輾鋼整體車輪鍛軋過程沖孔質量改進

劉華堂，白輝東

（太原重工軌道交通設備有限公司 山西 太原 030032）

隨著鐵路交通的發展，車輪作為列車走行部件，其需求量逐年增加。傳統的車輪制造方法有鑄造法、模鍛法、模鍛－軋制法[1-2]。太重車輪二線火車輪生產采用模鍛－軋制法生產，其完整的熱成形工藝如圖1所示，包括預成形、成形、軋制、沖孔和壓彎，最終獲得符合工藝設計尺寸要求的熱態車輪毛坯[1]。

圖1 車輪制造工藝流程

壓彎沖孔是最后一道工序，工序中沖頭與熱態鍛件作用形成的沖孔毛刺及沖孔過程的沖頭掛料，直接影響鍛軋線的生產效率，也會給后續熱處理和車削工序帶來安全風險，增加生產成本。沖孔毛刺和沖頭掛料主要帶來以下問題：

1）沖頭掛料時，沖孔提升缸將車輪帶起，必須由人工來將車輪脫下，嚴重影響生產節奏。

2）沖孔毛刺會造成熱處理過程中車輪在臺車上的放置位置偏離熱處理機械手預設的抓料位置，造成車輪在轉運過程中掉落，有安全隱患。

3）車輪熱處理完成下線時，較長的毛刺會造成車輪在熱處理下料架上放置不穩，存在安全隱患。

4）切削加工過程中較大毛刺會造成打刀。

針對以上問題，本文從沖孔工序設備的工作動作、沖頭潤滑和冷卻、沖頭結構幾方面進行了研究，并結合數值模擬研究了沖孔間隙與沖孔毛刺位置之間的關系，在成形模具設計中對預制孔與沖頭的間隙進行了優化，解決了壓彎沖孔工序沖頭掛料及沖孔毛刺的問題。

1 沖孔間隙與沖孔毛刺位置模擬研究[2]

熱態車輪在壓彎沖孔前，需在車輪中心兩側預制盲孔（車輪芯料的兩側均預制盲孔），盲孔直徑須略大于沖頭直徑，沖頭的運動速度須大于一定的臨界值，且沖頭與盲孔之間須有合理沖孔間隙。滿足這些條件時，沖頭才可將芯料順利沖落。

本文的沖孔模擬實驗以A43車輪壓彎模擬的實驗結果為研究對象，沖頭、沖環為恒溫剛體，溫度設置為200℃，沖芯運動速度70 mm/s，沖環為參考模具。

在金屬鍛造沖孔的有限元模擬中，材料的分離方式一般有兩種，一種是力學準則，另一種是材料的尺寸準則。即，對沖孔時材料發生劇烈變化的區域不斷重新細劃網格、重新計算材料的變形情況，當某一區域的材料厚度小于特定的設定值時刪除相應單元格，實現材料分離斷裂的模擬。本文模擬實驗選取材料的尺寸準則進行。

輪坯的單元格類型為quads（10），初始網格尺寸7.66 mm，當應變超過0.4或材料厚度小于3 mm時對網格自動重新細化，重新劃分的單元格尺寸為2 mm,最小單元格尺寸為1 mm。為減少模擬計算的運算量和運算時間，設定當材料厚度小于2 mm時，刪除相應區域的單元格，實現材料分離斷裂。

實驗主要研究沖孔間隙大小對沖孔毛刺位置的影響，采用3種不同的沖孔間隙，方案A的沖孔間隙δA=2.5 mm，方案B的沖孔間隙δB=5 mm，方案C的沖孔間隙δC=10 mm。車輪沖孔示意圖見圖2。

圖2 車輪沖孔示意圖

對沖孔過程的模擬結果進行分析發現，不同的沖孔間隙導致沖孔裂紋的產生位置和芯料斷裂位置并不相同。沖孔間隙δ增大時，裂紋產生時間提前，裂紋萌生位置距離輪轂外側面較遠，見圖3-1、圖4-1、圖5-1。同時芯料更早斷裂分離，芯料分離時毛刺產生的位置距離輪轂外側面較遠，見圖3-2、圖4-2、圖5-2。沖孔芯料分離越早，意味著毛刺不容易露出工件表面，沖孔質量越好。以上3種沖孔間隙的模擬結果表明，隨著沖孔間隙的增大，毛刺產生的位置提前，沖孔質量變好。

圖3 方案A沖孔模擬結果（δA=2.5 mm）

圖4 方案B沖孔模擬結果（δB=5 mm）

圖5 方案C沖孔模擬結果（δC=10 mm）

太重車輪生產線在A43車輪生產時，沖孔間隙為2.5 mm時沖孔后產生毛刺，見圖6-1。隨后依據模擬結論將沖孔間隙變更為10 mm，沖孔后未產生毛刺，見圖6-2。以上的模擬實驗結果與實際生產情況一致，表明了模擬結果的有效性，即在一定范圍內增大沖孔間隙，有利于提高沖孔質量。但過大的間隙意味著更多的車削加工余量，不利于精益生產。生產中結合實際經驗及不同的沖孔直徑，推薦沖孔間隙為6~10 mm。

圖6 A43車輪沖孔實驗結果

2 沖頭結構改進

將沖頭的長度由原來的295 mm改為270 mm，通過改變沖頭的長度，保證沖孔時沖孔提升缸提起時沖頭能夠完全脫離車輪的輪轂孔，由此來解決沖頭掛料的問題。如下頁圖7中A部分所示，沖頭長度為295 mm時，沖孔提升缸提起時沖頭不能完全脫離車輪的輪轂孔，可能會造成沖頭掛輪。沖頭改短后，沖孔提升缸提起時沖頭能完全脫離車輪的輪轂孔，如下頁圖7中B部分所示,避免了沖頭掛料。

圖7 沖頭結構優化前后對比圖

3 優化設備動作

前期壓彎沖孔工序模具冷卻、潤滑時沖孔缸位于上限位置，沖頭只有一小部分露出上壓彎模，如下頁圖8中A所示，不利于沖頭的冷卻、潤滑。更改設備參數后壓彎沖孔工作完成，模具潤滑、冷卻時沖孔缸位于下限位置，沖頭的工作面基本上可以完全露出，如圖8中B所示,大大改善沖頭的冷卻、潤滑效果，有利于改善沖孔毛刺，并延長沖頭使用壽命。

圖8 沖頭冷卻、潤滑位置示意圖

4 結論

通過優化沖頭結構、優化沖孔間隙及改善沖頭冷卻潤滑，解決了沖孔毛刺問題。但生產中沖頭較易磨損，沖頭磨損后容易產生毛刺，因此生產過程中還要勤于觀察，沖頭磨損嚴重或產生毛刺時及時更換沖頭。