（材料加工工程专业论文）车轮锻造过程数值模拟及锻造模具cad系统.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：翟趣j 日 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：銎妞导师签名 期：艘三： 山东大学硕十学位论文 目录 i i 要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论l 1 1 弓i 言1 1 2 火车轮生产与研究现状2 1 2 1 火车轮生产企业，：2 1 2 2 火车轮生产工艺4 1 2 3 火车轮成形工艺研究现状5 1 3 本文主要研究内容6 1 3 1 火车轮生产工艺中存在的问题6 1 3 2 本文研究内容6 1 3 3 研究方法7 1 3 4 论文各章主要内容简介8 第2 章火车轮成形工艺1 1 2 1 火车轮锻造工艺分析和工序设计1 l 2 1 1 火车轮零件1 l 2 1 2 火车轮生产工艺。l l 2 2 车轮预成形、成形工艺1 4 2 2 1 预成形工艺1 4 2 2 2 成形工艺1 4 2 2 3 成形对模具的影响1 5 2 3 车轮轧制工艺15 2 3 1 轧制成形设备15 2 3 2 轧制成形原理1 6 2 3 3 轧制力计算。17 2 。4 车轮压弯工艺1 8 2 4 1s 型辐板的优点l8 2 4 2s 形辐板成形过程l8 山东大学硕十学位论文 2 4 3s 形辐板热成形设计方法1 9 2 5 本章小结2 0 第3 章火车轮锻造过程数值模拟与优化2 1 3 1 有限元法概述2 l 3 1 1 有限元法的基本思想和应用2 1 3 1 2 有限元法的基本假设和基本方程2 2 3 2 有限元模拟软件d e f o r m 2 3 3 2 1d e f o r m 软件简介2 3 3 2 2d e f o r m 的基本功能2 4 3 2 3d e f o i m 软件的系统结构2 5 3 2 4d e f o r m 进行数值模拟的基本步骤一。2 6 3 3 火车轮预成形和成形工步数值模拟2 6 3 3 1 分析模型的建立2 6 3 3 2 预成形模拟结果分析2 8 3 3 1 3 成形工步模拟分析。3 0 3 3 4 预成形压下量对成形过程的影响。3 2 3 3 5 压痕模形状对成形过程的影响。3 5 3 4 压弯过程数值模拟3 7 3 4 1 压弯过程数值模拟模型的建立3 7 3 4 2 压弯过程数值模拟结果分析3 8 3 5 冲孔过程数值模拟4l 3 5 1 冲孔过程数值模拟模型的建立4 1 3 5 2 冲孔模拟断裂准则的设置4 2 3 5 3 冲孔模拟结果分析。4 4 3 6 本章小结4 6 第4 章火车轮锻件及模具c a d 开发4 7 4 1u g 三维造型软件及二次开发工具4 7 4 1 ，lu g 软件简介4 7 4 1 2u g 二次开发工具4 8 4 1 3u g 参数化建模的基本原理。5 3 山东大学硕十学位论文 4 1 4w a v e 技术。5 4 4 2 火车轮锻造工艺与模具c a d 系统总体设计5 4 4 2 1 系统设计思想。5 4 4 2 2 火车轮模具c a d 系统总体设计5 6 4 2 3u g 二次开发系统平台设置5 7 4 3 火车轮零件的三维造型及参数化建模5 8 4 3 1 火车轮零件模型的建立5 8 4 3 2 创建零件参数控制对话框6 0 4 3 3 火车轮零件参数控制程序开发。6 1 4 4 火车轮锻造坯形设计6 4 4 4 1 火车轮热锻坯设计“ 4 4 2 冲孔压弯坯设计。6 4 4 4 3 成形坯设计6 7 4 4 4 预成形坯设计。6 9 4 5 火车轮锻造模具和模架的生成7 0 4 5 1 模具与车轮热锻坯全相关的实现。7 0 4 5 2 模架生成模块7 2 4 6 本章小结7 4 第5 章结论与展望7 5 5 1 结论7 5 5 2 展望7 5 参考文献7 7 致 谢8l c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 1 1 1 f o r w a r d 1 1 2p r o d u c t i o na n dr e s e a r c h o f t h et r a i nw h e e l s 2 1 2 lm a n u f a c t u r e r so f t r a i nw h e e l s 2 1 2 ，2p r o d u c t i o np r o c e s so f t r a i nw h e e l s 4 1 2 3r e s e a r c ho f t r a i nw h e e l sf o r m i n g p r o c e s s 5 1 3t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so f t h i sa r t i c l e 6 1 3 1p r o b l e m si nt r a i nw h e e l sp r o d u c t i o np r o c e s s 6 1 3 2r e s e a r c hc o n t e n t s 6 1 3 3m e t h o d s 7 1 3 4b r i e f i n t r o d u c t i o no f e a c h c h a p t e r 8 c h a p t e r 2f o r m i n gp r o c e s so ft r a i nw h e e l s 。ii 2 if o r g i n gp r o c e s sa n a l y s i sa n dp r o c e s sd e s i g no f t r a i n w h e e l s 11 2 1 1t r a i nw h e e lp a r t s 11 2 1 - 2t r a i nw h e e lp r o d u c t i o np r o c e s s 1 1 2 2p r e f o r m i n ga n df o r m i n gp r o c e s so f t r a i nw h e e l s 1 4 2 2 1p r e f o r m i n gp r o c e s s 1 4 2 2 2f o r m i n g p r o c e s s 1 4 2 3r o l l i n gp r o c e s so f t r a i nw h e e l s 15 2 3 1r o l lf o r m i n ge q u i p m e n t s 1 5 2 3 2r o l lf o r m i n gp r i n c i p l e s 1 6 2 3 3r o l l i n gf o r c ec a l c u l a t i o n 1 7 2 4b e n d i n gp r o c e s so f t r a i nw h e e l s 18 2 4 1a d v a n t a g e so f t h es - s h a p e dw e b p l a t e 18 2 4 2f o r m i n gp r o c e s so f t h es - s h a p e dw e b p l a t e 18 2 4 - 3h e a tf o r m i n g d e s i g nm e t h o d so fs - s h a p e dw e bp l a t e 19 山东大学硕士学位论文 2 5c h a p t e rs u m m a r y 2 0 c h a p t e r3 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h et r a i nw h e e lf o r g 吨p r o c e s s 21 3 1a no v e r v i e wo f t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d 2 1 3 1 1t h eb a s i ci d e ao f f e ma n da p p l i c a t i o n 2 1 3 1 2t h eu n d e r l y i n ga s s u m p t i o n sa n db a s i ce q u a t i o n so f f e m 2 2 3 2f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r ed e f o r m 2 3 3 2 1i n t r o d u c t i o no f d e f o r ms o f t w a r e 2 3 3 2 2b a s i cf u n c t i o n so f d e f o r ms o t h v a r e 2 4 3 2 3s y s t e ms t r u c t u r eo f d e f o r ms o r w a r e 2 5 3 2 4t h eb a s i cs t e p so f t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f d e f o r ms o f t w a r e 2 6 3 3t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h ep r e f o r m i n ga n df o r m i n gp r o c e s ss t e p so f t r a i nw h e e l s 2 6 3 3 1f o u n d a t i o no f a n a l y s i sm o d e l 2 6 3 3 2r e s u l t sa n a l y s i so f p r e f o r m i n gs i m u l a t i o n 2 8 3 3 3t h es i m u l a t i o na n a l y s i so f f o r m i n gp r o c e s ss t e p 3 0 3 3 4i n f l u e n c eo f p r e f o r m i n g r o l l i n gr e d u c t i o no nf o r m i n gp r o c e s s 3 2 3 3 5i n f l u e n c eo fi n d e n t a t i o nm o d u l u ss h a p eo nf o r m i n gp r o c e s s 3 5 3 4t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h eb o u n d i n g p r o c e s s 3 7 3 4 1f o u n d a t i o no f b o u n d i n gp r o c e s sn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e l 3 7 3 4 2r e s u l t sa n a l y s i so f t h eb o u n d i n gp r o c e s sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 3 8 3 5t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h ep u n c h i n gp r o c e s s 4 1 3 5 1f o u n d a t i o no f p u n c h i n gp r o c e s sn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e l 4 1 3 5 2b r e a k i n gc r i t e r i as e t t i n g so f p u n c h i n gs i m u l a t i o n 4 2 3 5 3r e s u l t sa n a l y s i so f p u n c h i n gs i m u l a t i o n 4 4 3 6c h a p t e rs u m m a r y 4 6 c h a p t e r4t r a i nw h e e lf o r g i n g sa n dd i ec a dd e v e l o p m e n t 4 7 4 1u g 3 d m o d e l i n gs o f t w a r ea n dt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt o o l s 4 7 4 1 1i n t r o d u c t i o n o f u gs o f t w a r e 4 7 4 1 2t h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt o o l so fu g 4 8 4 1 3t h eb a s i cp r i n c i p l e so fu gp a r a m e t r i cm o d e l i n g 5 3 4 1 4t e c h n o l o g yo f w a v e 5 4 山东大学硕十学位论文 4 2t r a i nw h e e lf o r g i n gp r o c e s sa n dd i ec a d s y s t e mo v e r a l ld e s i g n 5 4 4 2 1 t h eb a s i ci d e a so f s y s t e md e s i g n 5 4 4 2 2t r a i nw h e e ld i ec a d s y s t e mo v e r a l ld e s i g n 5 6 4 2 3u gs e c o n d a r yd e v e l o p m e n tp l a t f o r ms e t t i n g s 5 7 4 3t h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n g o ft h et r a i nw h e e l sp a r t sa n dp a r a m e t r i cm o d e l i n g 5 8 4 3 1f o u n d a t i o no f t r a i nw h e e l sp a r t sm o d e l 5 8 4 3 2c r e a t i n gc o n t r o ld i a l o gb o xo f p a r t sp a r a m e t e r 6 0 4 3 3c o n t r o lp r o g r a md e v e l o p m e n to f t h et r a i nw h e e l sp a r t sp a r a m e t e r 6 1 4 4t h eb l a n ks h a p ed e s i g ni nt r a i nw h e e lf o r g i n gp r o c e s s 6 4 4 4 1h o t f o r g i n gb l a n kd e s i g n 6 4 4 4 2p u n c h i n ga n db o u n d i n gb l a n k d e s i g n 6 4 4 4 3f o r m i n gb l a n kd e s i g n 6 7 4 4 4p r o f o r m i n gb l a n kd e s i g n 6 9 4 5f o r g i n gd i ea n dm o l d g e n e r a t i o no ft r a i nw h e e l s 7 0 4 5 1t b t a lc o r r e l a t i o no fd i ea n dw h e e l sh o tf o r g i n gb l a n k 7 0 4 5 2m o l dg e n e r a t i o nm o d u l e 7 2 4 6c h a p t e rs u m m a r y 7 4 c h a p t e r5c o n c l u s i o n sa n do u t l o o k 7 5 5 1c o n c l u s i o n s 7 5 5 2o u t l o o k 7 5 r e f e f e n c e s ：7 7 a c k n o w l e d g m e n t 81 山东大学硕十学位论文 摘要 铁路运输一直在我国国民经济发展中占据着举足轻重的地位。近十年来，我 国铁路实现了跨越式大发展，在运营里程、列车运行速度和客货运载量等方面均 达到了世界领先水平。火车轮是铁路运输车辆的关键零件，随着铁路车辆数量的 增加和速度的提高，我国对火车轮的产量和质量也提出了更高的要求。 “辗钢法 是世界各车轮生产厂家广泛采用的生产工艺，其成形过程分为三 个主要步骤：预成形及成形、轧制扩径和压弯冲孔。由于成形工艺复杂，火车轮 模具设计周期长、工作量大、设计成本居高不下，传统的设计方法已经无法满足 现实生产的需要。因此，研究火车轮的成形工艺，提高车轮锻造模具设计效率， 降低模具设计成本，提高模具质量，制造优质车轮，对我国铁路工业和火车轮生 产企业具有重要意义。 本文首先介绍了国内各生产企业的火车轮生产工艺，比较了各条生产线的优 势和缺点，并以马钢三线为例详细介绍了火车轮成形过程以及各工序的成形特点 和规律。 通过对火车轮成形工艺的分析，本文建立了预成形、成形、压弯和冲孔工序 的数值模拟模型，并利用d e f o r m 软件对火车轮的成形过程进行了数值模拟， 分析了火车轮成形各工序的金属流动规律、等效应力和等效应变分布以及载荷一 行程曲线。同时，本研究在对预成形、成形过程中成形力和金属充填情况分析的 基础上，找到了压痕模的宽度、高度和圆角半径以及预成形压下量对成形过程的 影响规律；而且通过对压弯过程的数值模拟，对s 形辐板的坯形设计进行了优化。 在对火车轮成形工艺进行分析和研究的基础上，本文根据火车轮成形过程数 值模拟的结果，以v c + + 6 0 为工具，u g 三维造型软件为平台开发了火车轮模具 c a d 系统。该系统包括成形坯设计模块、模具生成模块和模架生成模块。通过 该系统，不仅能够实现模具的快速设计功能，而且能在设计阶段对设计结果进行 检验和优化。 关键词：火车轮；锻造；有限元分析；c a d 系统 i l 山东大学硕士学位论文 山东大学硕+ 学何论文 a b s t r a c t r a i lt r a n s p o r th a sp l a y e dap i v o t a lr o l ei n0 1 1 1 n a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n t i nt h ep a s td e c a d e ，t h er a i l w a yi no u rc o u n t r yd e v e l o p e dr a p i d l y , t h em i l e a g e ，r t m n i n g s p e e da n dc a r r y i n gc a p a c i t yh a v er e a c h e dt h ew o r l da d v a n c e dl e v e l t r a i nw h e e li st h e k e yp a r to fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nv e h i c l e w i t ht h ei n c r e a s ei nt h en u m b e ro fv e h i c l e s a n dr a i l w a ys p e e d ，t h er e q u e s tf o rq u a l i t ya n dq u a n t i t yo ft h er a i l w a yw h e e li sg e t t i n g h i g h e r ”r o l l e ds t e e lm e t h o d ”i st h em o s tw i d e s p r e a dp r o d u c t i o np r o c e s su s e db yw h e e l m a n u f a c t u r e r si nt h ew o r l d ，a n dt h ep r o c e s sc a nb ed i v i d e di n t ot h r e em a i ns t e p s ： p r e f o r m i n ga n d 。f o r m i n g ，r o l l i n ge x p a n d i n ga n db e n d i n gp u n c h i n g d u et ot h e c o m p l i c a t e df o r m i n gp r o c e s s ，t h ed i e sd e s i g nc y c l eo ft r a i nw h e e li sl o n g ，t h e w o r k l o a di sh e a v y , t h ec o s to fd e s i g ni sh i g h ，a n ds ot h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o dh a s b e e nu n a b l et om e e tt h er e a ln e e d so fp r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，i ti so fi m p o r t a n t s i g n i f i c a n c et oc h i n e s er a i l w a yi n d u s t r ya n dt r a i nw h e e lp r o d u c t i o ne n t e r p r i s e st o s t u d yt h et r a i nw h e e l sf o r m i n gp r o c e s s ，t oe n h a n c et h ee f f i c i e n c yo fw h e e l sf o r g i n g d i e sd e s i g n ，t or e d u c et h ec o s to fd i e sd e s i g n ，t oi m p r o v et h ec o m p r e h e n s i v eq u a l i t yo f d i e sa n dm a k eh i g h q u a l i t yw h e e l s t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt h et r a i nw h e e lp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo ft h ed o m e s t i c p r o d u c t i o ne n t e r p r i s e s ，c o m p a r e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c hl i n e ，a n d t o o km a g a n gl i n et h r e ea sa ne x a m p l et oi n t r o d u c et h et r a i nw h e e lf o r m i n gp r o c e s s a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr e g u l a r i t yo f e a c hs t e pi nd e t a i l b a s e do nt h ea n a l y s i so ft r a i nw h e e lf o r m i n gp r o c e s s ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e dt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e l so fp r e f o r m i n g ，f o r m i n g ，b e n d i n ga n dp u n c h i n gp r o c e s s ， d i dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt ot r a i nw h e e lf o r m i n gp r o c e s su s i n gs o f t w a r ed e f o r m ， a n da n a l y z e dt h em e t a lf l o wl a w , e q u i v a l e n ts t r e s s ，e q u i v a l e n ts t r a i nd i s t r i b u t i o na n d l o a d d i s p l a c e m e n tc u r v eo ft h et r a i nw h e e le a c hf o r m i n gp r o c e s s m o r e o v e r , b a s e d o nt h ea n a l y s i so ff o r m i n gf o r c ea n dm e t a lf i l l i n gs i t u a t i o ni nt h ep r o c e s so f p r e f o r m i n ga n df o r m i n g ，t h er e s e a r c hf o u n dt h ee f f e c tl a wo f t h ei n d e n t a t i o nd i ew i d t h ， i i i 山东大学硕十学位论文 h e i g h t ，r a d i u sa n dt h ep r e f o r m i n gr e d u c t i o na m o u n to nt h ef o r m i n gp r o c e s s b a s e do n t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fb e n d i n gp r o c e s s ，w ef o u n do u tab e t t e rd e s i g nm e t h o do f s s h a p e dw h e e lp l a t e o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ft h et r a i nw h e e lf o r m i n gp r o c e s s ，t h i s a r t i c l ea c c o r d i n gt ot h et r a i nw h e e lf o r m i n gp r o c e s sn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s d e v e l o p e dt h e t r a i nw h e e ld i ec a ds y s t e mt a k i n gv c + + 6 0a st h et o o l ，u g t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r ea sap l a t f o r m t h es y s t e mi n c l u d e sf o r m i n g b l a n kd e s i g nm o d u l e ，d i e sg e n e r a t i o nm o d u l ea n dt h ef r a m eg e n e r a t i o nm o d u l e i tc a l l n o to n l yr e a l i z et h ed i e sr a p i dd e s i g nf u n c t i o n ，b u ta l s oc a i lt e s ta n do p t i m i z et h e d e s i g nr e s u l t si nt h ed e s i g np h a s e k e yw o r d s ：r a i l w a yw h e e l ；f o r g i n g ；f e ma n a l y s i s i ；c a ds y s t e m i v 山东大学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 铁路运输是一种重要的交通方式。我国地域辽阔，人口多且流动性大，资源 分布严重不均衡。在这样的基本国情下，发展铁路运输这种占地少、能耗低的交 通方式，对我国国民经济的健康发展具有重要的战略意义。 由于铁路运输在我国国民经济发展中占据着举足轻重的地位，我国一直非常 重视铁路建设与发展，并在“十二五规划中对未来的铁路运输提出了新的目标， 如图1 1 所示：到2 0 1 5 年，全国铁路营业里程将达到1 2 万公里以上，建成以高 速铁路为骨架、总规模5 万公里的快速铁路网；基本实现技术装备现代化，时速 2 0 0 公里及以上动车组成为快速客运的主要装备，全路投入运营的动车组达到 1 5 0 0 列以上；铁路运输能力大幅度提升，客货运量持续增长，2 0 1 5 年，全国铁 路客运量达到3 0 亿人，货运量达到4 8 亿吨【1 1 。随着铁路建设里程不断增加，我 国对铁路车辆及火车轮的需求也将大幅增加。 近几年，我国的铁路事业取得了突飞猛进的发展，尤其是高速铁路。自2 0 0 8 年开通第一条高速铁路京津城际以来，数条高铁相继建成投入运营，高铁运 营里程达到8 3 5 8 公里；全国铁路每天开行动车组列车近1 2 0 0 列。目前，我国已 经成为世界高铁运营里程最长、速度最快的国家j 火车轮是铁路交通运输车辆的 重要部件，具有承载、导向、传递动力与制动等功能。随着我国铁路运输逐渐朝 着高速、重载方向发展，车轮在复杂的运行工况及恶劣的工作条件下，由于受到 速度效应和制动方式的影响，对其耐磨性、强韧性、抗剥离性、抗热裂性、抗疲 劳性等均提出了更高的要求【2 】。 我国现在的火车轮生产技术水平有限，远远不能满足铁路建设对火车轮数量 和质量越来越高的要求。尤其是高速列车的车轮，尚未实现国产化。我国高速列 车的总成、车体、转向架、牵引变压器、牵引电机、牵引控制、牵引变流器、列 车网络控制和制动系统九大关键技术，均实现了国产化，整车国产化率超过7 5 ， 而车轮、车轴及i d b c 芯片等部件尚不能自己制造，仍依赖于进口。 m 大学顶学位论文 我国对火车轮的需求量很大。一列快速列车需要火车轮约1 0 0 件，我国高速 列车车轮总需求约1 5 万件，而且高铁车轮为易耗品，平均寿命仅2 5 年。进口 车轮一般采购价为4 - 5 万元，件，我国每年仅车轮采购就将花费4 0 亿元。 为早日实现高速车轮国产化，我国近期投入大量资金用于高速火车轮的研 发、旧生产线的改造和新生产线的建设。2 0 0 8 年，马钢集团投资3 0 亿元用于车 轮生产线技术改造和装备更新；2 0 1 0 年2 月，继续追加投资2 0 亿元启动高速车 轮改造工程，新建特种钢电炉炼钢，连续浇铸和开坯生产线。2 0 1 0 年1 0 月，山 东台力车轮一期投资1 75 亿元的3 0 万件高速火车轮生产线项目开工。2 0 1 0 年 1 2 月，太重集团投瓷1 6 亿元建设的3 0 万片高速车轮生产线破土动工。 因此，研究车轮成形工艺，大力提升车轮产品综合质量，提高产品加工的合 格率，制造优质车轮，降低生产成本已经是非常必要和十分迫切的任务。 疆 q