際生產(chǎn)很好的結(jié)合；第二，許多學(xué)者在采用數(shù)值模擬對(duì)車輪成形工藝進(jìn)行模 擬時(shí)，對(duì)模擬控制參數(shù)的設(shè)置采用的是理論上的建議值。這樣得出的模擬結(jié)論在理 論上是成立的，但是因?yàn)楦鱾€(gè)生產(chǎn)單位工藝流程、設(shè)備、加工條件各不相同，如果 用這些結(jié)論來指導(dǎo)生產(chǎn)就容易出現(xiàn)偏差。要想得出比較符合實(shí)際情況的模擬結(jié)果并 且能夠用來指導(dǎo)生產(chǎn)，就應(yīng)該根據(jù)設(shè)備和實(shí)際加工條件選擇合適的模擬參數(shù)。第三， 數(shù)值模擬的時(shí)間控制，如果模擬時(shí)間過長，勢必會(huì)延長產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，這對(duì)提高 生產(chǎn)效率目的是相違背的。因此，根據(jù)車輪的加工過程、產(chǎn)品形狀等因素，選擇合 適的模擬軟件以及建立合適的有限元模型都非常重要。 1 3 主要研究內(nèi)容和方法 1 3 1 研究內(nèi)容： 針對(duì)前文提到的諸多研究者的問題，在理論分析的基礎(chǔ)上以8 4 0 h d s a 車輪為例 進(jìn)行模擬研究，對(duì)影響車輪預(yù)成形的加工參數(shù)進(jìn)行了變參數(shù)模擬，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié) 果優(yōu)選參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場加工試驗(yàn)。以便獲得符合實(shí)際生產(chǎn)情況的模擬控制參數(shù)( 比如 摩擦因子) ，在確定模擬控制參數(shù)的時(shí)候也是根據(jù)實(shí)際加工設(shè)備進(jìn)行選擇( 比如成形 速度) 。這些工作將使數(shù)值模擬更符合該廠實(shí)際生產(chǎn)情況，并且這些參數(shù)還能為以后 的模擬研究提供依據(jù)。為了能更好的提高數(shù)值模擬的效率，選用d e f o r m - 3 d 作為模 擬軟件，并對(duì)車輪成形的有限元模型進(jìn)行了合理的優(yōu)化，以減少模擬時(shí)間。 3 火車輪預(yù)成形工藝分析及數(shù)值模擬 1 3 2 研究方法 1 、對(duì)火車輪成形工藝( 包括鐓粗和預(yù)成形) 進(jìn)行理論分析，在適當(dāng)假設(shè)的基礎(chǔ) 上對(duì)鐓粗及預(yù)成形工步建立數(shù)學(xué)模型和力學(xué)模型； 2 、以8 4 0 h d s a 車輪為典型件進(jìn)行成形力的理論計(jì)算； 3 、應(yīng)用有限元分析軟件d e f o r m - 3 d 對(duì)火車輪預(yù)成形成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì) 算應(yīng)力、應(yīng)變并分析成形過程中金屬流動(dòng)規(guī)律； 4 、根據(jù)理論分析和有限元模擬結(jié)果，優(yōu)選加工參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場加工試驗(yàn)，對(duì)所選 用的限元軟件、有限元模型和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證； 5 、對(duì)摩擦系數(shù)和成形速度進(jìn)行變參數(shù)模擬，分析其對(duì)預(yù)成形過程的影響，并將 模擬結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行對(duì)比，得出最符合現(xiàn)實(shí)加工情況的模擬控制參數(shù)，為 后續(xù)工藝的研究提供依據(jù)； 6 、為方便技術(shù)人員快速有效的對(duì)不同產(chǎn)品的工藝參數(shù)進(jìn)行模擬，提供a u t o c a d 二維圖輸出牢s t l 格式三維模型的技術(shù)支持。 4 第二章火車輪成形工藝及理論分析 第二章火車輪成形工藝及理論分析 2 1 火車車輪及車輪成形工藝簡介 2 1 1 整體火車車輪簡介 雖然各種火車車輪的結(jié)構(gòu)隨著機(jī)車工作條件、機(jī)車構(gòu)造以及輪對(duì)制造條件的不 同往往各不相同。但是在任何情況下，車輪都由三部分構(gòu)成：輪轂、輻板和輪輞。( 見 圖2 - 1 ) 我們通常把位于輪緣一側(cè)的各個(gè)表面稱為內(nèi)側(cè)，與此相對(duì)的一側(cè)稱之為外側(cè)。 車輪在滾動(dòng)時(shí)與鋼軌接觸的輪輞工作面稱為踏面n 副。 圖2 - 1 整體火車車輪的各部位名稱 a 一外側(cè)；b 一內(nèi)側(cè)；卜輪轂；2 一輪輞：3 踏面 4 一輪緣；5 一輻板；6 一輪轂端面；7 一輪輞端面 2 1 2 火車車輪成形工藝簡介 火車車輪成形一般采用一次加熱，逐步成形技術(shù)，其熱成形工藝流程為： ( 見圖2 - 2 ) ( 1 ) 鐓粗：在模鍛水壓機(jī)上將鋼坯鐓粗成一定高度的圓餅狀坯料； ( 2 ) 預(yù)成形：在6 0 m n 下拉式模鍛水壓機(jī)上模壓成形輪轂及部分輻板； ( 3 ) 沖孔：采用用i o m n 復(fù)動(dòng)沖孔水壓機(jī)沖出中心孔； ( 4 ) 軋制：在七輥臥式軋機(jī)上對(duì)輪輻輾軋，使輪輞的徑向達(dá)到熱鍛件的直徑， 并使輪輞、踏面和法蘭成形： ( 5 ) 壓彎：用3 0 心雙動(dòng)拉深壓彎水壓機(jī)彎曲幅板，使之達(dá)到要求的形狀與厚 度，并使輪形得到校正。 5 火車輪預(yù)成形工藝分析及數(shù)值模擬 圖2 2 火車車輪成形工藝流程圖 卜坯料；2 一鐓粗：3 一預(yù)成形：4 一沖孔；5 一軋制：6 一壓彎 上述成形工藝已被太原重型機(jī)械集團(tuán)輪軸公司采用，其整體輾鋼車輪生產(chǎn)線所 使用的設(shè)備也都在一定程度有利于成形精度的提高，6 0 m n 下拉式模鍛水壓機(jī)重心 低，穩(wěn)定性好，具有良好的導(dǎo)向?qū)χ行?，能比較有效的避免偏心；1 0 m n 復(fù)動(dòng)沖孔 水壓機(jī)具有可調(diào)間隙的板式導(dǎo)向裝置，保證輪轂沖孔無偏心；七輥臥式軋機(jī)上下軋 邊輥和主輥各自為獨(dú)立的可控硅直流伺服傳動(dòng)，采用恒壓伺服控制和位置閉環(huán)檢測， 軋制后的車輪表面精度和尺寸精度都較高；3 0 m n 雙動(dòng)拉深壓彎水壓機(jī)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和 工模具，具有成形“s ”形幅板車輪的優(yōu)越性?？芍圃熘睆? 1 0 m m - - 一1 3 0 0 m m 的 各類火車車輪和工業(yè)用鋼輪口1 。 坯料通過鐓粗和預(yù)成形兩個(gè)工步后，將形成火車車輪的初步形狀，預(yù)成形工藝 的設(shè)計(jì)是整個(gè)車輪熱成形工藝的重點(diǎn)，不僅初步形成火車輪形狀，更起著改善車輪 內(nèi)部材質(zhì)、金屬流線的重要作用。預(yù)成形工藝設(shè)計(jì)的不合理將會(huì)導(dǎo)致車輪充填不完 全、偏心、輻板破裂、成形力過大等缺陷，這些缺陷會(huì)導(dǎo)致后續(xù)工步加工困難甚至 導(dǎo)致整個(gè)車輪報(bào)廢。因此，針對(duì)預(yù)成形工藝的研究是十分有必要的。 2 2 鐓粗工步理論分析 2 2 1 鐓粗變形理論分析 由于接觸面上摩擦的影響，使變形體內(nèi)應(yīng)力不均勻分布，從而使變形也呈不均 勻分布，形成變形程度不同的幾個(gè)區(qū)域。如圖2 3 所示，i 區(qū)為難變形區(qū)，i i 區(qū)為易 變形區(qū)，i i i 區(qū)為小變形區(qū)。由于坯料與模具接觸面上金屬流動(dòng)受摩擦阻力的影響， 6 第二章火車輪成形工藝及理論分析 坯料中部金屬流速快于接觸面上的金屬流速。鐓粗后外觀呈鼓形n 鰣。 圖2 - 3 圓柱體坯料的鐓粗變形 2 2 2 各國8 4 0 車輪鐓粗工步鍛造比簡介 良好的鐓粗變形，不僅能得到規(guī)整的輪坯，而且內(nèi)部孑l 隙能很好地壓實(shí)，鑄態(tài)組 織得以充分地破碎，力學(xué)性能得以改善。研究指出：當(dāng)鐓粗變形超過4 0 時(shí)，坯料 內(nèi)部的等效應(yīng)變場和靜水壓應(yīng)力分布是比較理想的。由表1 可知，國內(nèi)外所用的鐓 粗鍛造比均大于3 n 5 3 。 表2 - 1 各國鋼坯鐓粗變形值 踏面直徑m mh o ( 功m )h i ( m m ) 變形程度( ) 加拿大 8 4 0 4 6 7 5 2 l1 4 0 1 4 67 0 7 2 太重8 4 04 4 01 2 57 2 馬鋼 8 4 03 7 7 4 4 51 2 0 6 8 7 3 2 2 3 鐓粗?jǐn)?shù)學(xué)模型建立 車輪的坯料采用圓柱形下注式鋼坯，其鐓粗可以簡化為二維軸對(duì)稱問題進(jìn)行分 析計(jì)算n 鍆。 圖2 4 表示平行砧板間的軸對(duì)稱鐓粗。設(shè)f = m k。對(duì)圖中基元板塊列平衡 方程式得 7 火車輪預(yù)成形工藝分析及數(shù)值模擬 e ：仃，廳，d 臼+ 2 a 。辦d 廠s i i l 掣一2 r r d o d r - ( a ，+ d a ，) ( ，+ d r ) h d o = 0 因?yàn)閟 m 了d o 了d o ，并略去二階微量，則上式 可簡化成： 仃口h d r 一2 r r d r 一仃，h d r r h d t r ，= 0 假定為均勻鐓粗變形，故 d c ，= d 6 日；仃，= o o 最后可得： d a ，= 一孕d ， ( 2 1 ) 如前所述，此處仍按絕對(duì)值列簡化屈服方程，因 1 毆定仃，= ，故有 仃：一仃，= y ；d t r ：= d a ， 聯(lián)解后可得： d 仃：一竺d ， 力 仃：一壟，+ c 仃：一百h 當(dāng)，= 乞時(shí)，仃：= 1 2 1 ：。，故有 c = + 魯名 最后得： 仃：一_ 2 - t ( ，；一r ) + 仃：， 吒一百( ，；一r ) + 仃：， p = r o - ：d f ”i丑如 r ， j l ； 工 。一 、 生 、 、 & r f l 。j 西+ 如 jj 圖2 4 平行砧板間軸對(duì)稱 鐓粗變形及基元板塊受力分析 ( 2 2 ) = r 【等( 叫蠅。1 2 刪，一 = 彬( 子等坦。) ( 2 - 3 ) 接觸邊界條件：式( 2 3 ) 中的仃。為工件外端( r = r e ) 處的垂直壓力。因?yàn)殇?8 第二章火車輪成形工藝及理論分析 坯鐓粗為自由鐓粗，仃。= o ，則仃。= y 根據(jù)屈雷斯加屈服準(zhǔn)則r = m k ( k = y 2 ) ，聯(lián)合第( 2 3 ) 式 則可以方便的求出高度為h ，直徑為d 的圓柱題自由鐓粗時(shí)接觸面上的壓力公 式： 尸= p f ：y ( 1 + 竺旦) 三d2 (2-4) 6h4 2 2 4 鐓粗摩擦條件的確定 常摩擦力條件是認(rèn)為接觸面上的摩擦切應(yīng)力f 與被加工金屬的剪切屈服強(qiáng)度k 成正比( f = m o 。一般熱塑性成形、采用上限法或有限元法分析塑性成形過程時(shí)采 用常摩擦力條件?；疖囕嗩A(yù)成形鐓粗時(shí)，車輪始鍛溫度為1 2 6 0 c ，因此采用常摩擦 力條件對(duì)鐓粗摩擦力進(jìn)行描述。在確定摩擦因子的時(shí)候，對(duì)火車輪預(yù)成形鐓粗過程 中的以下幾個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮： ( 1 ) 金屬種類和化學(xué)成分：一般來說，材料的硬度、強(qiáng)度越高，摩擦系數(shù)就越 小。對(duì)于鐵碳合金來說，隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，摩擦系數(shù)會(huì)有所降低。車輪材 料選用6 0 鋼，通過查表可知6 0 鋼在熱加工中的摩擦系數(shù)為0 2 5 到0 3 5 之間。 ( 2 ) 接觸面上的單位壓力：車輪預(yù)成形鐓粗時(shí)接觸面上的單位壓力一般為2 0 - 5 0 m p a ，而當(dāng)單位壓力小于3 0 0 m p a 時(shí)對(duì)摩擦系數(shù)的影響基本不大，所以不考慮接觸 面上單位壓力的影響。 ( 3 ) 變形溫度：一般認(rèn)為，變形溫度較低時(shí)，摩擦系數(shù)隨變形溫度升高而增大， 到某一溫度，摩擦系數(shù)達(dá)到最大值，此后，隨變形溫度的升高反而有所降低。這是 因?yàn)榈侥骋粶囟饶Σ料禂?shù)達(dá)到最大值后，隨著變形溫度繼續(xù)升高時(shí)，氧化皮會(huì)變軟 或是脫離金屬基體表面，在金屬坯料和模具之間形成一個(gè)隔離層，起到潤滑的作用， 所以摩擦系數(shù)反而下降。查表可知在1 2 6 0 c 的始鍛溫度下，摩擦系數(shù)在0 2 - - - 0 2 5 之間。 ( 4 ) 變形速度：許多試驗(yàn)研究結(jié)果表明，摩擦系數(shù)隨著變形速度的增加而有所 下降，通過查表我們可以知道當(dāng)變形速度在1 0 0 m m s 以內(nèi)時(shí)，摩擦系數(shù)在0 1 5 - - 0 2 5 之間。而太重鋼輪公司6 0 d n 壓機(jī)鐓粗成形的速度一般在4 0 - - 一6 0 r m s 的范圍之內(nèi)。 在分析鐓粗工步的成形過程的條件下，綜合考慮上述幾種因素對(duì)摩擦系數(shù)的影 響，在進(jìn)行理論分析計(jì)算以及數(shù)值模擬時(shí)，選取摩擦因子m = 0 2 5 對(duì)鐓粗工步進(jìn)行分 析n 鉑 1 6 】。 9 火車輪預(yù)成形工藝分析及數(shù)值模擬 2 3 預(yù)成形工步理論分析 2 3 1 車輪預(yù)成形工步的成形過程 如圖2 - 5 所示，隨著上下成形模的閉合，金屬充滿兩個(gè)環(huán)形模膛，形成輪轂和 輪輞并壓出了部分輻板。這是一個(gè)無飛邊開式模鍛過程。在坯料體積重量和定位對(duì) 中以及鍛模行程能得到較準(zhǔn)確的控制的情況下，可以使金屬變形在充滿模膛、產(chǎn)生 飛邊之前結(jié)束。這個(gè)過程的變形有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)n 引： ( 1 )由于模膛側(cè)壁粗糙度和模鍛斜度、過渡圓角的影響、摩擦阻力和模膛內(nèi) 金屬的充填強(qiáng)度有所不同。在液壓機(jī)加載時(shí)，金屬向外環(huán)下腔流動(dòng)強(qiáng)度較大，因而 充填情況較好。 ( 2 ) 輻板面首先接觸受壓，由于內(nèi)層金屬和中央沖頭的作用力，金屬首先向外 膛流動(dòng)，直至與成形環(huán)內(nèi)壁相接觸。隨著阻力增大，使圓坯內(nèi)金屬形成一個(gè)分別向 輪轂和輪輞上下空腔流動(dòng)的分流面。 ( 3 ) 因模膛高度不同，所以各部分金屬的變形大小各不相同。輪輞部分變形最 小，輻板處變形量最大。 123 圖2 - 5 預(yù)成形工步變形結(jié)束時(shí)狀態(tài)圖 卜成形環(huán)；2 一上成形模；3 一上適配環(huán) 4 一下成形模：5 一頂出器；6 一下適配環(huán) 2 3 2 軸對(duì)稱擠壓模型 根據(jù)火車輪預(yù)成形工步的成形過程分析，我們可以把預(yù)成形模型簡化分解成兩 個(gè)模型：一是中央沖頭和輻板處下壓形成的軸對(duì)稱鐓粗模型；二是充填輪轂和輪輞 型腔的軸對(duì)稱擠壓模型。在鐓粗工步的分析中，已經(jīng)對(duì)軸對(duì)稱鐓粗模型做了分析， 1 0 第二章火車輪成形工藝及理論分析 現(xiàn)在主要對(duì)軸對(duì)稱擠壓模型建立模型并分析。 首先對(duì)軸對(duì)稱擠壓型基元板塊進(jìn)行受力分析( 如下圖2 - 6 所示) ： 圖2 - 6 軸對(duì)稱擠壓型金屬流動(dòng)方向及基元板塊受力分析 列基元板塊的平衡方程式( 參見圖2 6 ) ，并略去高階微量得： ， 2 仃，t a n a d z 一廠二d 仃一2 v r d z 一2 r e rt a n a d z = 0 zz材 又由靜力平衡關(guān)系可寫出 仃= 仃+ ft , a r l a “， 擠壓變形時(shí)，r 方向?yàn)閴簯?yīng)變，z 方向?yàn)槔瓚?yīng)變；仃，和巳雖同為壓應(yīng)力，前者的 絕對(duì)值必大于后者，故按絕對(duì)值列出的簡化屈服方程應(yīng)為 仃一仃= y 聯(lián)解得 d 仃：2 t ( 1 + t a n 2a ) + y t a n a 出 ( 2 5 ) 又由幾何關(guān)系可得 ，= r b z t a n a 代入上式，積分后得 仃：= kt n ( r 6 一z t a n a ) 4 - c 式中 k 1 ：壟竺：竺竺! 竺竺 t a n a ( 2 6 ) ( 2 7 ) 火車輪預(yù)成形工藝分析及數(shù)值模擬 當(dāng)z = 乞時(shí)，仃：= 0 ，故c = 一k 1 l n ( r b z 。t a n a ) 最后得 仃：k 1i n ! 壘二塑墮 ( 一乞t a n a ) z = 0 處的仃，即為擠入深度為z 。時(shí)所需的單位變形力 p 2 k m 石南2k m 號(hào) ( 2 - s ) 由式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 可知，鍛件充填圓錐形模膛所需成形力與模膛側(cè)壁斜度、 模膛的寬度與深度有關(guān)，而充填所需的成形力又與充填情況直接掛鉤，所以對(duì)預(yù)成 形工步的理論分析主要是分析金屬充填模膛以及充填所需成形力的問題n 制。 2 3 3 影響金屬充填模膛的主要因素 根據(jù)火車輪預(yù)成形過程的分析，影響金屬充填模膛的主要因素有： ( 1 ) 模膛側(cè)壁斜度的影響 模膛設(shè)計(jì)成一定的斜度是為了獲得預(yù)定的鍛件形狀或是為了模鍛后鍛件易于從 模膛內(nèi)取出，但是模壁斜度對(duì)金屬充填模膛是不利的。因?yàn)榻饘俪涮钅Ｌ诺倪^程實(shí) 質(zhì)上是一個(gè)變截面的擠壓過程，金屬處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)( 圖2 7 ) 。為了使充填過 程得以進(jìn)行，必須使i 仃，l o s( 在上端面仃。= 0 ，d ，= 仃，) 。為保證獲得一定大小的 仃，當(dāng)模壁斜度愈大時(shí)所需的擠壓力f 也愈大。在不考慮摩擦的條件下，所需的壓 擠力f 與t a n a 成正比。但是如果考慮摩擦的影響，尤其當(dāng)摩擦阻力較大( 等于r 。) 時(shí)，所需擠壓力的大小或充填的難易程度就不與t a n a 成正比關(guān)系了，這是因?yàn)槟Σ?力在垂直方向的分力f c o s a 隨著a 角增大而減小( 圖2 8 ) 。 圖2 7 模膛斜度對(duì)金屬充填模膛的影響 1 2 o2 第二章火車輪成形工藝及理論分析 圖2 - 8 摩擦力對(duì)金屬充填模膛的影響 ( 2 ) 孔口圓角半徑的影響 模具孔口的圓角半徑對(duì)金屬流動(dòng)的影響很大，當(dāng)r 很小時(shí)，在孔口處金屬質(zhì)點(diǎn) 要拐一個(gè)很大的角度再流入空內(nèi)，需消耗較多的能量，故不易充滿模膛，而且r 很 小時(shí)，對(duì)某些件還可能產(chǎn)生折疊和切斷金屬纖維。同時(shí)模具此處溫度升高較快，模 鍛時(shí)容易被壓塌，結(jié)果使鍛件卡在模膛內(nèi)取不出來。但是孔口處r 值太大要增加金 屬消耗和機(jī)械加工量?？偟目磥恚瑥谋ＷC鍛件質(zhì)量出發(fā)，孔口的圓角半徑可以適當(dāng) 的大一些。 ( 3 ) 型腔的寬度與深度的影響 模膛愈窄時(shí)，在其它條件相同的情況下，金屬向空內(nèi)流動(dòng)時(shí)的阻力將愈大，孔 內(nèi)金屬溫度的降低也愈嚴(yán)重，故充滿模膛愈困難。模膛愈深時(shí)，在其它條件相同的 情況下，充填也愈困難。 ( 4 ) 變形金屬與模壁的摩擦系數(shù)、模具溫度的影響 一般來說，模壁的表面粗糙度低和潤滑較好時(shí)，摩擦阻力小，有利于金屬充滿 模膛。 模具溫度較低時(shí)，金屬流入孔部后，溫度很快降低，導(dǎo)致變形抗力增大，使充 滿模膛困難，尤其當(dāng)孔口窄小時(shí)更為嚴(yán)重。一般在錘和水壓機(jī)上模鍛高溫合金鍛件 時(shí)，模具一般預(yù)熱到2 0 0 - 3 0 0 。 ( 5 ) 設(shè)備工作速度的影響 通常情況下，設(shè)備工作速度高時(shí)，金屬變形流動(dòng)的速度也快，這將使摩擦系數(shù) 有所降低，金屬流動(dòng)的慣性和變形熱效應(yīng)的作用也顯得突出了，正確的利用這些因 素的作用，有助于金屬充填模膛，提高鍛件質(zhì)量n 4 1 9 3 。 火車輪預(yù)成形工藝分析及數(shù)值模擬 2 3 4 預(yù)成形工步摩擦條件的確定 在上文進(jìn)行了鐓粗工步摩擦條件的討論，結(jié)合預(yù)成形工步成形過程的實(shí)際情況： 模具型腔較為復(fù)雜、成形溫度高、單位成形壓力過較大以及現(xiàn)實(shí)加工條件可能導(dǎo)致 的潤滑分布不均勻現(xiàn)象，確定預(yù)成形工步摩擦因子的取值范圍為0 2 5 0 4 之間。 為了能夠確定出較為符合實(shí)際加工條件的摩擦因子，本文分別取三種不同摩擦因子 ( m = 0 2 5 、m = o 3 、m = o 4 ) 進(jìn)行數(shù)值模擬分析。采用數(shù)值模擬的方法對(duì)不同摩擦因 子時(shí)的預(yù)成形過程進(jìn)行了對(duì)比分析。 2 3 5 預(yù)成形工步成形速度的確定 太重火車車輪預(yù)成形工步在6 0 m n 模鍛水壓機(jī)上完成，為了使研究更符合實(shí)際生 產(chǎn)情況。對(duì)設(shè)備的成形速度進(jìn)行了實(shí)測后取預(yù)成形工步上模下行速度為4 0 m m s ，考 慮到對(duì)設(shè)備的改造尚有可能進(jìn)一步提高成形速度。在進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)我們還取 了成形速度為3 0 m m s 和5 0 m m s 的情況進(jìn)行對(duì)比分析。 2 3 6 預(yù)成形力的計(jì)算 確定預(yù)成形所需的變形力是為了合理選擇或設(shè)計(jì)所需的模鍛設(shè)備，正確設(shè)計(jì)模 具和制定工藝方案。但是火車車輪的形狀復(fù)雜，不同系列車輪形狀差異較大，并且 車輪材料的性能、成形過程中的潤滑條件各不相同。因此，要完全依靠理論計(jì)算方 法來精確地求出變形力是比較困難的。在設(shè)計(jì)時(shí)一般采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行成形力估算。 初成形在金屬充滿模膛，達(dá)到輪輞厚度控制尺寸后產(chǎn)生最大壓力。采用c n 古布 金的平均單位流動(dòng)壓力法，先求出單位流動(dòng)壓力p ，在根據(jù)車輪尺寸求得成形力。 p = z 砌p ( 2 9 ) 式中：z 應(yīng)力不均勻系數(shù)，根據(jù)成形輪參數(shù)計(jì)算并查表得： v 一變形充填影響系數(shù)，v = i 2 1 5 ； r 已成形輪坯尺寸和外部摩擦影響系數(shù)，m = 1 + 華年，p 為摩擦系數(shù)； j 力 尸與成形的行程速度有關(guān)的實(shí)際變形阻力，p 。= 仃。o w ，w 為變形速度系數(shù)， 可根據(jù)壓機(jī)不同工作速度查表得。 2 4 本章小結(jié) 本章對(duì)火車車輪及太重整體輾鋼車輪生產(chǎn)工藝進(jìn)行了簡要的介紹，對(duì)整體輾鋼 車輪的構(gòu)造及其加工工藝有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，通過對(duì)其中的鐓粗及預(yù)成形工藝進(jìn)行 1 4 第二章火車輪成形工藝及理論分析 了理論分析，提出了影響火車輪預(yù)成形效果的主要因素有：模具形狀( 包括模膛斜 度、型腔深度寬度、孔口圓角半徑等) 、摩擦、成形速度、坯料形狀( 由于鐓粗工步 采用平砧板間自由鐓粗，因此，預(yù)成形工步的坯料形狀主要由鐓粗壓下量決定) 。對(duì) 鍛造成形中的摩擦系數(shù)影響因素做出了分析，結(jié)合火車輪成形的實(shí)際情況，鐓粗工 步摩擦系數(shù)取o 2 5 ，預(yù)成形工步摩擦系數(shù)取0 2 5 - - 0 4 0 。對(duì)6 0 m n 水壓機(jī)( 預(yù)成形 工步采用設(shè)備) 的工作速度進(jìn)行了實(shí)測，實(shí)測值為4 0 m m s ，考慮到實(shí)際生產(chǎn)中因產(chǎn) 品所需成形力有所差異導(dǎo)致的成形速度差異，提出了在數(shù)值模擬中對(duì)成形速度取 3 0 m m s 、4 0 m m s 和5 0 m m s 三個(gè)不同速度進(jìn)行對(duì)比分析。這些理論分析對(duì)工藝設(shè)計(jì)和 數(shù)值模擬工作都起著重要的作用。 第三章火車車輪預(yù)成形的缺陷 第三章火車車輪預(yù)成形的缺陷 金屬成形缺陷的預(yù)測研究是預(yù)防缺陷、提高質(zhì)量和控制成形的關(guān)鍵所在。金屬 塑性成形過程中的缺陷主要分為表面缺陷和內(nèi)部缺陷兩大類。常見的表面缺陷有： 折疊、開裂和充不足等，這些表面缺陷的產(chǎn)生將導(dǎo)致產(chǎn)品的報(bào)廢，從而造成很大的 經(jīng)濟(jì)損失。內(nèi)部缺陷主要表現(xiàn)為產(chǎn)品內(nèi)部的開裂，由于產(chǎn)品的內(nèi)部缺陷具有一定的 隱蔽性，會(huì)給產(chǎn)品的工程應(yīng)用帶來很大的危害性。因此，通過預(yù)測研究來制定缺陷 防止措施對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有重要的價(jià)值。成形缺陷的發(fā)生直接影響生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量， 能夠預(yù)見這些缺陷的發(fā)生，對(duì)積極推進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝工裝設(shè)計(jì)的科學(xué)性，控制并 消除缺陷的發(fā)生，具有重要意義。 從總體上看，對(duì)金屬塑性成形過程的研究方法主要有理論分析法、物理模擬法 以及近年來發(fā)展起來的數(shù)值模擬法。隨著計(jì)算機(jī)及有限元數(shù)值模擬軟件的迅速發(fā)展， 數(shù)值模擬方法在進(jìn)行金屬塑性成形缺陷的預(yù)測上取得了較大的成功。一方面，數(shù)值 模擬方法可以實(shí)時(shí)跟蹤描述金屬的流動(dòng)、應(yīng)力、應(yīng)變等特征，揭示缺陷形成的機(jī)理， 具有直觀、形象的特點(diǎn)；另一方面，現(xiàn)代大容量、高速度的計(jì)算機(jī)客觀上使得短時(shí) 間系統(tǒng)模擬不同成形條件下的塑性成形過程成為可能，因而可以在有限的時(shí)間內(nèi)得 到比較全面的模擬結(jié)果。 3 1 車輪的偏心缺陷 3 1 1 車輪偏心的危害 火車車輪在高速運(yùn)行過程中。如果輪對(duì)質(zhì)心所在的中心慣性主軸與實(shí)際旋轉(zhuǎn)中 心所代表的轉(zhuǎn)動(dòng)軸不重合，在旋轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)有一個(gè)離心力作用于轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，這個(gè)離心 力又必然會(huì)通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸傳遞到它的支承體( 軸承、軸瓦) 上，從而造成軸承、軸瓦 的過度磨損及疲勞損壞。若交變離心力引發(fā)的振動(dòng)頻率與機(jī)車的固有頻率相同或具 有整數(shù)倍關(guān)系時(shí)甚至?xí)l(fā)生共振現(xiàn)象而產(chǎn)生嚴(yán)重后果。因此，在火車車輪的生產(chǎn)中， 車輪的偏心率必須得到嚴(yán)格的控制。 3 1 2 車輪偏心的主要原因 在實(shí)際加工生產(chǎn)中，造成火車輪偏心的原因主要有以下幾點(diǎn)： ( 1 ) 潤滑不均勻； ( 2 ) 設(shè)備本身的精度問題； ( 3 ) 成形過程中的對(duì)中性問題沒有很好的得到解決； 1 7 火車輪預(yù)成形工藝分析及數(shù)值模擬 ( 4 ) 坯料本身的缺陷，材料內(nèi)部組織不均勻，坯料端面不平都會(huì)導(dǎo)致車輪偏心 的產(chǎn)生。 綜合上述原因，在預(yù)成形加工過程中要克服偏心，就要控制加熱條件、增加高 壓水清除氧化皮能力，改善潤滑條件、提高坯料端面質(zhì)量、改進(jìn)水壓機(jī)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)。 較小的偏心率要在后續(xù)工步里進(jìn)行調(diào)整消除，比如在壓彎工步采用校偏壓彎模糾正 規(guī)格車輪的偏心。 3 2 材料組織缺陷 車輪材料組織導(dǎo)致的缺陷主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是由于預(yù)成形工步車輪各個(gè) 部分材料變形大小不同，其中輻板部分變形量較大，由于大量金屬流動(dòng)和由此產(chǎn)生 的熱效應(yīng)，易于使偏析、粗晶和疏松等缺陷萌生并擴(kuò)展成輻板裂紋。二是車輪在預(yù) 成形結(jié)束后檢測到材料組織存在縮孔現(xiàn)象。如果縮孔發(fā)生在沖孔工步的落料區(qū)域( 如 下圖3 - 1 中剖面線所示區(qū)域) 。因?yàn)樵搮^(qū)域的材料將在下一工步中被沖掉，所以對(duì)車 輪質(zhì)量不會(huì)造成影響。如果縮孑l 發(fā)生在沖孔落料區(qū)域外，將會(huì)導(dǎo)致車輪缺陷。在有 限元模擬中采用反向點(diǎn)追蹤的方法可以預(yù)先確定沖孔落料區(qū)域材料對(duì)應(yīng)在坯料上的 位置。通過這樣的預(yù)測，對(duì)于不會(huì)影響到車輪成形質(zhì)量的坯料我們就可以有效的加 以利用，提高坯料的有效率，降低車輪的加工成本。 孱薹羹 ；怒1 名篡l凌：差薹裂：差：i j i _ ：i ：廠、曩! ： 善0 歹y ? ：= = ：= ：? ：= = ：= = ： 圖3 - 1 車輪沖孔落料區(qū)域示意圖( 剖面線所示) 3 3 變形力過大 鍛造過程是一個(gè)極其復(fù)雜的過程。衡量鍛件質(zhì)量的指標(biāo)有外部形狀、材料消耗、 變形分布以及晶粒組織等，其中，鍛件的變形力是衡量鍛件質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)， 也是合理選擇或設(shè)計(jì)所需的模鍛設(shè)備、正確設(shè)計(jì)模具和制定工藝方案的重要依據(jù)。 鍛件的變形力越大，變形過程中模具承受的力就越大，鍛件與模具型腔之間的磨損 就會(huì)加劇，時(shí)間一長就會(huì)造成模具的型腔尺寸不符合鍛件的精度和尺寸的要求，以 至于成形出的鍛件質(zhì)量不合格。同時(shí)，由于模具承受的力大，還容易在模具的相對(duì) 脆弱部分出現(xiàn)崩裂、塌方等破損情況，造成模具的破壞以至報(bào)廢。另外，鍛件的變 形力過大，還會(huì)對(duì)設(shè)備造成沖擊，影響設(shè)備的使用和壽命。所以，降低鍛件變形力 1 r 第三章火車輪預(yù)成形的缺陷 可以提高鍛模的使用壽命，降低鍛件的成本，因此，開展基于鍛件變形力的研究具 有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。 在模鍛成形過程中，鍛件的幾何形狀和尺寸、原材料的性能、變形金屬與模具 的溫度及其熱交換、變形金屬與模具接觸表面之間的摩擦以及變形金屬在模膛中的 非穩(wěn)定不均勻流動(dòng)等，都對(duì)模鍛變形力和變形功有著直接或是間接的影響。 在前文中提到車輪預(yù)成形過程設(shè)計(jì)是一個(gè)無飛邊開式模鍛過程。在坯料體積重 量和定位對(duì)中以及鍛模行程能得到較準(zhǔn)確的控制情況下，可使金屬變形在充滿模膛、 產(chǎn)生飛邊之前結(jié)束。但是坯料體積計(jì)算不合理導(dǎo)致飛邊產(chǎn)生或是模具型腔設(shè)計(jì)不合 理導(dǎo)致的金屬流動(dòng)困難等都會(huì)大大提高車輪成形所需的變形力，不僅難以成形工藝 設(shè)計(jì)的車輪熱鍛件形狀，還會(huì)加快模具的磨損甚至是對(duì)設(shè)備造成不良影響。本文將 在后續(xù)章節(jié)中針對(duì)車輪預(yù)成形所需變形力進(jìn)行重點(diǎn)分析，并采用數(shù)值模擬的方法對(duì) 比分析不同加工參數(shù)對(duì)變形力的影響。 3 4 充填不完全 塑性體積成形時(shí)的充填問題是影響鍛件成形質(zhì)量的首要問題，我們通常用鍛件 上模膛的高寬比和過渡圓角半徑大小等來衡量充填的難易程度。高寬比越大，圓角 半徑越小，充填越困難。要使金屬較好的充填模膛，需要有足夠的模壓力，但是如 果模膛設(shè)計(jì)不合理、加載方式不合適，模壓力再大也不一定能使模膛充滿，而且模 壓力過大時(shí)，還可能使模具損壞。因此，應(yīng)當(dāng)從模壓時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變分析入手，研 究模壓時(shí)金屬的變形流動(dòng)規(guī)律，分析影響金屬充填模膛的主要因素和可采取的措施。 通過大量的生產(chǎn)試驗(yàn)和理論分析， 火車車輪的預(yù)成形過程是一個(gè)復(fù)雜的金屬塑性體積成形的過程，這個(gè)成形過程 有以下幾個(gè)特點(diǎn)：( 1 ) 大量的金屬流動(dòng)；( 2 ) 各部分金屬的