火车轮锻造模具设计及磨损寿命预测开题报告

1、开题报告学 院毕业设计（论文）题目火车轮锻造模具设计及磨损寿命预测学生姓名学 号指导教师职称/学历课题来源课题类型1.选题的国内外研究现状及发展趋势（含文献综述，不少于800字）目前世界各国火车车轮的制造，除少量采用铸钢外，大多是用钢锭制坯，经锻压和轧制后机加工而成。 上世纪末,随着我国国民经济的快速发展,地区间的物流量日益增大,铁路作为物流运输的主渠道，已远不能满足要求，成为了制约国民经济发展的薄弱环节。进人21世纪,世界各国开始大力发展高速铁路,以改善交通，活跃经济，促进社会发展1。我国从1997年实行第- -次铁路大提速以来,取得了显著的成效,机车提速已成为铁路发展的新战略。机车提速后,

2、车轮在高速运动条件下,受到速度效应和制动方式的制约，其受力状态发生了很大变化,对其强韧性、耐磨性、抗热裂性、抗疲劳性、抗剥离性提出了更高的要求。因而,研究车轮成形工艺，大力提升车轮产品综合质量,制造优质车轮,是实现铁路运输提速的有力保证2。传统的车轮制造方法有铸造法、模锻法、模锻-轧制法，其中以模锻-轧制法应用最为广泛。其典型成形工艺为镦粗-定径-压痕-成形-轧制-冲孔压弯凹。目前,世界.上已有十多个国家如美国、法国、日本、德国、钢股份公司车轮分公司(模锻-轧制生产线)、太原重型机械(集团)有限公司钢轮厂(模锻-轧制生产线)、铁道部大同机车车辆厂(铸钢车轮生产线)3。马钢股份公司车轮分公司自1

3、964 年开始生产铁路机车和车辆用的热轧车轮和轮箍,有着近40年的火车整体车轮和轮箍的生产经验,公司设备精良，工艺先进,检测设施齐全,生产规模为远东之最。为适应中国铁路运输业的发展,公司分别引进了美国、德国、意大利、瑞典的先进生产检测设备，如车轮全仿型、全自动数控加工机床、SKF真空精炼设备等,建成了世界上先进的车轮加工生产线。不仅能大批量生产时速120km/h的HDSA车轮和时速160km/h的KKD车轮，而且能小批量生产时速200km/h的KDQ车轮和时速300km/h的HSW高速车轮。公司生产的优质碳素结构钢、低合金、合金结认证;1998年8月又获美国铁路协会认证，获AAR证书,取得了进

4、军北美市场的通行证。近期.马钢正在引进德国先进的压轧设备，以进-步改进车轮轮箍生产线)4。世界先进的火车车轮生产技术首推法、日两国。国际铁路联盟早在上世纪70年代末80年代初的远景规划中就明确规定,车辆运行速度要捉提高到250400km/he1989年法国的高速列车TGV在大西洋线路_上运行速度首次达到250400km/h,1990年,实验高速列车的速度达到515.3km/h，创造了世界之最，目前其高速化技术开发的目标是运营速度350km/hi。日本在20世纪60年代就已经开发出在新干线上时速超过200km的高速列车,在其东海岸干线上的高速实验列车速度已达到443km/h5，并仍在探索进-少捉

5、高列车速度的可行性。随着计算机硬件、软件技术的飞速发展,以及有限元分析理论、数值分析技术和计算机技术的进步,20世纪60年代末至70年代初出现了一些大型通用有限元分析软件,这些软件具有功能强大、使用方便、计算结果可敬.效率高等特点,使越来越多的工程技术人员和科研人员使用它对塑性成形工艺过程进行研究6。目前，著名的大型通用商业有限元分析软件主要有: MSC/Marc、DEFORMT- 3D、ANSYS.AUTOFORM COSMOS、ABAQUAS、NASTRAN等.这些软件绝大部分都具有完整的、直观的前后处理系统，可以直观地在计算机屏幕上观察材料变形和流动的详细过程,了解材料的应力、应变分布,

6、温度的分布,破裂、折叠等形成过程,以及成形后的残余应力分布7。许多学者用有限元数值模拟技术研究了车轮成形工艺:王志诚刚开发了二维非稳态刚粘塑性有限元计算软件RVPEEM,分析了火车车轮锻造中预锻和终锻两个工步的成形过程，研究了车轮成形金属流动规律。B.C.Miller16.171等 用DEFORMM_ -2D商业有限元软件模拟了火车车轮压轧变形过程，并将模拟结果与物理模拟进行了比较，对热加工过程的温度场进行了模拟，利用Cockeroft&Catham断裂理论进行了穿孔模拟，发现高温度梯度冷却模具对金属流动产生很大影响，并综合各种因素预测了表面折叠缺陷8。许章泽等借助商业有限元软件MAR

7、C/Autoforge对火车车轮预成形各工步进行了弹塑性有限元热力耦合数值模拟，研究内容包括车轮预成形过程金属流动规律、应力场、应变场、温度场以及轮坏压缩比的获得，定量分析了摩擦因素和压痕定尺对车轮预成形过程的影响。K.DaveyI8等综合分析了有限元数值模拟在火车车轮成形中的应卅问题，认为目前对车轮轧制问题进行数值模拟还存在较大困难，这是由于数值模拟计算量大和有限元网格再生的原因9。综上所述.通过对车轮成形T.艺的研究，优化了车轮压轧工艺参数，改善了车轮成形金属的流动状况,改进了车轮的性能,提高了车轮表面质量和尺小精度。2.选题的目的与意义选题的目的：通过本题目全面实施，督促我个人将所学专业

8、知识应用于工程实际，既巩固了理论知识也解决了工程实际问题，充分体现了“学必用”的应用型大学人才培养理念，使我独立分析和解决实际问题的能力得到全方位锻炼和提高。铁路交通是我国运输系统的重要组成部分，在国民经济和社会发展过程中，铁路运输扮演着不可替代的重要角色。我国一直以来都十分重视铁路运输的发展。最近几年以来，随着以高铁为代表的新型铁路运输技术的应用，我国铁路运输朝着高速、重载方向发展，车轮在复杂的运行工况和恶劣的工作条件下，受到来自于速度效应和制动方式的双重影响，对其耐磨性、强韧性以及抗疲惫性提出了更高的要求。但是我国现有的车轮锻压生产技术，还不能完全满足铁路运输发展对火车车轮质量的要求。尤其

9、是我国高速列车的车轮，在车轮的制造中，还存在废品率较高的现象。因此，笔者认为，研究火车车轮锻压生产工艺，提升我国火车车轮锻压生产技术水平，制造优质火车车轮，关于降低我国火车整车生产成本，促进铁路运输的发展，有十分重要的现实意义。选题的意义：我国塑性成形工艺与世界先进水平比较相对落后,车轮成形工艺存在着变形过程不合理.模具寿命低、车轮整体质量不高等不足。物理模拟研究仅作了定性分析,而生产经验的通用性较差,有限元数值模拟工作尚待深入，文献中尚未发现用三维有限元.数值模拟方法对车轮压轧工艺系统研究，较多的仅限于对预成形工步的研究。我们认为，车轮成形工艺尚待研究的问题有以下几个方面:压轧过程模具表面温

10、度、模具受力情况对模具磨损的影响;工件形成折叠等表面缺陷研究,定量分析产生表面折叠的临界尺寸和工具形状部.位;预成形工步的合理设计对成形过程的影响;车轮偏心产生原因和改进措施;轧制工序的有限元数值模拟,最佳压下量的设定,轧辊摩擦对车轮成形的影响,轮辋表面折叠、裂纹的产生工况等。因此，选择火车轮锻造模具设计作为我的毕业设计题目具有重要的意义。3.毕业设计的设计思路（毕业论文写明拟解决的问题及思路）通过文献资料收集消化，掌握国内外火车轮锻造技术的现状与发展趋势，力争改善国内火车轮锻造技术落后的状况，全面提高火车轮锻造技术水平，优化火车轮性能， 使该设备在技术上有一定的进步。首先可以自由移动，且高效

11、节能，低碳环保；接着优化传统火车轮设备的结构，在火车轮的锻造方面有着很大的改良，使生产能力和本机的稳定性大大提高。在了解火车轮锻造的发展概况及在工业上的应用和要求的基础上，熟悉火车轮的结构及工作原理，并了解与其他类型的锻造技术的不同之处；确定火车轮的整体结构方案；利用计算机绘图软件，对火车轮锻造的主要零部件进行结构设计；绘制火车轮锻造模具的整体装配图；绘制主要零部件的零件图；最后利用计算机撰写毕业设计说明书。具体步骤为：1）查阅锻造成型以及模具设计方面的科技文献，比较锻造火车轮与其他加工方法的优势，撰写文献综述；（2）对火车轮锻件进行工艺性分析；（3）建立Archard修正磨损模型；（4）锻造

12、工艺方案设计；（5）坯料体积计算及压力机选取；（6）工作模具结构设计及计算；（7）一次热锻成形过程火车轮凹模磨损分析；（8）利用数值模拟预测凹模寿命；4.毕业设计（论文）的主要内容锻造成型工艺是一种优质高效低成本的加工方法，在机车零部件制造过程中被广泛应用。课题主要工作内容与工作量：（1）查阅锻造成型以及模具设计方面的科技文献，比较锻造火车轮与其他加工方法的优势，撰写文献综述不少于1500字数；（2）对火车轮锻件进行工艺性分析；（3）建立Archard修正磨损模型；（4）锻造工艺方案设计；（5）坯料体积计算及压力机选取；（6）工作模具结构设计及计算；（7）一次热锻成形过程火车轮凹模磨损分析；（

13、8）利用数值模拟预测凹模寿命；（9）整理相关计算，撰写说明书一份，完成火车轮模具装配图及主要锻件工作图。5.主要参考文献（不少于8篇）1李振红,黄英娜,张质良.亚热精密成形过程模具磨损的数值模拟研究J.精密成形工程,2010,2(2):5-9.2王培安,吴淑芳,苗润忠.端盖热挤压成形方案优化设计及多目标模具磨损失效的分析J.石河子大学学报(自然科学版),2019,37(6):661-671.3秦国庆车轮生产现状及发展趋势R.河北冶金,1998(6):9-11.4 安涛,王成永,李怀明.我国车轮轮箍的质量现状和发展R.中国冶金,1998(2);:28-31.5 阎盛龙.铁路用整体碾钢车轮热变形工

14、艺评述R.马钢技术.1997(1):37-41. 6孙宪萍.挤压模具的摩擦学优化设计D.合肥:合肥工业大学,2005,5-15.7殷燕芳.模具的摩擦与润滑J.机械研究与应用,2007,20(1):9-10,13. 8汪学阳,王华君,王华昌,等.基于FEM的热锻模磨损分析与寿命预测J.润滑与密封,2008(5):49-53.9施渊吉,黎军顽,吴晓春,等.汽车法兰盘热锻模具磨损失效的实验分析和数值研究J.摩擦学学报,2016,36(2):215-225.6.毕业设计（论文）进度计划（开题至定稿）2021.11.82021.11.19 查阅锻造成型以及模具设计方面的科技文献；2021.11.222021.11.26 比较锻造火车轮与其他加工方法的优势，完成开题报告；2021.11.27 2021.12.15针对锻件进行成型工艺进行分析；2020.12.16 2022.1.20 建立Archard修正磨损模型，锻造工艺方案设计，坯料体积计算及压力机选取；2022.1.21 2022.2.28 工作模具结构设计及计算，利用数值模拟预测凹模寿命