近年来，随着铁路运输行业的发展，车轮作为火车的主要构成部件，从目前各国所生产的火车车轮情况来看，除采用少量铸钢外，大多通过钢锭制胚，经过锻压轧制，压弯，最后经过切削加工形成。我国现有的火车车轮其完整的生产线是引入上世纪六十年代，由苏联研发的生产技术。钢锭折断下料钢坯，经过加热之后，首先会在水压机中分三个工序完成，制坯，包括自由墩粗，环内的墩粗以及压痕操作。其次在80MN的水压机中完成模锻成形操作，之后在轧制机中完成轧制扩径操作，采用另一台水压机完成压弯操作，最后经过切削加工形成火车车轮。

经过多年来的生产实践发现，该工艺所涉及的流程步骤较多，总体生产率相比西方发达国家来说较低，而且很难控制钢坯下料的大小，且经常会存在端面不齐，变形过程中出现偏心问题，因此需要增加切削余量，同时由于很难控制压痕深度，导致最终墩粗环以及模腔拔模斜度不同。所生产的锻模间经常会出现产品不达标的问题。

1国外火车车轮制造

为能够提高火车车轮的制造生产效率，减少不合格率，需要对原有的火车车轮制造生产线进行优化改造，主要需要增加水压机的数量和吨位数，能够将原有生产率提高到每小时120个。比如在日本，美国等国家所采用的火车车轮生产制造工艺中，这些国家的工艺特点是分布进行钢坯预锻和模锻过程，这两个步骤是在同一个水压机中完成的。其次在轧机中完成轧制扩径，利用另一台水压机完成冲孔和压弯操作，利用这种制造工艺流程能够将生产率控制在每小时80个，相比两种火车车轮生产工艺流程来看，这些工艺后半部环节几乎一致，而前半部在锻压过程中存在较大差异。从前者来看需要经过四个步骤完成钢坯，且分别利用三台水压机进行模锻锻出，而后者的生产工艺中在钢坯制造中需要经过两个步骤，且在同一台水压机中完成模锻件的锻出过程，前者的生产流水线中生产率较高，但由于相比后者来说，增加了两台水压机，因此相应增加了水压机的数量，进而导致其厂房的占地面积和投入成本相比后者来说要高，而后者采用的水压机数量较少，但总体生产率低，无法充分发挥设备的效能。

2 研发火车车轮制造新工艺

研究人员通过全面分析现有的火车车轮制造工艺，比较不同的制造工艺方法，利用模拟实验和有限元方法，能够对车轮制造过程中锻模变形进行深入分析，在以其作为模拟实验样品时，根据其实际尺寸按照1:10的比例，将样品经过压缩，制造出不同锻压过程的模具，测定各环节变形流动状态和压力。最后利用有限元软件分析其内部应力变化，在这一研究过程中其关键环节是要利用自由墩粗来完成支配，不仅能够减少预制品的工艺流程，同时在整个加工过程中无需使用大型水压机，在车轮锻压工艺过程中，只需要经过与支配和模锻两个过程，分别利用两台大小不同的水压机组完成生产，能够将生产率提高至每小时120个。比如，针对钢坯锯切下料时能够减小切削加工和偏心余量，显著提升工作效率。

通过研究发现，采用新型研发的车轮制造工艺时，需要完成预成型支配的模锻模设计和型毡设计，而且其设计合理，能够使模锻件得到良好填充。

3 车轮制造新工艺的数值模拟

在车轮金属成形过程中实际上是一个相对复杂的变形过程，在车轮成形过程中，材料特点，温度，摩擦条件，模具结构都会对成形过程产生不利影响。当前在生产过程选取工艺参数时主要依靠人为经验以及实验检测过程，但这种方法检测效率较低，而且精度较差，而且无法解决复杂问题。当前随着技术的发展，以及有限元数值模拟和计算机图形技术的发展，能够开创锻压工艺和模具领域，利用塑性有限元方法不仅能够用于塑性加工过程的内能消耗，同时还能够计算变形产生的应变。金属流动以及与分布，为进一步优化工艺过程提供重要参考依据。经过多年的实践积累，能够开发二为钢粘塑性有限元分析系统，从一定程度上来看该系统具备下列功能：能够对于一些外形较为复杂的锻造问题，可自动生成初始速度场，并且能够处理任意曲线边界的摩擦新问题。其次能够自动确定任意边界约束状态，刷新边界的节点位置，具有全局网格重划以及局部调整的功能，可以采用人机交互，自动划分等多种方式，从一定程度上减少全局网格重划的次数。最后能够进行网格的变形的跟踪，可以通过计算机软件在微机上运行，能够模拟非稳态和大变形成形问题。比如我们利用该系统对火车车轮锻造的终成形和预成形过程进行数值分析，所选取的摩擦因子系数为0.6，车轮变形速度为每秒40毫米，变形步长选取毛坯初始高度的0.5%。如图所示依次为坯料的初始网格，预成形结束之后的网格，终成形之后的网格分布，以及等效应验分布情况。通过计算进行三次全体网格的划分，通过多次的计算，根据金属变性流动信息的修改，及时调整模具尺寸和配料，优化工艺参数，合理利用模具结构，最终能够获得火车车轮成型的最佳工艺。

研究学者着利用有限元数值模拟方法，进一步分析了车轮成形制造工艺，比如王志成等人利用二维非稳态塑性有限元软件，分析火车车轮在预锻造和锻造中的重新过程，分析了车轮成形金属流动性的规律。而B C Miller等人利用商业有限元软件分析了车轮压轧变形的整个过程，能够与物理模拟结果进行比较，模拟加热过程的温度场，利用断裂理论进行穿孔模拟，结果发现高温度梯度冷却模具对于金属流动会产生较大影响，并综合多种因素预测表面折叠缺陷。K Davey等人分析了有限元模拟软件在火车车轮成形中的实例应用，认为当前利用数值模拟进行车轮成形问题分析上还存在较大难度，主要是由于数值模拟计算量较大，以及有限元网格再生等问题。

综合来看，我国在塑性成形工艺相比西方发达国家来说还比较滞后，而且火车车轮成形工艺还存在变形不合理，模具使用寿命，火车车轮整体质量低等问题，通过物理模拟技术能够实现定性分析。而在生产过程中通用性较差，主要是由于国内当前有限元数值模拟工作还处于初级阶段，在国内文献中还没有发现能够利用三维有限元数值模拟对火车车轮压轧工艺进行系统分析，还存在较多的预成型工序分析。因此我们认为在火车成形研究过程中，未来还需要深入开展对以下几个方面的研究：比如在车轮轧制过程中模具表明温度受力情况，对于模具磨损产生的影响，工件形成折叠之后其表面缺陷问题，定量分析产生表面折叠的尺寸和形状部位，预成型过程中的合理设计，对于重新产生的影响车轮偏心的原因和措施轧制工序的有效元数值模拟，设置最佳压下料，则轧辊摩擦对于火车车轮成形会产生的影响。

小结

在本研究中，基于原有的火车车轮制造工艺的前提下，研发出新型的制造工艺，经过加热后的钢坯能够在两台不同大小的水压机中完成预制配和模锻两个过程，制作相应的粗墩之后，经过轧制，冲孔，压弯等工序之后，能够充分利用生产线的生产设备，进而能够显著提高生产效益。

参考文献

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