目前世界各國火車車輪的制造，除少量采用鑄鋼外，大多是用鋼錠制坯，經(jīng)鍛壓和軋制后機加工而成。
1、現(xiàn)俄國近年新建車輪成形生產(chǎn)線的工藝流程
鋼坯先在三臺水壓機上，經(jīng)鐓粗、環(huán)內(nèi)鐓粗、壓痕和模鍛四個工步鍛壓成鍛件，再在軋機上擴徑，最后在一臺水壓機上沖孔、壓彎和校正。生產(chǎn)率最高時達每小時120個。
日、德、英、美等國家所采用的車輪成形工藝流程。
鋼錠制成的坯料先在同一臺水壓機上經(jīng)預(yù)鍛和模鍛兩個工步鍛壓成鍛件，經(jīng)軋制擴徑，后在另一臺水壓機上沖孔和壓彎。生產(chǎn)率每小時80個。
兩種車輪成形工藝流程的后半部基本相同，不同的是前半部鍛壓部分。前者鋼坯經(jīng)四個工步分別在三臺水壓機上完成，后者鋼坯經(jīng)兩個工步在同一臺水壓機上完成。前者生產(chǎn)率較高，但需要增加兩臺水壓機并加大模鍛水壓機的噸位，設(shè)備投資和占地面積大。后者鍛壓工步和水壓機臺數(shù)少，但生產(chǎn)率不高，也未充分發(fā)揮后續(xù)工序設(shè)備的效能。
我國現(xiàn)行火車車輪的生產(chǎn)線是60年代引進前蘇聯(lián)技術(shù)建造的。鋼錠折斷下料的鋼坯，經(jīng)加熱后先在一臺30MN的水壓機上用自由鐓粗、環(huán)內(nèi)鐓粗和壓痕三個工步制坯，再在80MN水壓機上模鍛成形，然后在軋機上軋制擴徑，并在另一臺30MN水壓機上沖孔和壓彎。如圖3所示，生產(chǎn)率每小時80個。
2 、車輪成形新工藝的試驗研究
為了比較分析各種火車車輪的制造工藝，對車輪的鍛壓工藝流程進行了系統(tǒng)全面的試驗研究，以求得優(yōu)化的新工藝。
試驗以塑泥和鉛做試樣，按實際尺寸10：1縮小，并制造出各種相應(yīng)的成形模具，對車輪鍛壓過程各種工步的變形狀態(tài)進行了模擬試驗，測定各種工步的變形力。
首先對我國現(xiàn)行火車車輪的制造工藝進行了模擬分析。和英、日、德等國的生產(chǎn)線比較，此工藝流程雖多了一臺水壓機，但由于鍛壓工步多，生產(chǎn)率并未提高。且由于鋼坯大小難以控制，端面不平，易出偏心，不得不加大機加工量。同時由于壓痕深度不易控制，鐓粗環(huán)和模鍛模腔的拔模斜度方向相反，模鍛過程會出現(xiàn)充不滿而報廢。
研究工作對各種制坯預(yù)成形工步進行了系統(tǒng)的試驗比較。結(jié)果表明，只要預(yù)成形的模腔和模鍛的模腔設(shè)計合理，模鍛時鍛件都能充滿良好，制坯預(yù)成形是在型砧上自由鐓粗，只需一個工步，不需要大型水壓機。這樣車輪制造前半部分鍛壓工藝只有兩個工步，分別在大小兩臺水壓機上組成生產(chǎn)線，生產(chǎn)率可達每小時120個，如能保證鋼坯下料質(zhì)量，還能減少機加工余量并節(jié)約能耗。
3 、優(yōu)化車輪成形新工藝的數(shù)值模擬
金屬成形過程是一個復(fù)雜的變形過程，材料特性、變形速度、溫度、摩擦條件、坯料形狀及尺寸和模具結(jié)構(gòu)等都對成形過程產(chǎn)生影響。目前，生產(chǎn)中選擇工藝參數(shù)主要靠經(jīng)驗和試驗。不但精度差，效率低，而且難以解決復(fù)雜問題。近年來，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元數(shù)值模擬和計算機圖形顯示技術(shù)開創(chuàng)了鍛壓工藝及模具CAD/CAS/CAM的新領(lǐng)域，塑性有限元方法不但可以用來計算塑性加工過程的力能消耗，還能計算變形工步的應(yīng)變，應(yīng)力分布和金屬流動，為優(yōu)化工藝過程和設(shè)計模具型腔提供依據(jù)。經(jīng)過長期的研究和實踐積累，開發(fā)出二維剛粘塑性有限元分析系統(tǒng)。
該系統(tǒng)具有如下主要功能：
1）對于外形復(fù)雜件的鍛造問題，可自動生成初始速度場，并能處理任意曲線邊界的摩擦問題；
2）自動確定任意動態(tài)邊界的約束狀態(tài)，邊界節(jié)點位置自動刷新；
3）具有全局網(wǎng)格重劃和畸變網(wǎng)格局部調(diào)整功能，采用自動劃分和人機交互、局部修正相結(jié)合方式，可大大減少全局網(wǎng)格重劃次數(shù)；
4）能進行初始網(wǎng)格的變形跟蹤，軟件在微機上運行，能模擬非穩(wěn)態(tài)、大變形成形問題。
作者利用該系統(tǒng)對車輪鍛造的預(yù)成形和終成形過程進行了數(shù)值模擬，摩擦因子取m=0.6，變形速度取40mm/s，變形步長取毛坯實始高度的0.5%。是坯料初始網(wǎng)格
通過反復(fù)試算，根據(jù)金屬變形流動的信息不斷修改調(diào)整坯料及模具尺寸，優(yōu)選工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)，最終獲得車輪成形的最佳工藝流程(見圖5)。
4 結(jié)論
1）試驗研究的結(jié)果表明，火車車輪制造優(yōu)化新工藝在于前半部分鍛壓過程采用制坯預(yù)成形和模鍛兩個工步分別在大小兩臺水壓機上完成，然后軋制、沖孔和壓彎，建立生產(chǎn)線，使全部設(shè)備充分發(fā)揮效用。這樣的生產(chǎn)線效益最好。
2）有限元數(shù)值模擬火車車輪成形的全過程，揭示了金屬流動的規(guī)律。經(jīng)反復(fù)計算，優(yōu)化了工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)。數(shù)值模擬結(jié)果和試驗吻合。
3）采用新的車輪成形工藝，能將目前每小時80個的生產(chǎn)能力提高到120個以上，并能減少偏心，節(jié)約大量鋼材，降低能耗。
1、現(xiàn)俄國近年新建車輪成形生產(chǎn)線的工藝流程
鋼坯先在三臺水壓機上，經(jīng)鐓粗、環(huán)內(nèi)鐓粗、壓痕和模鍛四個工步鍛壓成鍛件，再在軋機上擴徑，最后在一臺水壓機上沖孔、壓彎和校正。生產(chǎn)率最高時達每小時120個。
日、德、英、美等國家所采用的車輪成形工藝流程。
鋼錠制成的坯料先在同一臺水壓機上經(jīng)預(yù)鍛和模鍛兩個工步鍛壓成鍛件，經(jīng)軋制擴徑，后在另一臺水壓機上沖孔和壓彎。生產(chǎn)率每小時80個。
兩種車輪成形工藝流程的后半部基本相同，不同的是前半部鍛壓部分。前者鋼坯經(jīng)四個工步分別在三臺水壓機上完成，后者鋼坯經(jīng)兩個工步在同一臺水壓機上完成。前者生產(chǎn)率較高，但需要增加兩臺水壓機并加大模鍛水壓機的噸位，設(shè)備投資和占地面積大。后者鍛壓工步和水壓機臺數(shù)少，但生產(chǎn)率不高，也未充分發(fā)揮后續(xù)工序設(shè)備的效能。
我國現(xiàn)行火車車輪的生產(chǎn)線是60年代引進前蘇聯(lián)技術(shù)建造的。鋼錠折斷下料的鋼坯，經(jīng)加熱后先在一臺30MN的水壓機上用自由鐓粗、環(huán)內(nèi)鐓粗和壓痕三個工步制坯，再在80MN水壓機上模鍛成形，然后在軋機上軋制擴徑，并在另一臺30MN水壓機上沖孔和壓彎。如圖3所示，生產(chǎn)率每小時80個。
2 、車輪成形新工藝的試驗研究
為了比較分析各種火車車輪的制造工藝，對車輪的鍛壓工藝流程進行了系統(tǒng)全面的試驗研究，以求得優(yōu)化的新工藝。
試驗以塑泥和鉛做試樣，按實際尺寸10：1縮小，并制造出各種相應(yīng)的成形模具，對車輪鍛壓過程各種工步的變形狀態(tài)進行了模擬試驗，測定各種工步的變形力。
首先對我國現(xiàn)行火車車輪的制造工藝進行了模擬分析。和英、日、德等國的生產(chǎn)線比較，此工藝流程雖多了一臺水壓機，但由于鍛壓工步多，生產(chǎn)率并未提高。且由于鋼坯大小難以控制，端面不平，易出偏心，不得不加大機加工量。同時由于壓痕深度不易控制，鐓粗環(huán)和模鍛模腔的拔模斜度方向相反，模鍛過程會出現(xiàn)充不滿而報廢。
研究工作對各種制坯預(yù)成形工步進行了系統(tǒng)的試驗比較。結(jié)果表明，只要預(yù)成形的模腔和模鍛的模腔設(shè)計合理，模鍛時鍛件都能充滿良好，制坯預(yù)成形是在型砧上自由鐓粗，只需一個工步，不需要大型水壓機。這樣車輪制造前半部分鍛壓工藝只有兩個工步，分別在大小兩臺水壓機上組成生產(chǎn)線，生產(chǎn)率可達每小時120個，如能保證鋼坯下料質(zhì)量，還能減少機加工余量并節(jié)約能耗。
3 、優(yōu)化車輪成形新工藝的數(shù)值模擬
金屬成形過程是一個復(fù)雜的變形過程，材料特性、變形速度、溫度、摩擦條件、坯料形狀及尺寸和模具結(jié)構(gòu)等都對成形過程產(chǎn)生影響。目前，生產(chǎn)中選擇工藝參數(shù)主要靠經(jīng)驗和試驗。不但精度差，效率低，而且難以解決復(fù)雜問題。近年來，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元數(shù)值模擬和計算機圖形顯示技術(shù)開創(chuàng)了鍛壓工藝及模具CAD/CAS/CAM的新領(lǐng)域，塑性有限元方法不但可以用來計算塑性加工過程的力能消耗，還能計算變形工步的應(yīng)變，應(yīng)力分布和金屬流動，為優(yōu)化工藝過程和設(shè)計模具型腔提供依據(jù)。經(jīng)過長期的研究和實踐積累，開發(fā)出二維剛粘塑性有限元分析系統(tǒng)。
該系統(tǒng)具有如下主要功能：
1）對于外形復(fù)雜件的鍛造問題，可自動生成初始速度場，并能處理任意曲線邊界的摩擦問題；
2）自動確定任意動態(tài)邊界的約束狀態(tài)，邊界節(jié)點位置自動刷新；
3）具有全局網(wǎng)格重劃和畸變網(wǎng)格局部調(diào)整功能，采用自動劃分和人機交互、局部修正相結(jié)合方式，可大大減少全局網(wǎng)格重劃次數(shù)；
4）能進行初始網(wǎng)格的變形跟蹤，軟件在微機上運行，能模擬非穩(wěn)態(tài)、大變形成形問題。
作者利用該系統(tǒng)對車輪鍛造的預(yù)成形和終成形過程進行了數(shù)值模擬，摩擦因子取m=0.6，變形速度取40mm/s，變形步長取毛坯實始高度的0.5%。是坯料初始網(wǎng)格
通過反復(fù)試算，根據(jù)金屬變形流動的信息不斷修改調(diào)整坯料及模具尺寸，優(yōu)選工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)，最終獲得車輪成形的最佳工藝流程(見圖5)。
4 結(jié)論
1）試驗研究的結(jié)果表明，火車車輪制造優(yōu)化新工藝在于前半部分鍛壓過程采用制坯預(yù)成形和模鍛兩個工步分別在大小兩臺水壓機上完成，然后軋制、沖孔和壓彎，建立生產(chǎn)線，使全部設(shè)備充分發(fā)揮效用。這樣的生產(chǎn)線效益最好。
2）有限元數(shù)值模擬火車車輪成形的全過程，揭示了金屬流動的規(guī)律。經(jīng)反復(fù)計算，優(yōu)化了工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)。數(shù)值模擬結(jié)果和試驗吻合。
3）采用新的車輪成形工藝，能將目前每小時80個的生產(chǎn)能力提高到120個以上，并能減少偏心，節(jié)約大量鋼材，降低能耗。
