多楔同步轧制铁路车轴模具设计关键技术研究

D01:10.13374.ism1001053x2007.s2.72 第29卷增刊2 北京科技大学学报 Vol.29 SuppL 2 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2007 多楔同步轧制铁路车轴模具设计关键技术研究 束学道李传民胡正寰 北京科技大学机械工程学院.北京100083 摘要针对车轴多楔模具设计互联因素较多，运用有限元模拟与实验相结合的方法，对多楔内楔实际展宽量及多楔的衔接 坡角进行了研究，并提出应用等效应变作为衡量楔横轧轧件表面及内部金属变形的均匀性标准，找到了车轴多楔模具的设计 的最佳参数.研究结果为车轴实现以轧代锻提供基础.对优化楔横轧模具具有指导意义. 关键词多楔轧制：铁路车轴；模具 分类号TG335.19 我国铁路车轴的年需求量已达到30万根，随着 等效应变是反映金属变形均匀性的一个指标 铁路运输事业的持续发展，其需求量会大幅度上 有限元数值模拟可计算出轧件在轧制过程中的等效 升).目前，铁路车轴的先进生产技术是奥地利精 应变.本文利用有限元模拟结果，建立了基于变形 锻机锻造，其材料利用率为65%~745%，效率为 均匀性的楔横轧模具优化设计方法，并对所设计的 每根4mim.如果采用楔横轧多楔同步轧制技术生 多组楔横轧多楔模具进行有限元模拟，弄清了影响 产车轴（以RD2轴为例，其材料利用率将为82%~ 多楔轧制零件变形不均匀的主要因素.多楔模具设 86%,效率为2根/min.通过以上数据对比可知.楔 计的主要参数1楔展宽长度L1,过渡坡角Y(如图2 横轧多楔同步轧制车轴具有节材显著、生产效率高 所示)的选取，通过实验方法给出 的优点，且该项技术已广泛应用于汽车、拖拉机等轴 1200 类零件的生产中☒ 文献[3]和文献[4详细论述了楔横轧大型轴件 与铁路车轴的可行性，为多楔轧制铁路车轴奠定了 理论依据.然而，要轧制出加工余量小、承载能力强 3楔 的铁路车轴毛坯，就必须提高多楔同步轧制段（如图 3楔 2锲 1虚线所示的表面质量和轧制过程中此区域金属 流动的均匀性.解决这些问题，需要优化多楔模具 楔的设计参数、衔接坡角和轧制任务的分配.为此， 本文将通过有限元数值模拟与轧制实验相结合的方 法对多楔模具的设计参数进行研究. 图2车轴多楔模具示意图 220 273 1200 473 2146 1多楔轧制车轴模具设计的基本原则 楔横轧多楔模具每个楔的基本设计参数，如展 图1RD2轴 宽角B、成形角α及断面收缩中的选取范围与楔横 轧单楔模具应相同.多楔模具根据内外楔入楔的前 后顺序可分为3种)，由于轧制车轴的断面收缩率 收稿日期：2007-09-25 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.50475175.No. 较小，因此采取内外楔同步楔入的方案，这样有利 50435010):模具技术国家重点实验室开放基金资助项目(Na07- 于减少辊面长度. 06:国家十一五支撑计划(Na2006BAF04B03) 为了保证1楔和2楔共同精确轧制出1200mm 作者简介：束学道(1968一)，男.教授，博士生导师 段尺寸，则2楔的精整起点应在1楔完成衔接任务

多楔同步轧制铁路车轴模具设计关键技术研究 束学道 李传民 胡正寰 北京科技大学机械工程学院, 北京 100083 摘 要 针对车轴多楔模具设计互联因素较多, 运用有限元模拟与实验相结合的方法, 对多楔内楔实际展宽量及多楔的衔接 坡角进行了研究, 并提出应用等效应变作为衡量楔横轧轧件表面及内部金属变形的均匀性标准, 找到了车轴多楔模具的设计 的最佳参数.研究结果为车轴实现以轧代锻提供基础, 对优化楔横轧模具具有指导意义. 关键词 多楔轧制;铁路车轴;模具 分类号 TG335.19 收稿日期:2007-09-25 基金 项目:国家 自然 科学 基金 资助 项目 ( No .50475175, No . 50435010) ;模具技术国家重点实验室开放基金资助项目( No.07- 06) ;国家十一五支撑计划( No.2006BAF04B03) 作者简介:束学道( 1968—) , 男, 教授, 博士生导师 我国铁路车轴的年需求量已达到 30 万根, 随着 铁路运输事业的持续发展, 其需求量会大幅度上 升 [ 1] .目前, 铁路车轴的先进生产技术是奥地利精 锻机锻造, 其材料利用率为 65 %～ 74.5 %, 效率为 每根 4 min .如果采用楔横轧多楔同步轧制技术生 产车轴( 以 RD2 轴为例) , 其材料利用率将为 82 %～ 86 %, 效率为 2 根/min .通过以上数据对比可知, 楔 横轧多楔同步轧制车轴具有节材显著、生产效率高 的优点, 且该项技术已广泛应用于汽车 、拖拉机等轴 类零件的生产中 [ 2] . 文献[ 3] 和文献[ 4] 详细论述了楔横轧大型轴件 与铁路车轴的可行性, 为多楔轧制铁路车轴奠定了 理论依据.然而, 要轧制出加工余量小、承载能力强 的铁路车轴毛坯, 就必须提高多楔同步轧制段( 如图 1 虚线所示) 的表面质量和轧制过程中此区域金属 流动的均匀性.解决这些问题, 需要优化多楔模具 楔的设计参数、衔接坡角和轧制任务的分配 .为此, 本文将通过有限元数值模拟与轧制实验相结合的方 法对多楔模具的设计参数进行研究 . 图1 RD2 轴 等效应变是反映金属变形均匀性的一个指标, 有限元数值模拟可计算出轧件在轧制过程中的等效 应变 .本文利用有限元模拟结果, 建立了基于变形 均匀性的楔横轧模具优化设计方法, 并对所设计的 多组楔横轧多楔模具进行有限元模拟, 弄清了影响 多楔轧制零件变形不均匀的主要因素.多楔模具设 计的主要参数1 楔展宽长度 L1, 过渡坡角 γ( 如图2 所示) 的选取, 通过实验方法给出 . 图2 车轴多楔模具示意图 1 多楔轧制车轴模具设计的基本原则 楔横轧多楔模具每个楔的基本设计参数, 如展 宽角 β 、成形角 α及断面收缩 ψ的选取范围与楔横 轧单楔模具应相同 .多楔模具根据内外楔入楔的前 后顺序可分为 3 种[ 5] , 由于轧制车轴的断面收缩率 ψ较小, 因此采取内外楔同步楔入的方案, 这样有利 于减少辊面长度. 为了保证1 楔和2 楔共同精确轧制出1 200mm 段尺寸, 则 2 楔的精整起点应在 1 楔完成衔接任务 第 29 卷 增刊 2 2007 年 12 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.29 Suppl.2 Dec.2007 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2007.s2.072

。160 北京科技大学学报 2007年增刊2 后开始.同理，为了保证车轴的整体尺寸，则3楔的 1.2衔接坡角的确定 精整起点应在2楔完成轧制任务后开始：或者3楔 衔接坡角是指内楔轧制逐步向外楔轧制段过渡 的轧制任务在1楔进入衔接之前完成，这样也可保 的锥面倾角，它是由外楔在轧制过程中切出来的斜 证车轴长度尺寸的精确性. 锥面.衔接坡角Y是多楔模具设计的一个重要工艺 11楔展宽长度L1的确定 参数，因为如果Y角度取值过大，则内楔在轧制衔 多楔模具共同轧制等直径段时，两楔之间的金 接斜坡面时，楔对轧件的轴向力会推倒衔接坡面，造 属在受到内楔的径向压下后，轴向流动会受到外楔 成折皮甚至裂纹等现象：反之，Y角度取值过小，则 的阻碍，因此内楔的展宽长度与理论计算值有差别， 衔接部分的截面收缩率小，轧件所受轴向力就小，则 如按常规设计，则轧制任务结束后，1楔与2楔之间 金属不易被模具赶出，造成轧件衔接处横向变形加 会留有未经过轧制的金属.则根据图2分析，理论 大，影响轧件内部质量，并且会加大1楔的辊幅. 上1楔径向压下的金属应该全部转移到轴端，则1 为了得到多楔轧制车轴光滑衔接坡角的最佳 楔的展宽长度L1可按式(1)计算： 值，通过对图3所示多楔模具选取不同的Y值，对 d6, 直径为40mm圆钢进行了轧制实验，实验参数如表 L1=,2L0 (1) di 1所示，得到了如图5所示的轧制结果.结果表明轧 式中，do为轧制坯料直径；d1为轧后直径；Lo为分 制断面收缩率为55%时，衔接坡角取30时，多楔轧 配给1楔轧制的坯料长度. 制等直径段的衔接质量最好， 然而当这部分金属流经2楔时，由于摩擦力的 表1衔接坡角实验参数表 作用，2楔阻碍了部分金属向轴端流动，也就是说被 断面收缩率/%展宽角/心)成形角/心)衔接坡角/( 1楔轧制的金属没有完全地被拉伸到轴端，而是随 55 28 30.45.60.75 着楔的运动在两楔之间作螺旋移动，最后未被1楔 245 轧制完成.那么为了使1楔轧制完残留在1楔、2楔 之间的金属，就应该使1楔的实际展宽量大于理论 计算值. 图4多楔轧制的试验零件 为了证明以上现象的存在，设计了如图3所示 的多楔模具，其中模具内楔展宽角为8°、成形角为 28°、可展宽量为270mm,并用此模具轧制直径为40 mm、断面收缩率为55%、内楔理论展宽量为212 (ay=30 b)y=45 mm的轧件，得到如图4所示的零件，经过测量，发 现内楔实际展宽长度为245mm,除去轧后直径误差 的影响则内楔实际展宽量大于理论展宽量29mm. (c)y=60° (dy=75 图5衔接坡角轧制实验 多楔轧制车轴衔接段的断面收缩率小于55%， 因此衔接坡角取30°作为车轴多楔模具的衔接坡角 将满足光滑衔接的要求， 1.3多楔轧制等直径段任务的分配 车轴1200mm等直径段的轧制任务是由1楔 外 和2楔共同完成的，所以存在轧制任务的分配问题. 当多楔模具1楔的基本参数和轧制任务确定后，根 据多楔模具的设计原则，2楔和3楔的基本参数和 图3多楔模具 轧制任务就会计算出.所以轧制任务分配的不同， 会引起1楔和2楔展宽角B的不同（不含附加转 考虑到D2轴的坯料直径为207mm、长度为 角).表2是根据1楔轧制任务不同而设计的多楔 1200mm段的轧制断面收缩率为22.7%，所以取1 模具参数表，本文根据此表参数，设计轧制车轴的多 楔的设计展宽量L1等于理论轧制展宽量加40mm. 楔模具，并进行了有限元模拟

后开始 .同理, 为了保证车轴的整体尺寸, 则 3 楔的 精整起点应在 2 楔完成轧制任务后开始;或者 3 楔 的轧制任务在 1 楔进入衔接之前完成, 这样也可保 证车轴长度尺寸的精确性 . 1.1 楔展宽长度 L1 的确定 多楔模具共同轧制等直径段时, 两楔之间的金 属在受到内楔的径向压下后, 轴向流动会受到外楔 的阻碍, 因此内楔的展宽长度与理论计算值有差别, 如按常规设计, 则轧制任务结束后, 1 楔与 2 楔之间 会留有未经过轧制的金属.则根据图 2 分析, 理论 上 1 楔径向压下的金属应该全部转移到轴端, 则 1 楔的展宽长度 L1 可按式( 1) 计算: L 1 = d 2 0 d 2 1 L 0 ( 1) 式中, d0 为轧制坯料直径;d1 为轧后直径 ;L0 为分 配给 1 楔轧制的坯料长度 . 然而当这部分金属流经 2 楔时, 由于摩擦力的 作用, 2 楔阻碍了部分金属向轴端流动, 也就是说被 1 楔轧制的金属没有完全地被拉伸到轴端, 而是随 着楔的运动在两楔之间作螺旋移动, 最后未被 1 楔 轧制完成 .那么为了使 1 楔轧制完残留在 1 楔 、2 楔 之间的金属, 就应该使 1 楔的实际展宽量大于理论 计算值. 为了证明以上现象的存在, 设计了如图 3 所示 的多楔模具, 其中模具内楔展宽角为 8°、成形角为 28°、可展宽量为 270 mm, 并用此模具轧制直径为 40 mm 、断面收缩率为 55 %、内楔理论展宽量为 212 mm 的轧件, 得到如图 4 所示的零件, 经过测量, 发 现内楔实际展宽长度为 245 mm, 除去轧后直径误差 的影响, 则内楔实际展宽量大于理论展宽量 29 mm . 图 3 多楔模具 考虑到 RD2 轴的坯料直径为 207 mm 、长度为 1 200 mm段的轧制断面收缩率为 22.7 %, 所以取 1 楔的设计展宽量 L 1 等于理论轧制展宽量加 40 mm . 1.2 衔接坡角的确定 衔接坡角是指内楔轧制逐步向外楔轧制段过渡 的锥面倾角, 它是由外楔在轧制过程中切出来的斜 锥面.衔接坡角 γ是多楔模具设计的一个重要工艺 参数, 因为如果 γ角度取值过大, 则内楔在轧制衔 接斜坡面时, 楔对轧件的轴向力会推倒衔接坡面, 造 成折皮甚至裂纹等现象 ;反之, γ角度取值过小, 则 衔接部分的截面收缩率小, 轧件所受轴向力就小, 则 金属不易被模具赶出, 造成轧件衔接处横向变形加 大, 影响轧件内部质量, 并且会加大 1 楔的辊幅 . 为了得到多楔轧制车轴光滑衔接坡角的最佳 值,通过对图 3 所示多楔模具选取不同的 γ值, 对 直径为 40 mm 圆钢进行了轧制实验, 实验参数如表 1 所示, 得到了如图 5 所示的轧制结果.结果表明轧 制断面收缩率为 55 %时, 衔接坡角取 30°时, 多楔轧 制等直径段的衔接质量最好 . 表1 衔接坡角实验参数表 断面收缩率/ % 展宽角/ (°) 成形角/ (°) 衔接坡角/(°) 55 8 28 30, 45, 60, 75 图4 多楔轧制的试验零件 图 5 衔接坡角轧制实验 多楔轧制车轴衔接段的断面收缩率小于 55 %, 因此衔接坡角取 30°作为车轴多楔模具的衔接坡角 将满足光滑衔接的要求 . 1.3 多楔轧制等直径段任务的分配 车轴 1 200 mm 等直径段的轧制任务是由 1 楔 和 2 楔共同完成的, 所以存在轧制任务的分配问题. 当多楔模具 1 楔的基本参数和轧制任务确定后, 根 据多楔模具的设计原则, 2 楔和 3 楔的基本参数和 轧制任务就会计算出 .所以轧制任务分配的不同, 会引起 1 楔和 2 楔展宽角 β 的不同( 不含附加转 角) .表 2 是根据 1 楔轧制任务不同而设计的多楔 模具参数表, 本文根据此表参数, 设计轧制车轴的多 楔模具, 并进行了有限元模拟. · 160 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2007 年 增刊 2

Vol.29 Suppl 2 束学道等：多楔同步轧制铁路车轴模具设计关键技术研究 161。 表2轧制车轴的多楔模具参数 展宽角/() 成形角a/°) 断面收缩率/% 转角 转角 1楔现论轧制长度， 序号 1楔 2楔3楔 1楔2楔3楔 1楔2楔 3楔 0/ 0() L/mm 1 8 9.1 48 36 36 28 22 22 56 1.83 3.93 300 2 8 7.7 45 36 36 28 22 22 56 1.83 3.60 270 3 8 61 9.1 36 36 28 22 22 56 1.83 320 240 注：衔接坡角为30 内部变形的不均匀会影响轧件的力学性能：按第2 2有限元模拟结果及分析 组参数设计的模具轧出的轧件内部与表层金属的变 根据表2提供的实验参数，建立有限元模型.并 形都很均匀，因此轧件的质量较好：第3组参数设计 对直径为207mm、长度为1720mm、材料为45号钢 的模具轧出的轧件内部金属变形均匀，但表层金属 的坯料进行模拟轧制，图6反映的是轧件轴向剖面 的变形不太均匀. 的等效应变的分布，图7表示轧件表面等效应变的 3结论 分布.各图序号与模拟实验序号相同. (1)多楔模具内楔实际展宽量是大于理论展宽 1号试险 量的，这是因为内楔轧制的金属向轴端流动时受到 外楔摩擦力的阻碍，致使一部分金属在两楔之间滞 2号试验 留，只有加大1楔的展宽量才可逐渐轧制完此部分 3号试验 金属. (2)当车轴多楔模具楔接坡角为30°时.可得到 图6轧件轴向割面等效应变图 表面衔接光滑的轧件. (3)以等效应变作为轧件表面和内部金属变形 1号试验 均匀的判定条件，通过有限元模拟实验找到了模具 合理的设计参数， 2号试验 参考文献 3号试验 【刂李传民束学道，胡正囊。铁道车辆用车轴成形方法现状与研 图7轧件表面等效应变 究.冶金设备.2006.6：5 【习束学道，邢希东，胡正囊。工艺参数对楔横轧多楔轧制成形机 从轧件轴向剖面和表面等效应变分布图可以看 理影响分析.北京科技大学学报，2005,2222 出(1200mm段)，按多楔模具设计原则设计出的模 [习李传民束学道，胡正寰.楔横轧多楔轧制铁路车轴可行性有 具都轧制出了RD2轴，并且等直径段的衔接光滑， 限元分析.中国机械工程，2006.1917)：2017 【马束学道.特大型楔横轧工艺与设备研究[学位论刘.北京：北 没有出现残料与折皮现象；按第1组参数所设计的 京科技大学，2002 模具轧出的轧件内部与表层金属的变形都不均匀， 【习赵静。楔横轧多楔成形长轴类零件关键技术研列学位论文]· 表层金属变形不均匀则轧件表面加工余量就较大， 北京：北京科技大学.2007 The study on key technology to design multi-wedge dies of rolling railway axles SHU Xuedao,LI Chuanmin,HU Zhenghuan Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT There are many influence factors of designing multi-wedge die.In this paper,the actual spread span of interior wedge and interface angle were studied by ex periment and finite element analysis.Meanw hile,a new optimization design method for multi-wedge die w as developed.The paper suggests that an effective strain is a standard of judging uniform deformation within multi-wedge rolling.The optimal parameters for the design of railw ay ax les die were obtained.The results have an instructional action for designing multi-wedge die. KEY WORDS multi-w edge rolling;railw ay axle;die

表 2 轧制车轴的多楔模具参数 序号 展宽角 β/ (°) 成形角 α/ (°) 断面收缩率/ % 1楔 2 楔 3 楔 1 楔 2 楔 3 楔 1楔 2 楔 3 楔 转角 θ1/ (°) 转角 θ2/ (°) 1 楔现论轧制长度, L/mm 1 8 9.1 4.8 36 36 28 22 22 56 1.83 3.93 300 2 8 7.7 4.5 36 36 28 22 22 56 1.83 3.60 270 3 8 6.1 9.1 36 36 28 22 22 56 1.83 3.20 240 注:衔接坡角为 30° 2 有限元模拟结果及分析 根据表 2 提供的实验参数, 建立有限元模型, 并 对直径为 207 mm 、长度为 1720 mm 、材料为 45 号钢 的坯料进行模拟轧制, 图 6 反映的是轧件轴向剖面 的等效应变的分布, 图 7 表示轧件表面等效应变的 分布 .各图序号与模拟实验序号相同 . 图 6 轧件轴向剖面等效应变图 图 7 轧件表面等效应变 从轧件轴向剖面和表面等效应变分布图可以看 出( 1 200 mm 段) , 按多楔模具设计原则设计出的模 具都轧制出了 RD2 轴, 并且等直径段的衔接光滑, 没有出现残料与折皮现象 ;按第 1 组参数所设计的 模具轧出的轧件内部与表层金属的变形都不均匀, 表层金属变形不均匀则轧件表面加工余量就较大, 内部变形的不均匀会影响轧件的力学性能 ;按第 2 组参数设计的模具轧出的轧件内部与表层金属的变 形都很均匀, 因此轧件的质量较好;第 3 组参数设计 的模具轧出的轧件内部金属变形均匀, 但表层金属 的变形不太均匀. 3 结论 ( 1) 多楔模具内楔实际展宽量是大于理论展宽 量的, 这是因为内楔轧制的金属向轴端流动时受到 外楔摩擦力的阻碍, 致使一部分金属在两楔之间滞 留, 只有加大 1 楔的展宽量才可逐渐轧制完此部分 金属. ( 2) 当车轴多楔模具楔接坡角为 30°时, 可得到 表面衔接光滑的轧件. ( 3) 以等效应变作为轧件表面和内部金属变形 均匀的判定条件, 通过有限元模拟实验找到了模具 合理的设计参数. 参 考 文 献 [ 1] 李传民, 束学道, 胡正寰.铁道车辆用车轴成形方法现状与研 究.冶金设备, 2006, 6:5 [ 2] 束学道, 邢希东, 胡正寰.工艺参数对楔横轧多楔轧制成形机 理影响分析.北京科技大学学报, 2005, 2:222 [ 3] 李传民, 束学道, 胡正寰.楔横轧多楔轧制铁路车轴可行性有 限元分析.中国机械工程, 2006, 19( 17) :2017 [ 4] 束学道.特大型楔横轧工艺与设备研究[ 学位论文] .北京:北 京科技大学, 2002 [ 5] 赵静.楔横轧多楔成形长轴类零件关键技术研究[ 学位论文] . 北京:北京科技大学, 2007 The study on key technology to desig n multi-wedge dies of rolling railway axles S HU X uedao, LI Chuanmin , HU Zhenghuan Mechanical Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China ABSTRACT There are many influence factors of designing multi-w edge die .In this paper, the actual spread span of interior wedge and interface angle w ere studied by ex periment and finite element analysis .Meanw hile, a new optimization desig n method for multi-wedge die w as developed .The paper suggests that an effective strain is a standard of judging uniform deformation within multi-wedge rolling .The optimal parameters for the design of railw ay ax les die were obtained .The results have an instructional action for designing multi-wedge die . KEY WORDS multi-w edge rolling ;railw ay axle ;die Vol.29 Suppl.2 束学道等:多楔同步轧制铁路车轴模具设计关键技术研究 · 161 ·