（材料加工工程专业论文）火车轴径向锻造机锤头的有限元分析及优化.pdf

中文摘要 中文摘要 近年来，随着我国经济的高速发展，我国的铁路建设进入了快速的发展阶 段，连续6 次铁路运输的提速，对铁路运输车辆中行走机构的主要零件的制造质 量、安全可靠性及重量等都提出了更高的要求。本文研究的车轴来源于行走机构 的主要零件，由于s x 3 2 型径向锻造机上锻造r d 2 型车轴出现了许多的问题，比 如钢材消耗量较大、端部凹坑较大、表面质量较差、生产效率较低等，而且径向 锻造过程是典型的三维大变形问题一坯料通常边旋转边作轴向送进，并且由于 锤头的高频率锻锤，这就造成了理论分析的复杂性，即便采用f e m 数值模拟，其 计算量之大，在一定程度上也对相关问题的研究造成了影响。因此，该锻造过程 的报道国内外鲜见，所以对现有车轴锻造模具的优化工作意义重大 本文基于金属塑性体积成形理论和有限元理论，对车轴成形的工艺过程进行 计算机模拟仿真和试验对比研究对其优化的模具进行了较为深入的论证，为生 产实际提供了理论依据 本文采用材料热力学试验模拟和计算机数值模拟相结合的现代集成研究方 法，首先要确保计算机模拟环境与实际生产环境的相同。由于d e f o r m - 3 d 软 件材料库中没有5 0 钢和2 5 c r m 0 4 的不同温度下的应力应变曲线图，所以进行了两 种材料的热模拟实验，得出它们的本构关系。其次在卧式精锻机的设备环境下， 应用d e f o r m 3 d 有限元软件模拟锻造实心轴的整个过程，并在毛坯成形过程 中的材料流动模式和应力应变分布研究的基础上，分析不同锤头结构对车轴成形 的影响，从而获得锤头工作表面较好的形状和尺寸。本文得出的结论是：( 1 ) 对于 r d 2 型车轴使用有预成形段的锤头，其成形效果会更佳。( 2 ) 带有双圆弧整形表面 的锤头，锻出的车轴不仅表面质量有所提高，而且对毛坯的锻造的车轴内部质量 也随之提高，锻透效果也较好，端部的凹坑有所减小。( 3 ) 当选择锤头工作表面整 形段长度尺寸为1 8 0 r a m 时，使用带有双圆弧整形段锤头不仅可以提高锻件的质 量，而且节约了材料，提高了生产效率。( 4 ) 将选出的锤头用于空心轴的锻造中， 为空心轴的进一步研究奠定了基础。 关键词：空心轴锤头径向锻造数值模拟有限元 a b s t r a c t f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no ft h er a d i a l yf o r g eh a m m e r m a j o r ：w e ij i a n - j u n d i r e c t e db y ：l i uj i a n - s h e n g a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a sc h i n a sr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，c h i n a s r a i l w a yc o n s t r u c t i o nh a se n t e r e dar a p i dd e v e l o p i n gs t a g e ，t h et r a i nh a s i n c r e a s es p e e df o rs i xc o n s e c u t i v et i m e s t h e r ew i l lb eah i g h e rd e m a n d o nt h em a i n p a r t s o ft h er 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 so p e r a t i n g m a c h i n e r ya b o u tm a n u f a c t u r i n gq u a l i t y , r e l i a b i l i t y , s a f e t ya n dw e i g h t t h i sa r t i c l em a i n l ys t u d ya b o u tt h ea x l ew h i c h c o m e sf r o mt h em a i n b o d y p a r t so ft h eo p e r a t i n gm a c h i n e r y a st h e r e a r em a n yp r o b l e m sa b o u t r d 2 - a x l ef o r g e do nt h es x 3 2 - r a d i a lf o r g i n gm a c h i n e ，s u c ha sl a r g e rs t e e l c o n s u m p t i o n ，h i g h e re n do ft h ep i t ，p o o rq u a l i t y o ft h es u r f a c e ，l o w p r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n ds oo n a n dr a d i a lf o r g i n gp r o c e s si sat y p i c a l p r o b l e mo ft h r e e - d i m e n s i o n a ll a r g ed e f o r m a t i o n - - b l a n ku s u a l l yb o t h r o t a t i o na n da x i a lf e e d i n g a n dt h eh i g h f r e q u e n c yf o r g i n gh a m m e r c a u s e dt h ec o m p l e x i t yo ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，e v e nu s i n gf e m n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h el a r g ea m o u n to ft h ec a l c u l a t i o n ，t oac e r t a i n e x t e n t ，w i l li m p a c to nt h es t u d yo fr e l a t e di s s u e s t h e r ei sf e wr e p o r to n t h ep r o c e s so ff o r g i n ga th o m ea n da b r o a d ，s ot h eo p t i m i z a t i o no ft h e e x i s t i n ga x l em o l di so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sp a p e ri sb a s e do nt h em e t a lp l a s t i cv o l u m ef o r m i n gt h e o r ya n d f i n i t ee l e m e n tt h e o r y , m a k e sc o m p u t e rs i m u l a t i o na n dt e s tc o m p a r a t i v e s t u d y o nt h ep r o c e s so ft h ea x l ef o r m i n g ，m a k e sad e e pd e m o n s t r a t eo nt h e o p t i m i z e dm o l d a n dp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ea c t u a lp r o d u c t i o n t h i sp a p e ru s et h em o d e m i n t e g r a t e dc o m b i n a t i o nr e s e a r c hm e t h o d s i i i a b s l l l 乙a c 。1 w h i c hc o m b i n em a t e r i a lt h e r m o d y n a m i c s t e s ts i m u l a t i o na n d c o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t e d f i r s to fa l l ，t oe n s u r et h a tt h ee n v i r o n m e n t o fc o m p u t e rs i m u l a t i o na n dt h ea c t u a lp r o d u c t i o nb et h es a m e a st h e r ei s n ot h es t r e s s s t r a i nc u r v e so ft h e50s t e e la n d2 5c r m 0 4u n d e rd i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s i nd e f o r m 3 ds o f t w a r em a t e r i a l sl i b r a r y , s od ot h e s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so ft w om a t e r i a l sa n da c q u i r et h e c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n so ft h e m s e c o n d l y , u n d e rt h eh o r i z o n t a ls o p h i s t i c a t e d f o r g i n g e q u i p m e n te n v i r o n m e n t ，a p p l yd e f o r m - 3 d f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r et o s i m u l a t et h ew h o l ep r o c e s so ff o r g i n gs o l i da x i s ，a n do nt h eb a s i so f t h e p r o c e s so fm a t e r i a lf l o wp a t t e r n sa n dd i s t r i b u t i o no fs t r e s s a n ds t r a i n ， a n a l y z et h ei m p a c to ft h ea x l ef o r m i n g u n d e rd i f f e r e n th a m m e r h e a d s ，i n o r d e rt o a c q u i r e b e t t e r s h a p e a n ds i z eo ft h ew o r ks u r f a c e o f h a m m e r h e a d s 皿l i sp a p e rc o n c l u d e dt h a t ：f o ri 2 一a x l e ，i t sf o r m i n g e f f e c tw i l lb eb e t t e rb yu s i n gt h ep r e f o r m i n g h a m m e r h e a d 昕凼 h a m m e r h e a d so f d o u b l ea r cs h a p i n gs u r f a c e ，n o to n l yt h es u r f a c eq u a l i t y o f f o r g e da x l eh a si m p r o v e d ，b u t m ei n t e r n a lq u a l i t yo fb l a n k - f o r g i n ga x l e a l s ow i l lb ei m p r o v e d ，t h ee f f e c t so ff o r g i n g - t h r o u g hw i l lb eb e t t e r , t h e e n do ft h ep i tw i l lb er e d u c e d 。蚴e nc h o o s et h e18 0m i l ls h a p i n gs u r f a c e f o rt h eh a m m e r h e a dw o r ks u r f a c e ，b yu s et h eh a m m e r h e a do fd o u b l ea r c s h a p i n gs u r f a c ec a nn o to n l ye n h a n c et h eq u a l i t yo ff o r g i n g sb u t s a v e m a t e r i a l sa n di m p r o v et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y f i n a l l y , t h eh a m m e r s w i l lb es e l e c t e df o rm ef o r g i n go ft h eh o l l o ws h a f t ，a n dl a yt h ef o u n d a t i o n f o rt h ef u r t h e rs t u d yo ft h eh o l l o ws h a f t k e yw o r d s ：h o l l o w - a x l e h a m m e rr a d i a lf o r g i n g n u m e r i c a l s i m u l a t i o nf e m 承诺书水话吊 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师 指导下独立完成的，学位论文的知识产权属于太原 科技大学。如果今后以其他单位名义发表与在读期 间学位论文相关的内容，将承担法律责任。除文中 已经注明引用的文献资料外，本学位论文不包括任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。 作者：卫建军 2 0 0 8 年6 月 绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 中国地域辽阔，人1 2 1 众多，资源分布不均，地域经济发展不平衡。因此，铁路 在我国交通运输体系中起到骨干作用，而且由于铁路的技术经济特征，铁路事业的 发展对中国当前实施可持续发展具有重要意义。 2 0 世纪9 0 年代以来，国家加大铁路建设的力度，铁路营业里程逐年增加。到目 前为止，我国铁路营业里程达8 万千米，但仍然满足不了经济发展和社会发展的需 要，因此必须把速度作为铁路发展的关键因素。随着我国经济的高速发展，我国的 铁路建设进入了快速的发展阶段，连续6 次铁路运输的提速，对铁路运输车辆中行 走机构的主要零件的制造质量、安全可靠性及重量等都提出了更高的要求。时速2 0 0 公里及以上线路延展里程已经达到6 2 2 7 千米，为了适应国民经济发展的需要，中国 铁路已经制定了铁路发展高速铁路网的目标，在沿海经济发达、客流集中的东部走 廊，发展最高时速2 5 0 千米以上的高速客运专线，其线桥等固定设备的主要技术指 标按最高时速3 5 0 千米预留；准高速线路最高时速1 6 0 - - , 2 0 0 千米，繁忙干线上旅客 列车最高时速1 4 0 1 6 0 千米，货物列车最高时速9 0 千米。目前，京津、武广、郑西 等1 6 条时速2 0 0 公里及以上的客运专线和城际铁路相继开工建设，建设规模达到 5 6 0 0 公里。京沪、京石、石武等1 0 条客运专线也将陆续开工，建设规模为4 1 0 0 公 里。已经开工和即将开工的客运专线总里程达到9 7 0 0 公里。再经过3 5 年，京哈、 京广、京沪等客运专线将全线贯通。因此，中国不仅是一个铁路大国，而且开始向 建设高速铁路网的方向迅速迈进。 轮对( 包括车轮和车轴) 作为铁路车辆重要部件，在铁路车辆运行中实现着车 辆的承载、行驶、导向和制动功能，它的运行工况极为复杂、工作条件十分恶劣， 并且其使用安全性能要求也非常之高1 】【2 】。因此，中国铁路一直十分关注其研究开发、 设计制造和运用检修中出现的问题。从2 0 世纪8 0 年代开始，在车轴设计及制造技 术方面，我国铁路经历了采用国际先进车轴型式尺寸标准、提高车轴疲劳及可靠性 的研究、车轴材料更新及其铸锻、热处理等制造工艺改进等一系列工作，从整体上 提高了我国车轴制造的技术水平和产品质量，基本上能满足时速2 0 0 千米以下铁路 车辆的运行要求。然而，与铁路发达国家相比，我国高速铁路所需新一代车辆及其 火车轴径向锻造机锤头的有限元分析及优化 关键件的制造技术还比较落后，不能满足高速铁路网建设快速发展的要求。因此研 究和开发新型车轴新产品制造技术，对于提高我国车轴制造技术水平、提升我省铁 路运输车辆机器关键件制造地位、不断满足我国高速铁路建设的需求都有着十分重 要的意义。 随着我国高速铁路的发展，采用空心车轴势在必行。然而，与实心轴制造相比， 空心轴制造过程中特别对锻造工艺要求较高。目前国外空心轴制造一般采用两种方 法：一种是采用实心锻造而后深孔钻出内孔，这种方法虽然锻造工艺简单，但原材 料的浪费和后续机加工消耗较大，处于逐渐淘汰的趋势；另一种方法则是直接用空 心毛坯锻造车轴，该技术节材、节能显著，代表着空心车轴的先进锻造技术。 近年来，我国也开始进行空心车轴相关研究工作，取得了一定的进展，如高速 机车空心轴所用管坯的轧制技术、空心轴自由锻技术等等，但是在径向锻造机上实 现空心车轴的精锻技术尚未开发。由于径向锻造机具有脉冲锻打和多向锻打的特点， 而且脉冲锻打频率高( 一般为1 8 0 - 1 8 0 0 次分) ，每次变形量很小。，因此金属流动 线路短，摩擦阻力小，变形均匀，设备动力消耗小，且锻件精度高，表面粗糙度小。 所以，该类设备普遍应用于锻造各种机床、汽车、机车、拖拉机、飞机、坦克和其 它机械上的轴类件，也是目前国内铁路运输车辆的车轴制造行业的主要锻造设备， 如山西太原重型机械集团和晋西车轴股份有限公司均采用奥地利g f m 径向卧式精锻 机锻造车轴。然而，在该径向锻造机上锻造空心轴要比锻造实心轴技术上更加复杂， 且工艺因素众多，因此开展空心车轴锻造技术的研究是十分必要的。本文的研究受 到山西省科技攻关项目“新型火车轴精锻技术研究与开发( 编号：0 5 1 1 8 0 ) ”的资助。 1 2 国内外车轴的现状 ， 1 2 1 国外车轴的发展和现状 自1 8 2 5 年世界第一条铁路诞生以来，世界各国铁路研究工作的专家、学者，始 终在为提高列车的行车速度做着不懈的努力。1 9 5 4 年法国用电力机车牵引，试验速 度达到每小时2 4 3 千米，1 9 6 2 年日本用电力机车牵引试验速度达到每小时2 5 6 千米， 1 9 7 2 年法国用电力机车牵引试验速度达到每小时3 1 8 千米。到了2 0 世纪8 0 、9 0 年 代，法国、德国、日本用电力机车牵引试验速度达到每小时4 0 0 千米以上，特别是 法国1 9 9 0 年试验速度达到每小时5 1 5 3 千米的世界最高纪录。随着高速铁路技术的 不断发展，高速列车的商业运行速度不断提高，从2 0 世纪6 0 年代时速2 1 0 千米， 2 绪论 8 0 年代时速2 5 0 - - 3 0 0 千米，9 0 年代末或本世纪初时速可望达到3 5 0 千米左右，既 有线路经改造符合高速要求的一般运行时速为2 0 0 千米，还有个别线路可达2 2 0 - - - 2 2 5 千米。目前世界上运行时速在2 0 0 千米以上的新建的高速铁路营业里程约4 4 0 0 千米， 若包括运行时速在2 0 0 千米的线路，总营业里程已超过1 5 0 0 0 千米，这些线路仅占 世界铁路总营业里程的1 5 【3 】【4 】。 与此同时，国外铁路机车及车辆的相关技术也在不断提高。在新型车轴设计和 制造技术方面，早在2 0 世纪6 0 年代，前苏联乌拉尔车辆制造厂、全苏铁路运输研 究院、全苏内燃机科学研究院、全苏车辆制造科学研究院和其他一些单位，率先进 行制造轴重2 2 吨空心车轴研制工作，这些单位为了论证空心轴的合理结构的参数和 制造工艺，在若干年的时间里完成了大量的科研和设计工作【5 】【6 】。俄罗斯的b b h o b mk o b 对轴重2 5 t 空心车轴进行了研究，介绍了前苏联和俄罗斯开发的2 2 t 和2 5 t 轴重空心车轴，指出这种空心车轴具有减轻车辆自重，降低车辆与线路间动力作用 等优点。乌拉尔车辆厂1 9 6 5 年制造的1 0 0 0 根空心车轴，经过安装在4 轴、6 轴和8 轴敞车上编成试验列车运送煤炭和矿山、行车1 5 0 千米、历时1 2 年的运用试验结果 表明：装用空心轴的轮对，在强度和其他一些参数方面，并不逊色于装用标准实心 轴的轮对。日本的砹村修二郎对铁道车辆车轴疲劳强度进行了研究，指出车辆高速 化以后，正确掌握车辆的疲劳强度是极其重要的，介绍了采用实物车轴，通过变量 载荷疲劳试验，对铁道车辆用车轴进行疲劳强度的研究情况【7 1 。还有日本的野吕学石 对空心车轴的超声波探伤方法进行了研究，分析了现行空心车轴超声波探伤方法在 探伤精度以及探伤作业后残油的处理等方面存在的问题，介绍了为解决上述问题而 开发的新的空心车轴超声波探伤方法的工作原理及其新装置和作为接触介质的油回 收机构，评价了新的探伤装置的验证效果。此外，美国俄亥俄州立大学的j o s e p he d o m b l e s k y 等人运用有限元方法模拟分析了径向锻造大直径管坯的工艺过程，指出了 影响径向锻造的一些主要因素【8 】。加拿大安大略省麦克马斯特大学的s h o w k y 等人给 出了空心轴的加工过程的传感器测试方法【9 1 。韩国的j h l i o n 和中国台湾的d yj a n g 运用3 d 非线性有限元方法研究了轴对称机件的径向锻造过程中的应力情况，给出 了一些有限元模型【1 0 】。日本的石冢弘道探讨了空心车轴进一步轻量化的几个途径， 其中的空心车轴内孔形的结构设计对我们设计锻模具有指导意义【l i 】。由于空心轴较 实心轴在技术经济上有明显的优越性，如降低钢材消耗量、减少车辆非生产运输费 火车轴径向锻造机锤头的有限元分析及优化 用、方便日常维护和探伤、减小车辆和线路间的动力作用力等等，因而为许多国家 的铁路车辆所采用，目前在欧洲、日本等发达国家，空心轴应用在铁路车辆中已占 1 0 左右。 1 2 2 国内车轴的发展和现状 我国高速铁路发展起步较晚，现在仍落后于发达国家水平。与世界上高速铁路 技术三大国即法国、德国、日本相比，中国的列车最高速度相差较大。自1 9 9 7 年以 来，在经过六次铁路大提速后，我国铁路时速达1 6 0 千米的准高速线路达7 7 0 0 千米， 最高运行时速仅2 0 0 千米( 1 2 1 。但空心车轴在我国铁路机车轮对上也进行了研究，并 取得了一定的研究进展。如铁道部四方车辆研究所的曹志礼、王勤忠对高速客车空 心车轴的结构设计特点和结构强度做了有限元分析，阐述了我国时速2 5 0 千米高速 客车空心车轴的设计特点，并通过有限元计算、轮对压装强度分析、微动腐蚀分析、 模态分析以及壁厚偏差分析等，说明了其具有足够的强度和刚度，可以满足高速运 行的要求。并指出高速空心车轴的内孔壁必须进行机械加工，车轴的壁厚偏差应控 制在l m m 以内f 1 3 1 。西南交通大学机车车辆研究所的黄志辉对我国首台高速动力车空 心车轴的结构进行了设计，确定了空心车轴轴身的内外径，轮座直径与轴身直径比 及过渡圆弧半径及突悬量的选择【1 4 】。孟宏在2 0 0k m h 交流传动电力机车空心车轴 研究中，通过对空心车轴的几个特殊截面的疲劳强度计算截面，并进行了离散、强 度分析及计算分析【1 5 1 。山东理工大学模具工程研究中心通过有限元方法模拟分析、 设计了空心车轴锻造的工艺过程的两种工序步骤，并分析了锻件的工艺质量。株洲 电力机车厂的顾新对轮对内空心轴加工方法进行了探讨，介绍了内空心轴的结构 特点和技术要求，指出了加工中的技术难点和解决这些难点的方法，可供我们制定 加工工艺时参考【1 6 1 。株洲电力机车厂的杨军、余毅云对高速电力机车车轴锻造工艺 进行了探讨，指出机车高速化对车轴的综合机械性能要求较高，采用4 2 c r m o 材质 可满足设计要求，主要对4 2 c r m o 车轴的锻造工艺进行了探讨，提出了一种切实可 行的新工艺【1 7 】。此外，株洲电力机车厂的刘庚武、陈红琳对5 0 钢车轴的锻造与热处 理工艺进行了探讨，他们根据美国a a rm 1 0 1 8 1 以及t b2 0 7 2 8 9 标准中有关5 0 钢 车轴技术条件的要求，对5 0 钢进行了工艺试验与探讨，摸索出了其锻造与热处理工 艺参数f 1 8 1 。还有株洲电力机车厂的廖学文对s s 8 型机车空心轴轴头热压工艺及其模 具进行了设计，介绍了s s 8 型机车转向架空心轴轴头的热压成型工艺，重点介绍了 4 绪论 其成型模具的设计、坯料加热温度的确定等【1 9 1 。铁科院机辆所的黄成荣对空心轴传 动式高速动力车进行了稳定性分析及参数研究。这些工作为空心车轴锻造技术开发 提供了理论依据。 2 0 世纪，国际铁路运输经历了曲折的发展历程，面对各类运输方式的激烈竞争， 人们开始冷静的思考，什么样的运输方式在保护环境、节约能源、安全快捷、舒适 等方面更具有优势，于是对车轴技术提出了新的要求： ( 1 ) 探索在高速条件下，与新的轨道结构，新的转向架结构，新的制动系统相 匹配的轮轴结构，如弹性车轴，空心车轴等，同时要寻求在客运专线，客货混和提 速线及重载专用线等不同工况下轮轴结构的共同点与不同点，寻求最佳的客货速比 条件下，轮轨结构的优化。 ( 2 ) 以提高轮轴疲劳寿命为重点，以增强可靠性为目的，开展车轴研究，从材 质的选用，冶炼控制，锻铸方式等方面保证原材料的质量标准。 ( 3 ) 改善轮轴的维修保养，推广无维修或少维修的维修制度，继续推广先进的 检测手段与维修设备，实现维修保养的现代化，以适应运输市场的需求。 在新的世纪，中国铁路将继续开发时速2 0 0 千米小时以上的高速客运和重载货 运技术和各种专用车辆，同时还将开发城郊间客运列车及城市轨道运输。因此轮轴 技术的研究开发包括以下主要方面： ( 1 ) 开发使用3 0 0 千米小时客运的高速轮对，高速轮对要求轻量化设计，将采 用空心轴和大圆弧辐板轻型车轮，其踏面外形应适应高速运行，对车轮材质，组装 工艺，静平衡量，检验标准将提出更高的要求。 ( 2 ) 开发使用轴重2 5 吨以上的重载运输货车轮对，车轮的设计要求采用低应力 概念，以延长重载轮对的使用寿命，提高运输安全性。 ( 3 ) 在试验研究和计算机仿真的基础上，进一步优化车轮、车轴的型式尺寸， 提高热负荷、机械负荷等能力。确保轮对在高速、重载运行时的安全可靠性【2 0 1 。 我国铁路车轴大部分都采用径向锻造机或快锻液压机锻造，尤其是径向锻造由 于自动化程度和生产效率都较高，因而占有重要地位。径向锻造就是在坯料周围对 称分布几个锤头，对坯料沿径向进行高频率同步锻打，坯料通常边旋转边作轴向送 进，使坯料端面尺寸减小，轴向延伸，同时坯料绕轴回转，使断面成对称状。径向 锻造机的工作部分有二锤头、三锤头及四锤头之分。径向锻造过程是典型的三维大 火车轴径向锻造机锤头的有限元分析及优化 变形问题，由于坯料同时作轴向与旋转进给，并且锤头高频率锻锤，其理论分析极 其困难，即使采用f e m 数值模拟，其计算量也极大，因此，该锻造过程模拟国内外 很少见报道f 2 i 】。 在此之前，胡学辉同学以空心车轴精锻技术开发为目标，针对4 5 钢热锻r d ：型 车轴和用5 0 钢空心管坯在加芯棒条件下热锻空心轴的工艺模拟研究，研究了各处的 成形情况、应力应变分布和金属流动问题，并通过研究得出以下结论： 1 工件和锻模接触的地方，由于摩擦力的作用，金属流动受到阻碍，表层向里的金 属流动最快，方向沿着打击力和端面流动：在截面芯部，金属流动受到的阻碍，流动减 慢，越靠近芯部，作用越明显：此外存在金属的低速度螺旋形流动，这是由于模具的形 状特征和工件的轴向旋转造成的： 2 通过r d ，型车轴热锻生产试验，采集现场数据，对比有限元模拟研究计算的结 果，其数据是基本吻合的，证明数值模拟方法研究车轴径向锻造是可靠的，为空心车 轴的精锻工艺开发提供了一种好的途径： 3 端部凹坑是径向锻造变形工艺的一个典型特点，属于径向锻件的工艺缺陷之一， 其产生的原因与一次压下量过小、始锻温度过低有关： 4 空心轴加芯棒径向锻造时根据模拟分析选取锤头的径向压入量为8n 1 1 1 1 ，轴向送 进量为8 0 嘞时较佳：加芯棒的空心轴径向锻造，工件内、外壁都受到压应力的作用， 应变分布比较均匀，材料锻透效果较实心轴好【2 2 1 。 李继光同学也以空心车轴径向锻造技术开发为目标，采用热力学模拟与 d e f o r m - 3 d 有限元模拟相结合的现代集成研究方法，通过在g f m 公司s x 3 2 型径向锻 造机的环境下，对用5 0 钢和2 5 c r m 0 4 空心管坯在不加芯棒条件下热锻空心轴的工艺 模拟研究，分析了车轴各段的成形情况、应力应变分布和金属流动问题，攻克了不 同变形条件下坯料尺寸的变化，缺陷的产生和力能参数变化的状况，确定了管坯的 尺寸及径向锻造的主要工艺参数，为相关车轴的锻造工艺优化设计提供了科学的依 据。通过研究得出了以下结论： 1 由于坯料采用热轧厚壁无缝钢管，内孔无芯棒支撑，成形过程中材料沿轴向 和径向两个方向流动，与每次的轴向送进量和每次的径向压下量等参数有关，所以 锻造时对径向锻造机的各主要工艺参数应严格加以控制，如果一次轴向送进量过大， 6 绪论 就可能出现比较明显的脊椎纹缺陷，应该予以防止； 2 锤头的径向压入量与内径的变形量有直接的关系，根据模拟分析选取锤头的 单次径向压入量为8 m m 时变形情况较好。工件的单次轴向送进量直接关系到锻件质 量的好坏，由模拟分析得，当取单次轴向送进量为8 0 r a m 时表面质量与内孔质量较好， 变形缺陷较少； 3 模拟计算了锤头与工件之间的热交换对锻造工艺的影响，由结果可知，由于 锤头的打击速度比较大，工件与锤头接触时间短，锤头带走的热量少，锤头与工件 之间的热交换对最终锻件的质量基本没有影响； 4 根据空心车轴用2 5 c r m 0 4 钢的本构关系，应用d e f o r m - 3 d 软件，进行了有限 元数值模拟，深化了应变分布与力能参数的变化，其整体与5 0 钢类似，但数值不同 f 2 3 】。 径向锻造中锤头断面形状对车轴质量有重要影响，而关于锤头的各个技术参数 对于车轴的成形研究，在国内外的报道很少见到，因此本文提出对径向锻造机上锤 头的优化的问题。 l - 3 研究方法及内容 本课题得到山西省科技攻关项目新型火车轴精锻技术研究与开发的支持。 径向锻造中锤头形状对车轴质量有重要影响，关于车轴模具的研究报道国内外 鲜见，因此本文提出对径向锻造机上锤头的优化的问题，并采用d e f o r m - 3 d 有限元 软件模拟整个锻造过程，在对毛坯成形过程中的材料流动模式、应力应变分布研究 等等的基础上，分析不同锤头结构对车轴成形的影响，从而获得锤头工作表面较好 的形状和尺寸。此外，为空心轴锻造技术的研究提供些依据。 研究方法及内容：利用有限元( d e f o r m ) 软件进行数值模拟，研究空心车轴精锻 的变形机制和主要工艺参数，包括模具的形状及尺寸的对车轴成型的影响等等。 试验方法及内容：针对比例l ：1 进行试验，测量影响数值模拟精度的重要参数， 为数值模拟提供可靠、准确、关键的信息，进一步提高数值模拟的精度，使数值模 拟分析出的数据真实、科学，从而可以指导生产实践，实现控制成形。 主要研究内容包括以下几个方面： 1 对车轴用5 0 钢在锻造热力学条件下进行热模拟试验，实测不同变形温度、变 形速率和变形程度下的屈服应力数据，建立5 0 钢在热变形条件下的塑性本构关系， 7 火车轴径向锻造机锤头的有限元分析及优化 为新工艺研究提供必要的基础数据； 2 综合考虑实心轴锻造时工艺过程的各种因素，选取模具的几种不同形状以及 几组不同的工作表面尺寸在d e f o r m 3 d 软件下模拟，对金属流动模式、车轴各处 的成形情况以及应力应变分布等进行分析，完善车轴成型中相关参数的优化设计； 3 将优化的锤头，在d e f o r m 3 d 软件下，完成对空心轴的整个模拟研究，并在 此基础上，选取锤头的最优工艺参数，以便达到锤头优化的目的。 1 4 课题研究的目标及意义 1 4 1 课题研究的目标 针对s x 3 2 型径向锻造机上锻造r d 2 型车轴的许多问题，比如钢材消耗量较大， 端部凹坑较大，表面质量较差，生产效率较低，本课题采用材料热力学试验模拟和 计算机数值模拟相结合的现代集成研究方法，在卧式精锻机的设备环境下，应用 d e f o r m 。3 d 有限元软件模拟锻造实心轴的整个过程，并在毛坯成形过程中的材料 流动模式和应力应变分布研究的基础上，分析不同锤头结构对车轴成形的影响，从 而获得锤头工作表面较好的形状和尺寸，将优选出的锤头用于空心火车轴的制造。 1 4 2 课题研究的意义 近年来，随着我国经济的高速发展，我国的铁路建设进入了快速的发展阶段， 连续6 次铁路运输的提速，对铁路运输车辆中行走机构的主要零件的制造质量、安 全可靠性及重量等都提出了更高的要求。在设计制造新一代车辆时，要实现的基本 要求之一，就是要尽最大可能找到零部件最合理的形状和采用先进的生产工艺来减 轻结构、并保证达到规定的使用年限、可靠性、耐久性和运行安全性。这样，就要 特别重视减轻簧下质量，其中也包括轮对的质量，这样除了在制造时不仅可以节省 钢材之外，还可以无须改变轴重而提高车辆的载重量，改善车辆的走行性能，延长 车辆使用寿命，以及由于动力作用力的减少而提高了线路上部建筑的完好率。大大 减少轮对质量有效而现实的途径，就是用空心轴取代实心轴【2 4 】。 空心轴轮对在技术经济上的优越性在于： 1 降低钢材消耗量； 2 减轻车辆自重，并提高载重量( 无须改变轴重) ； 3 减少车辆非生产运输费用； 4 由于车辆簧下质量的减轻而减小了车辆和线路间的动力作用力。 绪论 径向锻造过程是典型的三维大变形问题坯料通常边旋转边作轴向送进，并且 由于锤头的高频率锻锤，这就造成了理论分析的复杂性，即便采用f e m 数值模拟， 其计算量之大，在一定程度上也对相关问题的研究造成了影响，因此，该锻造过程 的报道国内外鲜见。 9 径向锻造成形理论 第二章径向锻造成形理论 径向锻造属专门加工实心或空心长轴类零件的旋转锻造方法。锻造时，分布在 棒料圆周方向的锤头( 2 8 个) 对工件快速和同步锻打。如工件为圆截面，则一面低 速旋转，一面轴向进给移动；如工件为非圆截面，则只轴向进给而不旋转。径向锻 造的特点是不需要专用模具，能按预定程序锻出精密的轴类零件。径向锻造每次压 缩量小，每分钟锻打次数高，一般为2 4 0 - 1 8 0 0 冼分，能提高金属的塑性。这种方 法可用于热锻或冷锻。 2 1 径向锻造的工作原理、特点及用途 径向锻造是在坯料周围对称分布几个锤头，对坯料沿径向进行高频率同步锻打， 坯料通常边旋转边做轴向送进，使坯料断面尺寸减小，轴向延伸，同时加压方向绕 轴回转，使断面成对称状，其使用的设备为径向锻机。它是用于径向锻造工艺的专 用设备，属于少、无切削加工的先进设备之一。径向锻造机自2 0 世纪5 0 年代出现 以来，由于其具有锻造效率高、自动化程度高、节省工件材料、工件质量好、工装 简单和适用性强等优点，得到生产企业的认可和大力发展。目前奥地利g f m 的径向 锻造机系列可以有打击力1 5 0 k n 2 5 0 0 叮，可锻造棒料直径从2 0 m m - - - 8 5 0 m m ，可锻 造工件长度最大到1 0 0 0 0 m m 。我国目前能够生产的径向锻造机打击力为1 0 0 0 k n - 2 0 0 0 k n ，可锻造棒料直径为8 0 m m , - - 一6 0 0 m m ，可锻坯料最大长度8 5 0 0 m m e 2 0 1 。 图2 1 径向锻造的工作原理 火车轴径向锻造机锤头的有限元分析及优化 2 1 1 径向锻造的工作原理 在垂直与工件轴线的平面内，均匀的分布着几个锤头( 2 、3 个或多个) 。电动机 的动力通过传动装置传递给锤头( 锻模) ，锤头以极高的频率锻打工件，完成相应的 工艺。锻打过程中工件在做轴向进给运动的同时做旋转运动，也就是相对锤头做螺 旋运动，如图2 1 所示。 2 1 2 径向锻造的特点 ( 1 ) 节能。径向锻造属多锤头高频率锻造工艺，是一个工件在螺旋运动中得到延 伸的工艺过程。由于锤头高频率和多向对工件的作用时每次工件变形量较小，即多 个锤头单次作用下金属变形抗力降低，因此就相同的工艺而言，在径向锻造机上完 成，则所需设备的力要小。 ( 2 ) 模具寿命高。与其他锻造设备如锻锤或压力机相比，径向锻造机在锻造时， 锤头与热工件的接触时间要短，高速运动的锤头使锻打区周围的空气流动有利于模 具寿命的提高。 ( 3 ) 锻打振动小。由于锤头相对运动，故径向锻造机在锻打时振动较小，不需要 建立庞大的基础，劳动环境好。 ( 4 ) 工件质量好。由于径向锻造机的锻打过程是对工件的高速脉动多向加压，应 力状态好不易产生裂纹，最适宜于高合金及超高合金锻造。 ( 5 ) 工件精度高。 ( 6 ) 易于实现自动化。现代化结构的径向锻造机配有机械化、自动化装置，用以 控制工艺过程，可实现多台设备一人控制。 2 1 3 径向锻造的用途 ( 1 ) 用于难熔金属材料的锻造。径向锻造机是采用多个锤头，沿工件径向几个 方向的同时锻打，使金属工件变形时处于多向压应力状态，有利于提高金属的塑性。 因此径向锻造机不仅用于一般金属的锻造，而且也适用于高强度、低塑性的高合金 钢锻造。尤其适用于难熔金属如钨、钼、铌等合金材料的开坯和锻造。 ( 2 ) 用于热锻、温锻及冷锻。径向锻造机的工作特性，使得无论是热锻、温锻 还是冷锻，工件表面质量和内部组织都较好。采用芯棒或无芯棒可进行旋转体空心 工件的锻造，如各种气瓶、火药喷管的缩颈、冷锻枪管的来复线及弹膛等。 ( 3 ) 可用来模锻件制坯。径向锻造机除可锻造轴类零件外，还可为模锻件制坯。 1 2 径向锻造成形理论 如叶片精密模锻件的生产就采用径向锻造机制坯，然后在模锻机上模锻。此工艺工 件精度高，只留精加工余量，且材料利用率高，生产效率高。 ( 4 ) 可对钢锭开坯。对于一般钢锭的开坯都是在液压机或锻锤上进行的，径向 锻造机的另一用途就是用来对钢锭开坯，这是一种专用径向锻造机。 2 2 径向锻造机的分类及主要技术参数 2 2 1 径向锻造机的分类 径向锻造机可以由两种分类方法。一种是按适用范围分类，一种是按坯料送进 方向的不同分来，也就是按机器安装方式分类。 1 按适用范围分类 ( 1 ) 专用于锻造各类实心轴类的台阶或锥度轴零件的径向锻造机。其结构特点 是没有芯棒机构，锻空心管类零件只能自由缩颈。 ( 2 ) 除用于锻造各种实心轴类台阶轴或锥度轴外，还可锻造圆孔和一定形状内 孔的零件的径向锻造机，其结构特点是芯棒机构。 2 按工件送进方向的不同分类 ( 1 ) 立式径向锻造机 将工件沿垂直方向送进，锤头沿水平方向对工件进行打击的这种形式的径 向锻造机为立式径向锻造机。这种机器高度尺寸偏大，适于锻造较短的轴类零件一 般工件长度在1 0 0 0 m m ，直径约为9 0 m m 。其特点是占地面积小，利于工件的送进，工 件被径向锻造后不易弯曲变形，热锻时，氧化皮易于清理，机器结构紧凑。 ( 2 ) 卧式径向锻造机 将工件沿水平方向送进，锤头在垂直于水平方向上对工件进行打击的这类径向 锻造机为卧式径向锻造机。与立式径向锻造机相比，这类径向锻造机的高度尺寸小， 不需要较高厂房，易于实现自动上、下料。由于设备均在地面以上安装，故维修、 安装方便。适用于长轴类工件的锻造。这类径向锻造机的优点是可锻造长度显著增 加，最长可锻长度为1 0 0 0 0 m m 工件，可锻直径到8 5 0 m m ，每个锤头最大打击力到 2 5 0 0 k n ，打击次数2 0 0 0 次m i n 。其特点是占地面积较大，对锻造长轴的大型卧式径 向锻造机需增设托料机构，工件导向装置等，机构也较复杂。 但目前由于长轴件的需求增加，卧式径向锻造机得到了广泛应用。 火车轴径向锻造机锤头的有限元分析及优化 2 2 2 径向锻造机的主要技术参数 径向锻造机的主要技术参数为锤击速度、径向压下量、轴向送进速度、夹头转 速和锻造温度。 1 锤击速度 锤击速度是指锤头在单位时间内移动的距离，也就是单位时间内工件在 直径方向的缩减量。通常径向锻造机的锤击速度在设备负荷许可的情况下，尽量选 用较快速度，使工件与锤头接触时间短，提高模具寿命，可锻时间延长，另外可提 高生产效率，但对于锻造高合金钢材料时，不能选用锤击速度太快。因锤击速度太 快时，由于热效应作用，被锤击部分温升较大，易于超出工件的加热范围，影响内 在质量。对锻造空心件时，锤击速度也不能太快。因锤击速度较快，可使工件在变 形时沿径向压缩较多，而轴向延伸变少。还有锤击速度较快，锤头与工件接触时间 少，锤头带走的热量少，使壁厚有所增加。一般建议选用锤击速度为4 m s - - 一7 r r d s 为 宜。 2 径向压下量 径向压下量是指锤头一次进给时，工件在直径上的绝对压缩量。径向压下量 与设备打击力大小、工