車輪成型工藝研究

朱 明，國新春，趙 慧，寧 珅

（寶武集團馬鋼交材科技有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

寶武集團馬鋼交材科技有限公司（以下簡稱馬鋼）車輪熱軋過程采用模鍛與軋制聯合成型工藝、其主要熱成型工藝流程為：壓痕—成型—軋制—沖孔、壓彎。其各工序的坯型如圖1所示。車輪的成型坯形狀通過壓痕、成型兩個工步來實現，其工藝設計主要作用是完成車輪金屬的初步分配。成型工藝設計不合理可能導致車輪折疊、充型不完全等缺陷，而這些缺陷往往造成批量的機加工挽救、檢測和探傷不合，影響車輪廠的成材率指標。因此，對車輪成型工藝的深入研究，對車輪生產廠家具有重大的現實意義。

圖1 車輪熱變形各工序坯形圖

1 車輪成型工序的缺陷

1.1 軋制偏心

車輪在壓制制常常會出現偏心的現象，造成火車輪偏心的原因主要有：模具潤滑不足；設備精度不滿足技術要求；來料角偏差大；鋼坯加熱溫度不均和鋼坯底部氧化鐵皮未清除干凈。

在車輪壓制成型過程中改善偏心程度，需要控制鋼坯加熱溫度、增強除鱗能力、改善模具潤滑、控制料坯角偏差質量、改進模具配合精度和設備精度。

流坑村承載著歷史記憶，蘊藏悠久的歷史文化和豐厚的古建筑遺存，是其他古村不可替代的，它的保護不僅僅是對文物建筑和歷史建筑的保護，還應包括街巷空間、村落整體景觀、歷史風俗文化等方面的整體保護，共同促進古村經濟發展和傳統文化建設。

1.2 壓機壓力值設置不合理

壓力值設置的車輪成型工藝的關鍵參數。壓力值設置過大，成型模具受力就越大，致使車輪成型坯與成型模具摩擦力過大，進一步模具磨損加大，影響車輪的壓制精度和尺寸。同時，易發生在模具裂紋、堆積等傷損。若壓力值設置過低，影響車輪坯料成型不足。

1.3 充滿度差

車輪成型是大量的金屬流動過程，其特點：車輪輪輞、輪轂與輻板變形量相差很大，輪轂最小、輪輞次之，輻板最大；變形過程可以分為兩個階段，即自由鐓粗和約束鐓擠。自由鐓粗完成車輪周向金屬的預分配，直到坯料外徑觸碰成型環；隨后，車輪變形進入約束鐓擠階段。在約束鐓擠階段車輪坯料充滿度差主要集中在輪輞和輪轂上部，金屬不易流到的位置(見圖2）。

圖2 兩種充滿不完全狀態

影響車輪坯料成型過程金屬填充的原因有：車輪預成型模傾斜角度和過渡圓外徑，成型模傾斜角度；模具潤滑：模具潤滑效果對金屬流動影響很大；變形速率：金屬變形速率對車輪變形抗拉影響很大，同時還影響變形熱效應、摩擦等；車輪鐓粗壓下值設置：該參數決定自由鐓粗后坯料高度，對后續約束鐓擠過程中的金屬流動有重要影響。

車輪在軋制工序時，壓制輻板會被拉薄，并且部分特殊輪形還伴隨轂孔內徑d0、轂孔外徑D3和轂長L等的明顯變化，因此須提前考慮這些變形，在反推坯形由軋制坯到成型坯時在體積不變的原則下，要增加輻板厚度，并考慮對其他部位進行預判和適當調整。此外，擴徑量和成型環的直徑直接影響車輪外徑的大小及輪緣的充滿度。因設計習慣是用成型坯和軋制坯的體積推算投料重量，故成型環內的模腔體積必須認真核算以保證輪坯的充滿程度。另外，成型環與II臺下模壓環之間應保留一定的距離以方便生產中對輻板厚度進行調整。在設計成型模輻板成型面時，不僅要考慮輻板自身的形狀，還應根據輪轂與輪輞充滿的難易程度進行一定的角度修正，以便于金屬向難充滿區域流動。

2 成型工藝分析

2.1 車輪成型工藝的研究

男人猶豫了一會兒，才把木排撐到表姐跟前。木排安穩多了，不用擔心水浪或障礙物的沖擊了。這個時候表姐才感覺到冷，一低頭，發現自己身上幾乎沒有衣服。她趕緊蹲下身子，想借此拂掉貼在她身上的眼睛。其實也沒有完全光著，上身還剩一個肚兜。肚兜因為濕透了，緊巴巴地粘在身上，身上高的高低的低，跟沒穿衣服一個樣。她一屁股坐到木排上，委屈地哭起來，哭自己的這副狼狽樣，哭家人下落不明——娘一個不會鳧水的旱鴨子，能頂得過這么大的水？還有爹和兩個弟弟，這會兒都在哪兒呢？想到他們都生死不明，表姐越哭越痛，越痛越哭。與生死搏斗了整整一天，表姐哪顧得上哭？

2.2 影響金屬充滿成型模腔的因素

2.2.1 成型模側壁斜度

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成型模側壁斜度是為了獲得預定的鍛件形狀或是為了模鍛后鍛件易于從模膛內取出，但是模壁斜度對金屬充填模膛是不利的。因為金屬充填模膛的過程實質上是一個變截面的擠壓過程，金屬處于三向壓應力狀態（圖3）。

圖3 三向壓應力狀態

2.2.2 型腔的寬度與深度的影響

窄模膛，金屬流動阻力增加，孔內金屬溫度損失嚴重，充滿模膛困難。同理深模膛，金屬充填難度也很大。從而在成型模具設計時通常采用孔口圓角適當增大，降低金屬流動阻力。

初識國威，了解其產品主要為切紙機，應用范圍覆蓋紙張、塑料薄片、金屬箔片、皮革、包裝布等材料，除在國內占有一定市場份額外，還銷售到法國、意大利、美國、西班牙等70余個國家；深入了解國威，發現其主攻切紙機，成立25年來從未“移情別戀”, 只是隨時代發展以“切紙機”為主題不斷衍生出程控切紙機、液壓切紙機等產品，可謂“真愛”。

2.2.3 其他因素的影響

調查結果顯示,溧陽鄉村旅游資源豐富,種類多樣,以遺址遺跡類、居住地與社區類、歸葬地類、水工建筑類為主。通過對鄉村旅游公路概念的界定和對溧陽縣域鄉村旅游公路的預調研,確定了8條符合條件的旅游公路,分別是X301瓦屋山線、曹山旅游公路、社徐線、X002平橫線、X104、S239、沙河水庫片區、南山水庫片區。如圖1所示,本文以溧陽南部的南山水庫片區鄉村旅游公路為研究對象,對其現狀和特征進行分析,對其鄉村旅游公路選線的適宜性進行評價。

模壁的表面粗糙度低和潤滑較好時，金屬流動好，便于金屬充滿模膛。模具溫度低，成型坯溫降快，不利于金屬充滿模膛，特別是窄孔口更為明顯。通常采用的方法是在車輪壓制前對成型模具進行預熱。

由于在預成型過程中金屬變形劇烈，采用自動網格再造功能在預成型過程中根據網格畸變程度對網格進行再造。為了研究金屬的流動規律，在坯料區域劃分了流線網格。為了研究金屬粒子的遷移軌跡，在模型中設定了不同的粒子區域。上模壓下速度50 mm/s，840車輪預成型計算增量步600步。

3 成型工序有限元模擬

等效應變反映了變形強度的大小。等效應變的分布也可反映出鍛件不同部位壓縮比的大小。累積等效應變與壓縮比的關系如圖5。圖5中曲線是根據理想狀態下無摩擦鐓粗有限元分析得到的。

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車輪預成型是將圓柱形鑄坯在高溫下通過粗鍛和精鍛兩個工步鍛壓成成型坯。坯料、模具、預成型坯及邊界條件均視為軸對稱，坯料初始溫度1 250℃，材質為C60鋼，在MSC/SuperForm中建立車輪預成型分析的軸對稱熱力耦合模型。840車輪預成型數值模擬幾何模型見圖4。

2.4 喉癌癌組織與聲帶息肉中Survivin、bcl-2、p53、caspase-3表達量比較 喉癌癌組織Survivin、bcl-2、p53表達量顯著高于聲帶息肉(P<0.05)，caspase-3表達量顯著低于聲帶息肉(P<0.05)，見表4。

由于車輪生產過程金屬發生了大位移變形，工藝參數復雜，影響因素眾多，采用物理模擬方法不僅費時費力，車輪生產中的很多參量很難控制也很難甚至無法測量，研究成本高且難以得出預期結果。近年來，有限元方法隨著計算機技術的發展已經在材料加工領域得到深入的應用和發展。有限元分析法可以將材料變形過程的變形體內部及成型工具所有的力能參量可視化地顯示出來。有限元法不僅節省研究時間，降低了研究成本，提高了研究精度，還能夠方便地按照預期控制變形工具，這樣能深入研究車輪成型過程的變形規律。

圖5 累積等效應變與壓縮比的關系

圖4 840車輪預成型數值模擬幾何模型

840車輪預成型過程的等效應變分布見圖6。在預成型第一階段（增量步500步時），最大等效應變出現在上成型模對輻板切入處，最大等效應變達到3.504，在上芯棒下部金屬、下芯棒上部金屬、輪轂上部處及鐓粗側面鼓出部分區域的等效應變較小，最小等效累積塑性應變只有0.129。此階段輪轂上部已充滿，輪轂與輪輞處的金屬已經完成預分配。在預成型結束時（增量步600步）輻板處等效應變最大，達到3.997。此時一個很明顯的特點是輪轂下部要比輪轂的上部的等效應變大，輪轂上部、靠近芯棒的局部區域及鄰近踏面的局部區域等效應變較小，最小值只有0.246。此階段大量金屬沿徑向經輻板流向輪輞及沿軸向流向輪轂下部。

從下頁圖6還可看出：金屬在模腔中的填充狀況較好，在預成型的第一階段和第二階段，金屬的流動和輪轂、輪輞中金屬的分配也比較合理。

通過對車輪成型工步的數值模擬，主要結論：

1）車輪成型過程金屬流動規律受到坯料尺寸、壓痕深度、加工溫度、接觸摩擦、沖壓速度、模腔尺寸形狀等工況的影響，通過有限元數值模擬的方法可以得到一個特定工況的輪坯金屬流動網格圖、流線圖和節點速度矢量圖，分析輪坯輻板、輪轂和輪輞的模腔充滿過程，從而得到該工況的車輪成型過程金屬流動規律。

圖6 840車輪預成型過程等效應變

2）車輪成型過程輪坯輻板部位存在一個分流面，分流面內側金屬流向輪轂模腔；分流面外側金屬流向輪輞模腔。在輪坯金屬流動過程，分流面向輪轂方向移動。從輪坯截面徑向位移分布圖和輻板部位節點的摩擦力方向兩個方面證明了分流面的存在。

3）車輪成型過程中溫度場分布是變化的。車輪成型坯輪轂和輪輞中心位置溫度較高，這是由于金屬變形熱效應起了主導作用；輪轂、輪輞表面和輻板部位溫度較低，這是由于金屬向周圍環境散熱起了主導作用。溫度場分布主要受金屬變形熱效應、金屬向周圍環境散熱以及輪坯接觸表面摩擦熱等因素的綜合影響。

4）壓痕坯起到分配車輪成型時輪轂和輪輞金屬需要量的作用。壓痕過淺，輪轂部位分配金屬過多，導致輪轂模腔過充滿，輪輞模腔欠充滿；反之，壓痕過深，輪輞部位分配金屬過多，導致輪輞模腔過充滿，輪轂模腔欠充滿。同時，壓痕坯形狀對車輪成型坯截面等效應力、等效應變和壓縮比分布也有很大影響。通過有限元數值模擬，可以確定壓痕坯的最佳尺寸，對實際生產具有指導意義。

5）恰當的摩擦因子有利于車輪成型時輪轂、輪輞孔腔充滿。當摩擦因子較小時，車輪成型模具對輪坯金屬的徑向流動阻力較小，車輪輪轂模腔難以充滿；當摩擦因子過大時，車輪成型模具對輪坯金屬的徑向流動阻力變大，車輪輪輞模腔難以充滿。同時，摩擦對車輪成型坯截面等效應力、等效應變和壓縮比分布也有很大影響。