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1、锻造FORGING文章编号:1672-0121(2008)02-0052-03火车车轮镦粗工艺理论分析及数值模拟宋光鑫,付建华,曹建新,李贵长(太原科技大学材料学院,山西太原030024)摘要:火车车轮镦粗工艺对火车车轮成形后续工艺影响很大。在对车轮镦粗工步进行理论分析的基础上采用有限元软件DEFORM对镦粗及预成形工步进行了有限元模拟。研究了镦粗工艺对后续预成形工步的影响,为车轮成形工艺设计提供了理论依据。关键词:机械制造;镦粗;锻造;火车轮;数值模拟中图分类号:TG316文献标识码:B1引言锻水压
2、机重心低,稳定性好,具有良好的导向对中整体辗钢车轮的成形工艺一般由镦粗、预成形、性,避免了偏心;10MN复动冲孔水压机具有可调间冲孔、轧制和压弯五个工步组成。其中镦粗更是改善隙的板式导向装置,保证轮毂冲孔无偏心;七辊卧式材料组织及性能,使材料得以合理分配的关键工步。轧机上下轧边辊和主辊各自为独立的可控硅直流伺传统火车轮生产工艺和模具设计一般凭经验和试错服传动,采用恒压伺服控制和位置闭环检测,轧制后法进行,车轮工艺及模具设计周期长,调试和修模过的车轮表面精度和尺寸精度都较高;30MN双动拉程复杂,提高了
3、生产成本。数值模拟可以有效地模拟深压弯水压机的独特结构和工模具,具有成形“S”形塑性加工过程,代替生产实验,还可以直观地显示成幅板车轮的优越性。该生产线可制造直径610mm～形过程中的材料流动、充填情况、应力应变情况,为1300mm的各类火车车轮和工业用钢轮。工艺及模具设计提供理论依据。本文以840HDSA低应力“S”形辐板车轮为例,对其镦粗工艺相关参数进3车轮镦粗工步工艺分析及有限元模拟行了理论计算,并用DEFORM软件模拟了镦粗及预车轮的镦粗工步属平砧板间的自由镦粗,由于成形过程。接触面上摩擦的影
4、响,使变形呈不均匀分布,镦粗后外观呈鼓形,是一个非稳定的塑性流动过程。为了充2火车车轮成形工艺流程及设备分满足轮盘的形状、尺寸和内在质量要求,国内外火车车轮成形一般采用一次加热,逐步成形技均采用大变形镦粗。术,其热成形工艺流程为:①镦粗。在模锻水压机上表1钢坯镦粗变形值比较将钢坯镦粗成一定高度的圆饼状坯料;②预成形。在踏面直径/mmH0/mmH1/mm变形程度/%60MN下拉式模锻水压机上模压成形轮毂及部分辐加拿大840467～521140～14670～72板;③冲孔。采用10MN复动冲孔水压机冲出中
5、心太重84044012572马钢840377～44512068～73孔;④轧制。在七辊卧式轧机上对轮辐辗轧,使轮辋的径向达到热锻件的直径,并使轮辋、踏面和法兰成840HDSA车轮采用!414mm钢锭制坯,钢坯的形;⑤压弯。用30MN双动拉深压弯水压机弯曲幅原始高度H0=440mm,变形温度为1200℃时,Y=板,达到要求形状与厚度,并使轮形得到校正。25MPa。分别取钢坯的压下量ΔH为300mm、315上述成形工艺已被太原重型机械集团轮轴公司mm、320mm三个不同镦粗后高度进行对比分析。期车轮的坯料
6、采用圆柱形下注式钢坯,其镦粗可2采用,其整体辗钢车轮生产线所使用的设备也都在第年800一定程度有利于成形精度的提高。60MN下拉式模以简化为二维轴对称问题进行分析计算。可以推导2出镦粗变形力公式为:基金项目:山西省高校青年学术带头人资助项目(2007)mDπ2P=pF=Y(1+)D收稿日期:2007-12-286H4作者简介:宋光鑫(1983-),男,硕士在读,主攻火车轮成形工艺研究式中:F——锻件与模具接触面在水平方向上的投影及数值模拟面积;52FORGING锻造Y——相应变形温度和速度下的真实流动
7、应力。特点如图2所示。镦粗模拟参数设定如下:摩擦因子m=0.30,上预成形过程中不同典型阶段的速度矢量图表明模运动速度为18mm/s,下模运动速度为0mm/s,平了金属的流动模式。从图中可看到,变形过程可分为均增量步长2mm。分别对不同压下量的情况进行模自由镦粗和约束镦挤两个阶段。在变形初期,幅板处拟。材料首先被镦粗,随着变形的继续,毛坯外侧与定径良好的镦粗变形,不仅能得到规整的轮坯,而且环接触,变形进入约束镦挤阶段。随着约束力的增内部孔隙能很好地压实,铸态组织得以充分地破大,幅板区出现明显的分流层,
8、分流层内侧材料向轮碎,力学性能得以改善。研究指出:当镦粗变形超过毂区流动,外侧材料则向相反方向的轮辋区流动,为40%时,坯料内部的等效应变场和静水压应力分布此轮毂首先被填充。又由于金属向模膛下腔的流动是比较理想的。由表1可知,国内外所用的镦粗锻造速度较上腔大,因而轮毂下腔先被充满。在其下腔充比均大于3。由于接触面上摩擦的影响,使变形体内满后,材料受到了一定的阻力,向轮毂上方流动,直应力不均匀分布,从而使变形也呈不均匀分布,形成至充满整个轮毂模膛。轮毂充满
