火車車輪鍛造工藝分析

王兵 李福利 李鵬

摘要：鐵路交通是我國運輸系統(tǒng)的重要組成部分，在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展過程中，鐵路運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輸技術(shù)的應(yīng)用，我國鐵路運輸朝著高速、重載方向發(fā)展，車輪在復(fù)雜的運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，促進鐵路運輸?shù)陌l(fā)展，有十分重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：火車車輪 鍛造工藝 有限元法

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）進行火車車輪鍛造生產(chǎn)，這一方法主要采用模鍛和軋制擴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)工藝有其獨有特點，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、軋制擴徑和壓彎沖孔。通過初步總結(jié)，筆者認為，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行鋸切成段，成段坯料經(jīng)加熱后，有機械手夾持上料到壓力機進行預(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，以此實現(xiàn)對輪輞、輪轂的金屬體積分配。在壓力機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，嚴重的還會直接導(dǎo)致車輪報廢。

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，不僅要保證壓力機的壓力極限數(shù)值滿足事先設(shè)定的工藝數(shù)值，同時還要滿足下道工序中軋機的軋制能力需求。

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上進行，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行壓彎成形、對輪輞表面進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，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)過實踐中的反復(fù)摸索，筆者認為，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，山西某重型機械集團公司在這一精度控制上可以達到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)計時，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)計時，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，實時調(diào)整參數(shù)設(shè)置，確保車輪最終質(zhì)量得以實現(xiàn)。

2.6.當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)計等諸多問題，有待進一步研究和改進。這些問題的存在不僅使得車輪鍛造工序和模具設(shè)計的周期更長、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)計要求等一系列質(zhì)量問題，使得當前的火車車輪生產(chǎn)，從數(shù)量到質(zhì)量都與實際需要存在相當差距。

3.結(jié)語。

火車車輪的鍛造，是一個從材料選擇、模具設(shè)計制造、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)量不能達到預(yù)期要求，嚴重者產(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，是彌補當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，是目前實現(xiàn)鍛造過程數(shù)值模擬分析的可靠途徑，是實現(xiàn)對鍛造過程中相關(guān)數(shù)值精確控制的有效手段。筆者認為，我國火車車輪鍛造工藝的改進，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算機軟件輔助分析系統(tǒng)的開發(fā)運用也應(yīng)該予以重視，將其納入工藝改進的重要組成部分。

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