火車車輪全模鍛數值模擬

洪明虎 黃志輝 鄭澤曄

(西南交通大學牽引動力國家實驗室，四川610031)

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

1 車輪加工工藝分析比較

鐵路車輪按結構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濟，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。

美國采用整體石墨模、壓力鑄型、程序凝固及無損檢測等新工藝新設備生產出新型整體鑄鋼車輪。根據美國有關部門統計，其車輪市場上鑄鋼車輪占80%。美國車輪生產標準AAR(Association of American Railroad)就是針對鑄鋼車輪制定的[1]。

整體模鍛車輪生產率低，以及受大功率水壓機限制，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的壓軋車輪得到廣泛應用，但壓軋車輪工序較多，工藝復雜。

前蘇聯制造小直徑車輪經常使用全模鍛法，一些研究院也曾試驗過連續模鍛和分段模鍛。20世紀40年代美國坎姆斯伯格公司就已經使用全模鍛法制造車輪。該公司的生產實踐證明，用模鍛工藝制造的車輪，其金屬力學性能、幾何尺寸的精確度以及經濟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、折疊)；由于減少了機組的數量和工序，從而簡化了工藝流程；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50%)。圖1為坎姆斯伯格公司使用全模鍛工藝生產車輪的工藝流程圖[2]。

目前，世界上已有十多個國家如美國、法國、日本、德國、捷克、印度和中國等生產整體車輪。在我國，生產車輪的廠家主要有：馬鋼股份公司車輪分公司(模鍛—軋制生產線)、太原重型機械(集團)有限公司鋼輪廠(模鍛—軋制生產線)、鐵道部大同機車車輛廠(鑄鋼車輪生產線)。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

目前國內還沒有將全模鍛加工車輪投入生產?；诖?，燕山大學顧煜基教授對全模鍛法加工車輪進行研究，得出采用分段模鍛法加工車輪的加工工藝，本文對該工藝過程進行了數值模擬研究。

全模鍛車輪工藝生產流程如下：連鑄鋼坯→加熱→除氧化皮→50 MN水壓機上鐓粗、壓痕→100 MN水壓機上初模鍛→200 MN水壓機上終模鍛→50 MN水壓機上壓彎幅板、沖孔、切飛邊→熱處理→機加工→噴丸處理→超聲波探傷→落錘沖擊試驗→車輪平衡試驗→檢驗→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 數值模擬模型建立[4]

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

由于鐓粗、壓痕工藝數值模擬研究已完成，本文僅對初模鍛和終模鍛進行數值模擬研究。

坯料初始溫度1 100℃，材質為AISI-1060鋼，相當于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；為了節省計算資源，本文僅對1/4模型進行模擬研究。

由于模擬初模鍛如圖3所示和終模鍛如圖4所示的兩個過程，需在初模鍛結束后，更換模具來模擬終模鍛。

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 數值模擬結果分析

4.1 金屬流動數值模擬

通過對初模鍛過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一步分為輪轂充滿和輪輞充滿。各階段的變形規律和特點如圖5所示。

初模鍛過程中不同典型階段的速度矢量圖表明了金屬的流動特性。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，變形進入約束鐓擠階段。隨著約束力增加幅板區出現明顯的分流層，分流層內側材料向輪轂區流動，外側材料則向相反方向的輪輞區流動，為此輪轂首先被填充。又由于金屬向模膛下腔的流動速度較上腔大，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，直至充滿整個輪轂模膛。輪轂充滿后，隨著上模的繼續下壓，輪轂區和幅板區的材料快速向輪輞區流動，直到輪輞區也被充滿。

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

終模鍛過程主要為踏面成型階段，金屬流動規律如圖6所示。

由于材料受阻力影響，金屬向輪緣處流動，直到填滿整個模具。

4.2 金屬填充規律

根據金屬流動規律分析，輪轂處金屬充滿度較為理想，而輪輞處金屬易出現如圖7所示的充不滿現象。

4.3 模具受力分析

車輪在鍛壓過程中，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。通過對受力圖進行分析，初模鍛過程中，輪輞成型所需的鍛壓力最大(大約為60MN)，終模鍛過程中，鍛壓力為65MN左右。由于數值模擬過程中，工件與模具溫度恒定，熱交換未能實際反映出來，致使模具受力與實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 結論

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

(2)輪輞處金屬易出現充不滿現象，為全模鍛車輪模具設計提供一定的參考依據。

(3)對模具受力情況進行分析，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噸位的選擇提供了一定的理論依據。

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

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

[3] 顧煜基.全模鍛火車車輪的制造.重型機械，1998(2)：7.

[4] 李傳民，王向麗，等.Deform5.03金屬成形有限元分析實例指導.機械工業出版社.

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