火車車輪全模鍛數(shù)值模擬

洪明虎 黃志輝 鄭澤曄

(西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，四川610031)

鐵路運(yùn)輸靠車輛，火車輪是鐵路運(yùn)輸車輛上重要的工作零件。車輪對(duì)運(yùn)行的可靠性和安全性至關(guān)重要，這就對(duì)火車車輪的質(zhì)量提出更高的要求，因此車輪制造工藝不斷改進(jìn)，新工藝對(duì)提高車輪質(zhì)量有重要意義。

1 車輪加工工藝分析比較

鐵路車輪按結(jié)構(gòu)形式可分為組合車輪和整體車輪兩大類。二者相比，整體車輪既安全可靠又比較經(jīng)濟(jì)，因此組合車輪的使用量逐年減少。整體車輪制造方法可分為：鑄造法、模鍛法、模鍛—軋制法。

美國(guó)采用整體石墨模、壓力鑄型、程序凝固及無(wú)損檢測(cè)等新工藝新設(shè)備生產(chǎn)出新型整體鑄鋼車輪。根據(jù)美國(guó)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，其車輪市場(chǎng)上鑄鋼車輪占80%。美國(guó)車輪生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)AAR(Association of American Railroad)就是針對(duì)鑄鋼車輪制定的[1]。

整體模鍛車輪生產(chǎn)率低，以及受大功率水壓機(jī)限制，故全模鍛沒得到廣泛使用。

用模鍛和軋制工藝制造車輪的方法生產(chǎn)的壓軋車輪得到廣泛應(yīng)用，但壓軋車輪工序較多，工藝復(fù)雜。

前蘇聯(lián)制造小直徑車輪經(jīng)常使用全模鍛法，一些研究院也曾試驗(yàn)過(guò)連續(xù)模鍛和分段模鍛。20世紀(jì)40年代美國(guó)坎姆斯伯格公司就已經(jīng)使用全模鍛法制造車輪。該公司的生產(chǎn)實(shí)踐證明，用模鍛工藝制造的車輪，其金屬力學(xué)性能、幾何尺寸的精確度以及經(jīng)濟(jì)效益要比用模鍛和軋制配套工藝制造的車輪好得多；由于減少了車輪的尺寸公差和余量，使得金屬的消耗量減少；制造過(guò)程中車輪各部位尺寸容易控制；可以極大地減少車輪的不平衡度及表面缺陷(斑點(diǎn)、折疊)；由于減少了機(jī)組的數(shù)量和工序，從而簡(jiǎn)化了工藝流程；輪輞表層纖維分布良好，使得車輪耐磨性得到了很大的提高(達(dá)50%)。圖1為坎姆斯伯格公司使用全模鍛工藝生產(chǎn)車輪的工藝流程圖[2]。

目前，世界上已有十多個(gè)國(guó)家如美國(guó)、法國(guó)、日本、德國(guó)、捷克、印度和中國(guó)等生產(chǎn)整體車輪。在我國(guó)，生產(chǎn)車輪的廠家主要有：馬鋼股份公司車輪分公司(模鍛—軋制生產(chǎn)線)、太原重型機(jī)械(集團(tuán))有限公司鋼輪廠(模鍛—軋制生產(chǎn)線)、鐵道部大同機(jī)車車輛廠(鑄鋼車輪生產(chǎn)線)。模鍛—軋制法典型成形工藝為鐓粗→定徑→壓痕→成形→軋制→沖孔壓彎。

2 全模鍛

圖1 美國(guó)坎姆斯伯格公司模鍛示意圖Figure 1 The diagrammatic sketch for die forging of railway wheel in america

目前國(guó)內(nèi)還沒有將全模鍛加工車輪投入生產(chǎn)?；诖?，燕山大學(xué)顧煜基教授對(duì)全模鍛法加工車輪進(jìn)行研究，得出采用分段模鍛法加工車輪的加工工藝，本文對(duì)該工藝過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

全模鍛車輪工藝生產(chǎn)流程如下：連鑄鋼坯→加熱→除氧化皮→50 MN水壓機(jī)上鐓粗、壓痕→100 MN水壓機(jī)上初模鍛→200 MN水壓機(jī)上終模鍛→50 MN水壓機(jī)上壓彎幅板、沖孔、切飛邊→熱處理→機(jī)加工→噴丸處理→超聲波探傷→落錘沖擊試驗(yàn)→車輪平衡試驗(yàn)→檢驗(yàn)→成品出廠[3]。

全模鍛車輪成形工步如圖2所示。

圖2 全模鍛車輪成形工步示意圖Figure 2 The diagrammatic sketch for forming procedure of whole die forging railway wheel

3 數(shù)值模擬模型建立[4]

Deform3D是美國(guó)SFTC(Scientific Forming Technologies Corporation)公司開發(fā)的基于有限元分析的工藝仿真軟件，針對(duì)復(fù)雜的金屬成形過(guò)程，能夠分析各種成形、熱處理工藝。

由于鐓粗、壓痕工藝數(shù)值模擬研究已完成，本文僅對(duì)初模鍛和終模鍛進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

坯料初始溫度1 100℃，材質(zhì)為AISI-1060鋼，相當(dāng)于CL60鋼[5]，模具初始溫度300℃，采用常剪切摩擦模型，摩擦因子取0.25；為了節(jié)省計(jì)算資源，本文僅對(duì)1/4模型進(jìn)行模擬研究。

由于模擬初模鍛如圖3所示和終模鍛如圖4所示的兩個(gè)過(guò)程，需在初模鍛結(jié)束后，更換模具來(lái)模擬終模鍛。

圖3 初模鍛模擬模型Figure 3 The simulation model of initial die forging

圖4 終模鍛模擬模型Figure 4 The simulation model of final die forging

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 金屬流動(dòng)數(shù)值模擬

通過(guò)對(duì)初模鍛過(guò)程中各典型階段速度矢量的分析，初模鍛變形主要分為自由鐓粗和約束鐓擠，而約束鐓擠階段又可以依照模腔填充次序進(jìn)一步分為輪轂充滿和輪輞充滿。各階段的變形規(guī)律和特點(diǎn)如圖5所示。

初模鍛過(guò)程中不同典型階段的速度矢量圖表明了金屬的流動(dòng)特性。從圖中可看到。在變形初期，幅板處材料首先被鐓粗，隨著變形的繼續(xù)，變形進(jìn)入約束鐓擠階段。隨著約束力增加幅板區(qū)出現(xiàn)明顯的分流層，分流層內(nèi)側(cè)材料向輪轂區(qū)流動(dòng)，外側(cè)材料則向相反方向的輪輞區(qū)流動(dòng)，為此輪轂首先被填充。又由于金屬向模膛下腔的流動(dòng)速度較上腔大，因而輪轂下腔先被充滿。在其下腔充滿后，材料受到了一定的阻力，向輪轂上方流動(dòng)，直至充滿整個(gè)輪轂?zāi)Ｌ?。輪轂充滿后，隨著上模的繼續(xù)下壓，輪轂區(qū)和幅板區(qū)的材料快速向輪輞區(qū)流動(dòng)，直到輪輞區(qū)也被充滿。

圖5 初模鍛成形速度圖Figure 5 The diagrammatic sketch for forming velocity of initial die forging

終模鍛過(guò)程主要為踏面成型階段，金屬流動(dòng)規(guī)律如圖6所示。

由于材料受阻力影響，金屬向輪緣處流動(dòng)，直到填滿整個(gè)模具。

4.2 金屬填充規(guī)律

根據(jù)金屬流動(dòng)規(guī)律分析，輪轂處金屬充滿度較為理想，而輪輞處金屬易出現(xiàn)如圖7所示的充不滿現(xiàn)象。

4.3 模具受力分析

車輪在鍛壓過(guò)程中，模具的受力如圖8所示。其中0～132 mm為初模鍛，132 mm～331mm為終模鍛。通過(guò)對(duì)受力圖進(jìn)行分析，初模鍛過(guò)程中，輪輞成型所需的鍛壓力最大(大約為60MN)，終模鍛過(guò)程中，鍛壓力為65MN左右。由于數(shù)值模擬過(guò)程中，工件與模具溫度恒定，熱交換未能實(shí)際反映出來(lái)，致使模具受力與實(shí)際情況有一定的偏差。

圖6 終模鍛成形速度圖Figure 6 The diagrammatic sketch for forming velocity of final die forging

圖7 車輪各部位充滿度Figure 7 The diagrammatic sketch for filling velocity of railway wheel

圖8 模具受力圖Figure 8 The stress sketch of die

5 結(jié)論

(1)初模鍛過(guò)程可分為自由鐓粗和約束鐓擠兩個(gè)變形階段，這兩個(gè)變形階段內(nèi)毛坯的塑性流動(dòng)規(guī)律差異較大。終模鍛過(guò)程主要為輪緣成形。

(2)輪輞處金屬易出現(xiàn)充不滿現(xiàn)象，為全模鍛車輪模具設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

(3)對(duì)模具受力情況進(jìn)行分析，從理論上再一次肯定了全模鍛鍛壓車輪是可行的，并且為全模鍛鍛壓機(jī)噸位的選擇提供了一定的理論依據(jù)。

[1] 黃毅，韓靜濤，賀毓辛.整體火車車輪的生產(chǎn).重型機(jī)械，1997(3)：9.

[2] Г·А·比比克，等.蘇星，譯.火車車輪的制造.北京冶金工業(yè)出版社.1990.

[3] 顧煜基.全模鍛火車車輪的制造.重型機(jī)械，1998(2)：7.

[4] 李傳民，王向麗，等.Deform5.03金屬成形有限元分析實(shí)例指導(dǎo).機(jī)械工業(yè)出版社.

[5] 沈曉輝，安濤，閆軍，等.840車輪預(yù)成形過(guò)程的有限元分析.鋼鐵研究學(xué)報(bào).2005，17(1)：30.