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摘要 在比较分析技术先进国家的火车车轮成形工艺流程后，采用试验研究和数值模拟相结合方法，研究开发出优化的新工艺。钢坯先在一台水压机上预成形制坯，再在另一台压机上模锻，经轧制扩径后冲孔压弯。这样的生产线效益最好。
关键词 火车车轮制造 车轮成形工艺优化
1 引言
铁路是世界各国交通运输的重要工具之一。铁路交通运输依靠车辆。车轮是车辆的主要承载零件。现代化车轮的制造都是在钢厂建立专用的生产线。车轮制造工艺的优劣与产品质量以及效益密切相关。目前世界各国火车车轮的制造，除少量采用铸钢外，大多是用钢锭制坯，经锻压和轧制后机加工而成。图1所示为现俄国近年新建车轮成形生产线的工艺流程[1]。钢坯先在三台水压机上，经镦粗、环内镦粗、压痕和模锻四个工步锻压成锻件，再在轧机上扩径，最后在一台水压机上冲孔、压弯和校正。生产率最高时达每小时120个。图2是日、德、英、美等国家所采用的车轮成形工艺流程。钢锭制成的坯料先在同一台水压机上经预锻和模锻两个工步锻压成锻件，经轧制扩径，后在另一台水压机上冲孔和压弯。生产率每小时80个[2]。 （图片） 两种车轮成形工艺流程的后半部基本相同，不同的是前半部锻压部分。前者钢坯经四个工步分别在三台水压机上完成，后者钢坯经两个工步在同一台水压机上完成。前者生产率较高，但需要增加两台水压机并加大模锻水压机的吨位，设备投资和占地面积大。后者锻压工步和水压机台数少，但生产率不高，也未充分发挥后续工序设备的效能。
我国现行火车车轮的生产线是60年代引进前苏联技术建造的。钢锭折断下料的钢坯，经加热后先在一台30MN的水压机上用自由镦粗、环内镦粗和压痕三个工步制坯，再在80MN水压机上模锻成形，然后在轧机上轧制扩径，并在另一台30MN水压机上冲孔和压弯。如图3所示，生产率每小时80个。（图片） 2 车轮成形新工艺的试验研究
为了比较分析各种火车车轮的制造工艺，对车轮的锻压工艺流程进行了系统全面的试验研究，以求得优化的新工艺。
试验以塑泥和铅做试样，按实际尺寸10：1缩小，并制造出各种相应的成形模具，对车轮锻压过程各种工步的变形状态进行了模拟试验，测定各种工步的变形力。
首先对我国现行火车车轮的制造工艺进行了模拟分析。和英、日、德等国的生产线比较，此工艺流程虽多了一台水压机，但由于锻压工步多，生产率并未提高。且由于钢坯大小难以控制，端面不平，易出偏心，不得不加大机加工量。同时由于压痕深度不易控制，镦粗环和模锻模腔的拔模斜度方向相反，模锻过程会出现充不满而报废，如图4所示。（图片） 研究工作对各种制坯预成形工步进行了系统的试验比较。结果表明，只要预成形的模腔和模锻的模腔设计合理，模锻时锻件都能充满良好，如图5所示。制坯预成形是在型砧上自由镦粗，只需一个工步，不需要大型水压机。这样车轮制造前半部分锻压工艺只有两个工步，分别在大小两台水压机上组成生产线，生产率可达每小时120个，如能保证钢坯下料质量，还能减少机加工余量并节约能耗。
3 优化车轮成形新工艺的数值模拟
金属成形过程是一个复杂的变形过程，材料特性、变形速度、温度、摩擦条件、坯料形状及尺寸和模具结构等都对成形过程产生影响。目前，生产中选择工艺参数主要靠经验和试验。不但精度差，效率低，而且难以解决复杂问题。近年来，随着电子技术的飞速发展，有限元数值模拟和计算机图形显示技术开创了锻压工艺及模具CAD/CAS/CAM的新领域，塑性有限元方法不但可以用来计算塑性加工过程的力能消耗，还能计算变形工步的应变，应力分布和金属流动，为优化工艺过程和设计模具型腔提供依据。经过长期的研究和实践积累，开发出二维刚粘塑性有限元分析系统。该系统具有如下主要功能：
1）对于外形复杂件的锻造问题，可自动生成初始速度场，并能处理任意曲线边界的摩擦问题；
2）自动确定任意动态边界的约束状态，边界节点位置自动刷新；
3）具有全局网格重划和畸变网格局部调整功能，采用自动划分和人机交互、局部修正相结合方式，可大大减少全局网格重划次数；
4）能进行初始网格的变形跟踪，软件在微机上运行，能模拟非稳态、大变形成形问题。
作者利用该系统对车轮锻造的预成形和终成形过程进行了数值模拟，摩擦因子取m=0.6，变形速度取40mm/s，变形步长取毛坯实始高度的0.5%。图6是坯料初始网格，图7是预成形结束时的网格，图8是终成形结束时的网格。图9为等效应变分布。完成整个计算过程共进行了三次全局网格的重新划分。详细计算过程见文献[3]。（图片） （图片） 通过反复试算，根据金属变形流动的信息不断修改调整坯料及模具尺寸，优选工艺参数和模具结构，最终获得车轮成形的最佳工艺流程(见图5)。
4 结论
1）试验研究的结果表明，火车车轮制造优化新工艺在于前半部分锻压过程采用制坯预成形和模锻两个工步分别在大小两台水压机上完成，然后轧制、冲孔和压弯，建立生产线，使全部设备充分发挥效用。这样的生产线效益最好。
2）有限元数值模拟火车车轮成形的全过程，揭示了金属流动的规律。经反复计算，优化了工艺参数和模具结构。数值模拟结果和试验吻合。
3）采用新的车轮成形工艺，能将目前每小时80个的生产能力提高到120个以上，并能减少偏心，节约大量钢材，降低能耗。
3/10/2006
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