多楔同步轧制铁路车轴模具设计关键技术研究

作者:束学道;李传民;胡正寰 刊名:北京科技大学学报 上传者:齐康平

【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.

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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4min.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1RD2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(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、成形角及断面收缩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1200mm段尺寸,则2楔的精整起点应在1楔完成衔接任务后开始.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:L1=dd0221L0(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270mm,并用此模具轧制直径为40mm、断面收缩率为55%、内楔理论展宽量为212mm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.图3多楔模具考虑到RD2轴的坯料直径为207mm、长度为1200mm段的轧制断面收缩率为22.7%,所以取1楔的设计展宽量L1等于理论轧制展宽量加40mm.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.

参考文献

引证文献

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