劉華堂，白輝東

（太原重工軌道交通設(shè)備有限公司 山西 太原 030032）

隨著鐵路交通的發(fā)展，車輪作為列車走行部件，其需求量逐年增加。傳統(tǒng)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(chǎn)采用模鍛－軋制法生產(chǎn)，其完整的熱成形工藝如圖1所示，包括預(yù)成形、成形、軋制、沖孔和壓彎，最終獲得符合工藝設(shè)計(jì)尺寸要求的熱態(tài)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(tài)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(chǎn)效率，也會(huì)給后續(xù)熱處理和車削工序帶來安全風(fēng)險(xiǎn)，增加生產(chǎn)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(shí)，沖孔提升缸將車輪帶起，必須由人工來將車輪脫下，嚴(yán)重影響生產(chǎn)節(jié)奏。

2）沖孔毛刺會(huì)造成熱處理過程中車輪在臺(tái)車上的放置位置偏離熱處理機(jī)械手預(yù)設(shè)的抓料位置，造成車輪在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中掉落，有安全隱患。

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

4）切削加工過程中較大毛刺會(huì)造成打刀。

針對(duì)以上問題，本文從沖孔工序設(shè)備的工作動(dòng)作、沖頭潤滑和冷卻、沖頭結(jié)構(gòu)幾方面進(jìn)行了研究，并結(jié)合數(shù)值模擬研究了沖孔間隙與沖孔毛刺位置之間的關(guān)系，在成形模具設(shè)計(jì)中對(duì)預(yù)制孔與沖頭的間隙進(jìn)行了優(yōu)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(tài)車輪在壓彎沖孔前，需在車輪中心兩側(cè)預(yù)制盲孔（車輪芯料的兩側(cè)均預(yù)制盲孔），盲孔直徑須略大于沖頭直徑，沖頭的運(yùn)動(dòng)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(shí)，沖頭才可將芯料順利沖落。

本文的沖孔模擬實(shí)驗(yàn)以A43車輪壓彎模擬的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為研究對(duì)象，沖頭、沖環(huán)為恒溫剛體，溫度設(shè)置為200℃，沖芯運(yùn)動(dòng)速度70 mm/s，沖環(huán)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(xué)準(zhǔn)則，另一種是材料的尺寸準(zhǔn)則。即，對(duì)沖孔時(shí)材料發(fā)生劇烈變化的區(qū)域不斷重新細(xì)劃網(wǎng)格、重新計(jì)算材料的變形情況，當(dāng)某一區(qū)域的材料厚度小于特定的設(shè)定值時(shí)刪除相應(yīng)單元格，實(shí)現(xiàn)材料分離斷裂的模擬。本文模擬實(shí)驗(yàn)選取材料的尺寸準(zhǔn)則進(jìn)行。

輪坯的單元格類型為quads（10），初始網(wǎng)格尺寸7.66 mm，當(dāng)應(yīng)變超過0.4或材料厚度小于3 mm時(shí)對(duì)網(wǎng)格自動(dòng)重新細(xì)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(jì)算的運(yùn)算量和運(yùn)算時(shí)間，設(shè)定當(dāng)材料厚度小于2 mm時(shí)，刪除相應(yīng)區(qū)域的單元格，實(shí)現(xiàn)材料分離斷裂。

實(shí)驗(yàn)主要研究沖孔間隙大小對(duì)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(duì)沖孔過程的模擬結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，不同的沖孔間隙導(dǎo)致沖孔裂紋的產(chǎn)生位置和芯料斷裂位置并不相同。沖孔間隙δ增大時(shí)，裂紋產(chǎn)生時(shí)間提前，裂紋萌生位置距離輪轂外側(cè)面較遠(yuǎn)，見圖3-1、圖4-1、圖5-1。同時(shí)芯料更早斷裂分離，芯料分離時(shí)毛刺產(chǎn)生的位置距離輪轂外側(cè)面較遠(yuǎn)，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(zhì)量越好。以上3種沖孔間隙的模擬結(jié)果表明，隨著沖孔間隙的增大，毛刺產(chǎn)生的位置提前，沖孔質(zhì)量變好。

圖3 方案A沖孔模擬結(jié)果（δA=2.5 mm）

圖4 方案B沖孔模擬結(jié)果（δB=5 mm）

圖5 方案C沖孔模擬結(jié)果（δC=10 mm）

太重車輪生產(chǎn)線在A43車輪生產(chǎn)時(shí)，沖孔間隙為2.5 mm時(shí)沖孔后產(chǎn)生毛刺，見圖6-1。隨后依據(jù)模擬結(jié)論將沖孔間隙變更為10 mm，沖孔后未產(chǎn)生毛刺，見圖6-2。以上的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)情況一致，表明了模擬結(jié)果的有效性，即在一定范圍內(nèi)增大沖孔間隙，有利于提高沖孔質(zhì)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(chǎn)。生產(chǎn)中結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 沖頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)

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(shí)沖孔提升缸提起時(shí)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(shí)，沖孔提升缸提起時(shí)沖頭不能完全脫離車輪的輪轂孔，可能會(huì)造成沖頭掛輪。沖頭改短后，沖孔提升缸提起時(shí)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(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比圖

3 優(yōu)化設(shè)備動(dòng)作

前期壓彎沖孔工序模具冷卻、潤滑時(shí)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(shè)備參數(shù)后壓彎沖孔工作完成，模具潤滑、冷卻時(shí)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(jié)論

通過優(yōu)化沖頭結(jié)構(gòu)、優(yōu)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(chǎn)中沖頭較易磨損，沖頭磨損后容易產(chǎn)生毛刺，因此生產(chǎn)過程中還要勤于觀察，沖頭磨損嚴(yán)重或產(chǎn)生毛刺時(shí)及時(shí)更換沖頭。