薄轮辋_深盆形车轮的热成形工艺

1、第19卷第11期2007年11月钢铁研究学报Vol.19,No.11November2007JournalofIronandSteelResearch薄轮辋、深盆形车轮的热成形工艺李翔,许章泽,安涛,李胜祗,闫军11122(1.马鞍山钢铁股份有限公司车轮公司,安徽马鞍山243010;2.安徽工业大学材料学院,安徽马鞍山243002)摘要:借助商业有限元软件MSC/Superform,研究了薄轮辋、深盆形车轮的成形技术,较好地解决了具有薄轮辋、深盆形特点车轮的热成形工艺设计问题,获得了显著的经济效益和社会效益。关键词:车轮;薄轮辋;深盆形;热成形中图分类号:TG312文献标识码:A文章编号:10

2、010963(2007)11004003HotFormingTechnologyofRailwayWheelWithThinRimWidthandDeepDishLIXiang1,XUZhangze1,ANTao1,LIShengzhi2,YANJun2(1.RailwayWheelCompany,MaanshanIronandSteelCoLtd,Maanshan243010,Anhui,China;2.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,AnhuiUniversityofTechology,Maanshan243002,Anhui,China)Ab

3、stract:Theshapecharacteristicofrailwaywheelwiththinrimwidthanddeepdishwaspresented.ThehotformingtechnologywasstudiedbyapplyingMSC/superformcommercialsoftware,andacorrectsolutiontodesigninghotformingtechnologyofthiskindofwheelwasworkedout.ThroughIndustrialproduction,higheconomiceffectandsocialbenefit

4、scanbeobtained.Keywords:wheel;thinrimwidth;deepdish;hotforming客车高速、货车重载运输技术已被国际公认是铁路发展的方向,高速重载运输取得的效益已经各国的实际运输业绩所证实。但高速、重载对火车车轮的强韧性、耐磨性、抗热裂性、抗疲劳性以及抗剥离性要求更高。20世纪90年代后,有限元应用技术日益成熟,用有限元弹性模型可研究车轮的运行状态,评定车轮设计的合理性,优化设计出具有低应力、高抗热损坏性能的车轮。1981年,美国铁路协会(AAR)对车轮进行有限元分析,将评定要求制定成AAR标准S660。据此设计的低应力车轮具备以下特点1: 薄轮辋,其

5、辋厚小于50mm;!深盆形,内辐板中线与内辋面相距较大,车轮呈较深的盆状;车轮辐板厚度较薄,其值小于25mm;#车轮辐板呈S形,且全部用圆弧连接;轮毂壁厚较薄,仅为30mm;%采用高速的HLM型踏面外形。本文介绍了具有薄轮辋、深盆形车轮的热成形工艺的设计问题,提出了该类车轮设计中关键问题的解决方法,经生产实践证明效果良好。1车轮结构H36货车车轮是出口北美市场的代表产品,低应力的使用性能决定其具有薄轮辋、深盆形特点。H36货车车轮结构和尺寸见图1,成品重326kg,轴图1H36货车车轮的几何尺寸Fig1Framedimensionofwheelforfreightcars作者简介:李翔(197

6、1),男,大学本科,高级工程师;Email:lixiang0916;修订日期:20070602第11期李翔等:薄轮辋、深盆形车轮的热成形工艺41重298t,速度100kM/h,轮毂内侧面与轮辋内侧面距离为63mm。H36车轮轮辋厚度仅385mm,而常规车轮轮辋厚度大于50mm,故其具有薄轮辋的特点。该车轮靠近轮毂部位的内辐板中线位于轮辋内侧下面,整个车轮呈深盆形,车轮辐板由圆弧连接成大S形。重向内倾斜的现象,而且踏面斜度加大,如不解决将造成大量废品。针对此问题,仔细观察各轧钢机组的生产状况,发现在压弯时出现了辋面压斜的现象。为此,轧制时改变轮辋和踏面的形状,使车轮外辋面先向反方向倾斜,这样,压

7、弯后被整形为正常形状。重新设计的轧制轮辋孔型见图3。32车轮压弯成形数值模拟由于车轮具有轴对称性,故采用二维轴对称热力耦合数值模拟。模具压下速度为50mm/s。压弯工序来料为车轮轧制坯,材料为60号钢,相当于CL60钢,用四节点单元网格离散坯料,共224个单元,274个节点。材料的物理性能(热传导系数、热容和热膨胀系数)随温度变化,变形抗力是热力学参数(变形程度、变形速度和变形温度)的函数,这些数据均从模拟软件的材料库中读取。车轮压弯工序的温度为1150&。模具与工件间接触摩擦遵循剪切摩擦定律,摩擦因子取05。传热边界条件主要考虑工件与模具间的接触传热及工件与环境间的对流传热,工件与模具间的接

8、触传热系数取12kW/(m2&),工件与环境间的对流传热系数取012kW/(m2&)。视模具为恒温刚性体。关于变形热效应的影响,T.B.Wertheimer认为大多数金属变形功的90%将转化为热量3。图4为模拟结果。压弯时,轧制轮坯置于下压弯模上,以车轮内侧内径圆弧段定位,上压弯模先接触车轮外侧压制辐板圆弧处,压弯模具与轧件位置见图4(a)。压弯时辐板通过拉伸弯曲变形,达到工艺2车轮成形过程火车车轮热成形过程为:在2号30MN水压机上完成镦粗、定径、压痕工序,获得预成形轮坯;在80MN水压机上完成成形工序,得到车轮成形坯,获得轮毂和压制辐板的工艺尺寸。在车轮轧机上轧制车轮,使成形坯扩径,外径达

9、到工艺要求,并获得充满较好的轮缘。在3号30MN水压机上冲孔压弯,将轧制坯直辐板压弯成形,平整辋面,获得目标尺寸。热成形过程见图2。23车轮成形工艺设计特点31薄轮辋的成形设计H36货车车轮轮辋厚度仅385mm,变形较困难。在试制生产中,发现此车轮的外辋面出现了严图2车轮的热成形过程Fig2Hotformingprocessofwheel图3轧制轮辋孔型构成Fig3Rollpassdesignforwheelrim图4H36车轮的压弯成形过程Fig4DishingprocessofH36wheel42钢铁研究学报第19卷尺寸。由于轮辋较薄,变形时先被拉斜,整个轮辋逆时针旋转,内辋面与下压弯模之

10、间产生间隙见图4(b)。随后,上压弯模与车轮外侧内径处接触,对轮辋反向加压,致使整个轮辋顺时针旋转,变形情况见图4(c)。最后,伴随内外辋面平整,车轮压弯成形结束,图4(d)是压弯成形的车轮坯。33车轮轮毂下沉量设计车轮具有轴对称圆形结构,在淬火热处理工序,轮辋急剧冷却,导致轮毂下沉4。H36货车轮是大S型辐板、薄轮辋、深盆形车轮。试制生产时,合格率很低,这与淬火下沉量的估计有关。淬火下沉量是困挠国际车轮生产行业多年的难题,无法用公式计算出下沉量,只能根据经验估测。试验中,首先按照常规产品的下沉量估算H36车轮轮毂的下沉量,再根据首次生产情况,测量出所有H36车轮冷态毛坯轮毂下沉量,发现实际下

11、沉量比预计量大,达到68mm,致使车轮内板外侧在预加工时全部呈黑皮,因此出现废品。为此重新设计成形工艺,将下沉量定为7mm,问题得以解决,而且内板余量也减少了4mm。4结论(1)根据车轮薄轮辋和深盆形的特点,合理设计轮辋孔型,在轮辋外侧预留金属,待压弯拉伸时,平整辋面,得到理想的外形尺寸。(2)数值模拟车轮压弯成形结果与实际生产一致,表明设计方法正确。(3)由于车轮的深盆形特点,致使在热处理工序中轮毂出现较大的下沉量,结合生产经验,选取合适的下沉量,获得符合要求的毛坯形状。参考文献:1郭玉玺.辗钢车轮的低应力设计与制造J.太重技术导报,1997,(1):2133.2程必福,蔡钊,李恺,等.车轮

12、轮箍生产M.北京:冶金工业部工人视听教材编辑部,1991.3WertheimerTB.ThermalMechanicallyCoupledAnalysisinMetalFormingProcessA.PittmanJFT,WoodRD,AlexanderJM,etal.NumericalMethodsinIndustrialFormingProcessesC.SWANSEA:PineridgePressLtd,1982.425434.4比比克.火车车轮的制造M.苏星,译.北京:冶金工业出版社,1990.(上接第35页)在板形自动控制模型中,同时LVC的窜辊策略也为采用特殊辊形进行板形控制提供了

13、参考。(2)从现场实际轧制的板形质量数据看,LVC辊型具有良好的轧制稳定性,比常规工作辊板形控制能力强,可以较好地改善板形质量。图4按宽厚度比较常规辊与LVC辊轧制时的板形Fig4StripshapecontroleffectofLVCrollingandnormalcontourrollingaccordingtowidthandthickness1王仁忠,何安瑞,杨荃.LVC工作辊辊型的板形控制性能研究J.钢铁,2006,41(5):4143.2赵昆,袁建光.宝钢热轧厂新CVC板形控制模型的应用J.宝钢技术,1995,(3):57.3GUORenmin.ComputerModelSimulationofStripandShapeControlJ.IronandSteelEngineer,1986,11(21):3538.4孙一康.带钢热连轧的模型与控制M.北京:冶金工业出版社,2002.5WillmsW.ProfileandFlatnessControlinHotStripMillsJ.MetallurgicalPlantandTechnology,198