火車車輪鍛造工藝分析.doc

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火車車輪鍛造工藝分析 鐵路交通是我國運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分，在國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展過程中，鐵路運(yùn)輸扮演著不可替代的重要角色。我國一直以來都十分重視鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展。最近幾年以來，隨著以高鐵為代表的新型鐵路運(yùn)輸技術(shù)的應(yīng)用，我國鐵路運(yùn)輸朝著高速、重載方向發(fā)展，車輪在復(fù)雜的運(yùn)行工況和惡劣的工作條件下，受到來自于速度效應(yīng)和制動方式的雙重影響，對其耐磨性、強(qiáng)韌性以及抗疲勞性提出了更高的要求。但是我國現(xiàn)有的車輪鍛壓生產(chǎn)技術(shù)，還不能完全滿足鐵路運(yùn)輸發(fā)展對火車車輪質(zhì)量的要求。尤其是我國高速列車的車輪，在車輪的制造中，還存在廢品率較高的現(xiàn)象。因此，筆者認(rèn)為，研究火車車輪鍛壓生產(chǎn)工藝，提高我國火車車輪鍛壓生產(chǎn)技術(shù)水平，制造優(yōu)質(zhì)火車車輪，對于降低我國火車整車生產(chǎn)成本，促進(jìn)鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.火車車輪概述。 1.1.我國火車車輪形制特征簡析 火車車輪是火車整車零件中的一個關(guān)鍵組成部分，是火車機(jī)車生產(chǎn)中技術(shù)較高的環(huán)節(jié)之一。由于火車的種類繁多，工作環(huán)境和機(jī)車構(gòu)造也不盡相同，所以火車車輪的結(jié)構(gòu)形式和形制特征也多種多樣。一般由輪轂、輪輞、輻板三個部分組成。 火車車輪屬于典型的金屬塑性成形產(chǎn)品，常常會出現(xiàn)多種內(nèi)部和外部缺陷。比較常見的有偏心缺陷、組織和填充不完全等缺陷。所以車輪生產(chǎn)中對鍛壓技術(shù)要求較高。 1.2.我國現(xiàn)行車輪生產(chǎn)工藝。 當(dāng)前包括我國在內(nèi)的世界各國普遍采用模鍛——軋制法（又稱整體輾鋼車輪生產(chǎn)法）進(jìn)行火車車輪鍛造生產(chǎn)，這一方法主要采用模鍛和軋制擴(kuò)徑兩個主要步驟來完成車輪主體的成形。和鑄造法相比較，該法所生產(chǎn)的車輪內(nèi)在質(zhì)量要好很多，與全模鍛制造法相比，該法的優(yōu)點(diǎn)在于對模鍛設(shè)備的要求較低。全世界有20多個生產(chǎn)廠家，雖然各自的生產(chǎn)工藝有其獨(dú)有特點(diǎn)，但是總體來說從流程來講可以分為三個主要步驟：預(yù)成型及成型、軋制擴(kuò)徑和壓彎沖孔。通過初步總結(jié)，筆者認(rèn)為，各廠家在工藝上的差別，主要體現(xiàn)在預(yù)成型及成型的差異上，壓彎壓力機(jī)的配置方面則基本相同，沖孔設(shè)備的配置也只是稍有差別。2.火車車輪鍛造工藝分析。 2.1.車輪預(yù)成型工藝。 車輪坯料采用圓柱形鋼坯下注，坯料直徑介于380mm——406mm之間。使用高速鋸床對鋼坯進(jìn)行鋸切成段，成段坯料經(jīng)加熱后，有機(jī)械手夾持上料到壓力機(jī)進(jìn)行預(yù)成型工序。在預(yù)成型工序中，上磨具采用成型模，下模具則選用中央突起的壓痕模，以此實(shí)現(xiàn)對輪輞、輪轂的金屬體積分配。在壓力機(jī)模鍛工序采用的是靜壓力鍛造，整個鍛造過程在一次行程中完成。優(yōu)異的車輪預(yù)成型工藝，不但能夠保證車輪初步形狀的成形，同時(shí)還可以起到改善車輪內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和金屬流線的雙重作用。但是如果此階段的工藝不合理，則會直接導(dǎo)致車輪偏心、填充不完全等缺陷。給后續(xù)加工階段操作帶來困難，嚴(yán)重的還會直接導(dǎo)致車輪報(bào)廢。 2.2.車輪成型工藝。 在車輪的成型階段，主要得到的是輪轂和壓制輻板的形狀，同時(shí)完成輪輞主要部位的成形。其過程屬于典型的開式無飛邊模鍛。模具壓下后，首先受壓的是車輪的輻板處，車輪內(nèi)層金屬受到來自中央沖頭的作用力，帶動外側(cè)金屬沿水平方向流動。隨著下壓量的急劇增大，輪坯的最外側(cè)金屬和成形模的內(nèi)壁接觸。在中央沖頭和成形模內(nèi)壁的共同作用下，輪坯內(nèi)的金屬形成一個分流面，分別流向輪轂和輪輞下側(cè)以及輪輞上側(cè)。在該流程中，輪輞下側(cè)的填充情況最佳。此外，由于該工序中模具模膛的高度有所不同，所以直接導(dǎo)致輪坯中不同部分的金屬變形量不一樣，其中輻板處變形量最為突出，而輪輞部分的變形量則最小。車輪成形工藝是熱成形機(jī)組軋壓能力匹配的關(guān)鍵工藝。合理科學(xué)的成形工藝，不僅要保證壓力機(jī)的壓力極限數(shù)值滿足事先設(shè)定的工藝數(shù)值，同時(shí)還要滿足下道工序中軋機(jī)的軋制能力需求。 2.3.車輪壓彎工藝。 車輪壓彎工序一般情況下是和沖孔工序一起在同一臺壓力機(jī)上進(jìn)行，是火車車輪熱成形中的最后一道工序。其主要目的是對輻板進(jìn)行壓彎成形、對輪輞表面進(jìn)行平整以及確定車輪兩側(cè)和車輪內(nèi)徑等的成形。 2.4.輪坯各個部位加工余量的確定。 車輪加工中的鍛造余量，是整個車輪鍛造工藝設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)。它與車輪材料的利用率、成品率以及生產(chǎn)率密切相關(guān)，直接決定著車輪生產(chǎn)的成本。因此，要合理確定輪坯合理的鍛造余量。踏面余量的確定。在確定輪坯踏面余量時(shí)，輪坯的橢圓度和熱處理過程中直徑0.1—0.2%的變化量應(yīng)該予以充分考慮。但是，主要還是要注意踏面上表面氧化皮壓入、裂紋以及結(jié)疤等的消除。經(jīng)過實(shí)踐中的反復(fù)摸索，筆者認(rèn)為，踏面鍛造余量的確定取8mm較為合適。 輪轂外徑余量確定。輪轂外徑余量的確定，主要取決于設(shè)備對輪轂、輪輞偏心的精度控制。目前，山西某重型機(jī)械集團(tuán)公司在這一精度控制上可以達(dá)到6mm以內(nèi)。為了確保最大偏心后，輪轂?zāi)苡?mm的加工余量，初期生產(chǎn)中，應(yīng)該把輪轂余量確定為9mm。實(shí)踐證明，在設(shè)備正常情況下的批量生產(chǎn)中，輪轂外徑余量取7mm比較適宜。 輪轂、輪輞端面的余量確定。這兩項(xiàng)余量的確定主要取決于端面氧化皮壓入、端面的不平整狀況以及預(yù)成形時(shí)輪轂端面尖角部位填充不完全所造成的輪轂端部圓角三個因素。在模具首次設(shè)計(jì)中，這一余量一般取7mm和6mm。為了降低成本，曾經(jīng)試圖降低這兩種余量，結(jié)果造成輪轂端面尖角部位加工不起來。所以，最終仍然將輪轂、輪輞的單邊余量設(shè)定至7mm和6mm的初期水平。 輻板和輪輞內(nèi)徑加工余量的確定。由于在淬火和冷卻處理過程中輻板會出現(xiàn)變形，因此輻板加工余量的確定，不僅要考慮氧化皮壓入、表面裂紋等缺陷的去除，還要格外重視輻板變形的影響。經(jīng)生產(chǎn)企業(yè)長期批量生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的積累，輻板單邊余量確定為6mm最為適合。輪輞內(nèi)徑也取相同尺寸為宜。 淬火下沉量的確定。車輪淬火后，輪輞的增大量叫做淬火下沉量。壓彎模設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該確保車輪壓彎成形以后，轂輞距減小一個淬火下沉量，以確保淬火后的轂輞距符合要求尺寸。淬火下沉量的確定，和火車輪的型號有關(guān)。據(jù)蘇聯(lián)資料介紹，915車輪淬火下沉量為3—5mm。安徽某鋼廠在915車輪模具設(shè)計(jì)時(shí)，淬火下沉量取6mm。 2.5.車輪鍛造過程中的數(shù)值模擬分析。 由于火車車輪的鍛造工序繁多，各環(huán)節(jié)中對輪坯不同部分的數(shù)據(jù)誤差要求較高，且由于涉及到材料金屬物理化學(xué)性質(zhì)的變更，因此對鍛造過程中的數(shù)據(jù)控制和數(shù)值模擬要求較高，所以對于鍛造工作的每個環(huán)節(jié)而言，建立數(shù)值模擬分析是十分必要的。 目前在數(shù)值分析方面，主要采取的是有限元數(shù)值分析法，這是一種將連續(xù)體根據(jù)實(shí)際需要，分化為若干個大小有限的單元個體集合，以方便分析連續(xù)體力學(xué)問題相關(guān)數(shù)據(jù)的方法。這一方法應(yīng)用在車輪鍛造生產(chǎn)過程中，可以精確求解輪坯變形時(shí)內(nèi)部速度場、應(yīng)力場以及應(yīng)變場等的變量，從而為車輪鍛造各道工序，提供了科學(xué)的理論依據(jù)。在目前我國火車車輪生產(chǎn)中，基于有限元理論和相關(guān)軟件支持，已經(jīng)普遍建立起了火車輪預(yù)成形和成形工步數(shù)值模擬分析模型、壓彎過程數(shù)值模擬分析模型、沖孔過程數(shù)值模擬分析模型等一系列環(huán)節(jié)的模擬分析模型。使得工作人員能夠及時(shí)掌握各階段數(shù)值的變化，以及由此帶來的對成品質(zhì)量的影響，實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)設(shè)置，確保車輪最終質(zhì)量得以實(shí)現(xiàn)。 2.6.當(dāng)前火車車輪鍛造工藝存在的問題。 隨著對火車車輪數(shù)量要求的增加和質(zhì)量要求的提高，我國火車車輪鍛造工藝的缺陷也顯露出來。目前主要問題在于各工步，尤其是在車輪預(yù)成形和壓彎工步，對金屬變形量的分配以及模具結(jié)構(gòu)和尺寸的設(shè)計(jì)等諸多問題，有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)。這些問題的存在不僅使得車輪鍛造工序和模具設(shè)計(jì)的周期更長、對模具和車輪的調(diào)試以及模具維修的過程趨于復(fù)雜，而且還會導(dǎo)致車輪輻板出現(xiàn)裂紋、車輪成形形狀和尺寸滿足不了設(shè)計(jì)要求等一系列質(zhì)量問題，使得當(dāng)前的火車車輪生產(chǎn)，從數(shù)量到質(zhì)量都與實(shí)際需要存在相當(dāng)差距。 火車車輪的鍛造，是一個從材料選擇、模具設(shè)計(jì)制造、到前期預(yù)成形、成形、再到后期壓彎和沖孔的連續(xù)性工序系統(tǒng)。由于金屬在各工藝階段會發(fā)生相應(yīng)的物理和化學(xué)變化，因此常常會出現(xiàn)諸如填充不充分和偏心等缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不能達(dá)到預(yù)期要求，嚴(yán)重者產(chǎn)生廢品。從加工流程優(yōu)化、數(shù)值模擬分析等方面加以完善，是彌補(bǔ)當(dāng)前車輪鍛造工藝相關(guān)環(huán)節(jié)缺陷，保證車輪最終質(zhì)量的有效途徑。以有限元理論為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬分析模型，是目前實(shí)現(xiàn)鍛造過程數(shù)值模擬分析的可靠途徑，是實(shí)現(xiàn)對鍛造過程中相關(guān)數(shù)值精確控制的有效手段。筆者認(rèn)為，我國火車車輪鍛造工藝的改進(jìn)，除了要注重生產(chǎn)設(shè)備和新型工藝的開發(fā)外，對以有限元理論為依托的計(jì)算機(jī)軟件輔助分析系統(tǒng)的開發(fā)運(yùn)用也應(yīng)該予以重視，將其納入工藝改進(jìn)的重要組成部分。 第 6 頁 共 6 頁