火車輪鍛造模具設計及磨損壽命預測開題報告

1、開題報告學 院畢業(yè)設計（論文）題目火車輪鍛造模具設計及磨損壽命預測學生姓名學 號指導教師職稱/學歷課題來源課題類型1.選題的國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（含文獻綜述，不少于800字）目前世界各國火車車輪的制造，除少量采用鑄鋼外，大多是用鋼錠制坯，經鍛壓和軋制后機加工而成。 上世紀末,隨著我國國民經濟的快速發(fā)展,地區(qū)間的物流量日益增大,鐵路作為物流運輸?shù)闹髑溃堰h不能滿足要求，成為了制約國民經濟發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)。進人21世紀,世界各國開始大力發(fā)展高速鐵路,以改善交通，活躍經濟，促進社會發(fā)展1。我國從1997年實行第- -次鐵路大提速以來,取得了顯著的成效,機車提速已成為鐵路發(fā)展的新戰(zhàn)略。機車提速后,

2、車輪在高速運動條件下,受到速度效應和制動方式的制約，其受力狀態(tài)發(fā)生了很大變化,對其強韌性、耐磨性、抗熱裂性、抗疲勞性、抗剝離性提出了更高的要求。因而,研究車輪成形工藝，大力提升車輪產品綜合質量,制造優(yōu)質車輪,是實現(xiàn)鐵路運輸提速的有力保證2。傳統(tǒng)的車輪制造方法有鑄造法、模鍛法、模鍛-軋制法，其中以模鍛-軋制法應用最為廣泛。其典型成形工藝為鐓粗-定徑-壓痕-成形-軋制-沖孔壓彎凹。目前,世界.上已有十多個國家如美國、法國、日本、德國、鋼股份公司車輪分公司(模鍛-軋制生產線)、太原重型機械(集團)有限公司鋼輪廠(模鍛-軋制生產線)、鐵道部大同機車車輛廠(鑄鋼車輪生產線)3。馬鋼股份公司車輪分公司自1

3、964 年開始生產鐵路機車和車輛用的熱軋車輪和輪箍,有著近40年的火車整體車輪和輪箍的生產經驗,公司設備精良，工藝先進,檢測設施齊全,生產規(guī)模為遠東之最。為適應中國鐵路運輸業(yè)的發(fā)展,公司分別引進了美國、德國、意大利、瑞典的先進生產檢測設備，如車輪全仿型、全自動數(shù)控加工機床、SKF真空精煉設備等,建成了世界上先進的車輪加工生產線。不僅能大批量生產時速120km/h的HDSA車輪和時速160km/h的KKD車輪，而且能小批量生產時速200km/h的KDQ車輪和時速300km/h的HSW高速車輪。公司生產的優(yōu)質碳素結構鋼、低合金、合金結認證;1998年8月又獲美國鐵路協(xié)會認證，獲AAR證書,取得了進

4、軍北美市場的通行證。近期.馬鋼正在引進德國先進的壓軋設備，以進-步改進車輪輪箍生產線)4。世界先進的火車車輪生產技術首推法、日兩國。國際鐵路聯(lián)盟早在上世紀70年代末80年代初的遠景規(guī)劃中就明確規(guī)定,車輛運行速度要捉提高到250400km/he1989年法國的高速列車TGV在大西洋線路_上運行速度首次達到250400km/h,1990年,實驗高速列車的速度達到515.3km/h，創(chuàng)造了世界之最，目前其高速化技術開發(fā)的目標是運營速度350km/hi。日本在20世紀60年代就已經開發(fā)出在新干線上時速超過200km的高速列車,在其東海岸干線上的高速實驗列車速度已達到443km/h5，并仍在探索進-少捉

5、高列車速度的可行性。隨著計算機硬件、軟件技術的飛速發(fā)展,以及有限元分析理論、數(shù)值分析技術和計算機技術的進步,20世紀60年代末至70年代初出現(xiàn)了一些大型通用有限元分析軟件,這些軟件具有功能強大、使用方便、計算結果可敬.效率高等特點,使越來越多的工程技術人員和科研人員使用它對塑性成形工藝過程進行研究6。目前，著名的大型通用商業(yè)有限元分析軟件主要有: MSC/Marc、DEFORMT- 3D、ANSYS.AUTOFORM COSMOS、ABAQUAS、NASTRAN等.這些軟件絕大部分都具有完整的、直觀的前后處理系統(tǒng)，可以直觀地在計算機屏幕上觀察材料變形和流動的詳細過程,了解材料的應力、應變分布,

6、溫度的分布,破裂、折疊等形成過程,以及成形后的殘余應力分布7。許多學者用有限元數(shù)值模擬技術研究了車輪成形工藝:王志誠剛開發(fā)了二維非穩(wěn)態(tài)剛粘塑性有限元計算軟件RVPEEM,分析了火車車輪鍛造中預鍛和終鍛兩個工步的成形過程，研究了車輪成形金屬流動規(guī)律。B.C.Miller16.171等 用DEFORMM_ -2D商業(yè)有限元軟件模擬了火車車輪壓軋變形過程，并將模擬結果與物理模擬進行了比較，對熱加工過程的溫度場進行了模擬，利用Cockeroft&Catham斷裂理論進行了穿孔模擬，發(fā)現(xiàn)高溫度梯度冷卻模具對金屬流動產生很大影響，并綜合各種因素預測了表面折疊缺陷8。許章澤等借助商業(yè)有限元軟件MAR

7、C/Autoforge對火車車輪預成形各工步進行了彈塑性有限元熱力耦合數(shù)值模擬，研究內容包括車輪預成形過程金屬流動規(guī)律、應力場、應變場、溫度場以及輪壞壓縮比的獲得，定量分析了摩擦因素和壓痕定尺對車輪預成形過程的影響。K.DaveyI8等綜合分析了有限元數(shù)值模擬在火車車輪成形中的應卅問題，認為目前對車輪軋制問題進行數(shù)值模擬還存在較大困難，這是由于數(shù)值模擬計算量大和有限元網(wǎng)格再生的原因9。綜上所述.通過對車輪成形T.藝的研究，優(yōu)化了車輪壓軋工藝參數(shù)，改善了車輪成形金屬的流動狀況,改進了車輪的性能,提高了車輪表面質量和尺小精度。2.選題的目的與意義選題的目的：通過本題目全面實施，督促我個人將所學專業(yè)

8、知識應用于工程實際，既鞏固了理論知識也解決了工程實際問題，充分體現(xiàn)了“學必用”的應用型大學人才培養(yǎng)理念，使我獨立分析和解決實際問題的能力得到全方位鍛煉和提高。鐵路交通是我國運輸系統(tǒng)的重要組成部分，在國民經濟和社會發(fā)展過程中，鐵路運輸扮演著不可替代的重要角色。我國一直以來都十分重視鐵路運輸?shù)陌l(fā)展。最近幾年以來，隨著以高鐵為代表的新型鐵路運輸技術的應用，我國鐵路運輸朝著高速、重載方向發(fā)展，車輪在復雜的運行工況和惡劣的工作條件下，受到來自于速度效應和制動方式的雙重影響，對其耐磨性、強韌性以及抗疲憊性提出了更高的要求。但是我國現(xiàn)有的車輪鍛壓生產技術，還不能完全滿足鐵路運輸發(fā)展對火車車輪質量的要求。尤其

9、是我國高速列車的車輪，在車輪的制造中，還存在廢品率較高的現(xiàn)象。因此，筆者認為，研究火車車輪鍛壓生產工藝，提升我國火車車輪鍛壓生產技術水平，制造優(yōu)質火車車輪，關于降低我國火車整車生產成本，促進鐵路運輸?shù)陌l(fā)展，有十分重要的現(xiàn)實意義。選題的意義：我國塑性成形工藝與世界先進水平比較相對落后,車輪成形工藝存在著變形過程不合理.模具壽命低、車輪整體質量不高等不足。物理模擬研究僅作了定性分析,而生產經驗的通用性較差,有限元數(shù)值模擬工作尚待深入，文獻中尚未發(fā)現(xiàn)用三維有限元.數(shù)值模擬方法對車輪壓軋工藝系統(tǒng)研究，較多的僅限于對預成形工步的研究。我們認為，車輪成形工藝尚待研究的問題有以下幾個方面:壓軋過程模具表面溫

10、度、模具受力情況對模具磨損的影響;工件形成折疊等表面缺陷研究,定量分析產生表面折疊的臨界尺寸和工具形狀部.位;預成形工步的合理設計對成形過程的影響;車輪偏心產生原因和改進措施;軋制工序的有限元數(shù)值模擬,最佳壓下量的設定,軋輥摩擦對車輪成形的影響,輪輞表面折疊、裂紋的產生工況等。因此，選擇火車輪鍛造模具設計作為我的畢業(yè)設計題目具有重要的意義。3.畢業(yè)設計的設計思路（畢業(yè)論文寫明擬解決的問題及思路）通過文獻資料收集消化，掌握國內外火車輪鍛造技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，力爭改善國內火車輪鍛造技術落后的狀況，全面提高火車輪鍛造技術水平，優(yōu)化火車輪性能， 使該設備在技術上有一定的進步。首先可以自由移動，且高效

11、節(jié)能，低碳環(huán)保；接著優(yōu)化傳統(tǒng)火車輪設備的結構，在火車輪的鍛造方面有著很大的改良，使生產能力和本機的穩(wěn)定性大大提高。在了解火車輪鍛造的發(fā)展概況及在工業(yè)上的應用和要求的基礎上，熟悉火車輪的結構及工作原理，并了解與其他類型的鍛造技術的不同之處；確定火車輪的整體結構方案；利用計算機繪圖軟件，對火車輪鍛造的主要零部件進行結構設計；繪制火車輪鍛造模具的整體裝配圖；繪制主要零部件的零件圖；最后利用計算機撰寫畢業(yè)設計說明書。具體步驟為：1）查閱鍛造成型以及模具設計方面的科技文獻，比較鍛造火車輪與其他加工方法的優(yōu)勢，撰寫文獻綜述；（2）對火車輪鍛件進行工藝性分析；（3）建立Archard修正磨損模型；（4）鍛造

12、工藝方案設計；（5）坯料體積計算及壓力機選?。唬?）工作模具結構設計及計算；（7）一次熱鍛成形過程火車輪凹模磨損分析；（8）利用數(shù)值模擬預測凹模壽命；4.畢業(yè)設計（論文）的主要內容鍛造成型工藝是一種優(yōu)質高效低成本的加工方法，在機車零部件制造過程中被廣泛應用。課題主要工作內容與工作量：（1）查閱鍛造成型以及模具設計方面的科技文獻，比較鍛造火車輪與其他加工方法的優(yōu)勢，撰寫文獻綜述不少于1500字數(shù)；（2）對火車輪鍛件進行工藝性分析；（3）建立Archard修正磨損模型；（4）鍛造工藝方案設計；（5）坯料體積計算及壓力機選取；（6）工作模具結構設計及計算；（7）一次熱鍛成形過程火車輪凹模磨損分析；（

13、8）利用數(shù)值模擬預測凹模壽命；（9）整理相關計算，撰寫說明書一份，完成火車輪模具裝配圖及主要鍛件工作圖。5.主要參考文獻（不少于8篇）1李振紅,黃英娜,張質良.亞熱精密成形過程模具磨損的數(shù)值模擬研究J.精密成形工程,2010,2(2):5-9.2王培安,吳淑芳,苗潤忠.端蓋熱擠壓成形方案優(yōu)化設計及多目標模具磨損失效的分析J.石河子大學學報(自然科學版),2019,37(6):661-671.3秦國慶車輪生產現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢R.河北冶金,1998(6):9-11.4 安濤,王成永,李懷明.我國車輪輪箍的質量現(xiàn)狀和發(fā)展R.中國冶金,1998(2);:28-31.5 閻盛龍.鐵路用整體碾鋼車輪熱變形工

14、藝評述R.馬鋼技術.1997(1):37-41. 6孫憲萍.擠壓模具的摩擦學優(yōu)化設計D.合肥:合肥工業(yè)大學,2005,5-15.7殷燕芳.模具的摩擦與潤滑J.機械研究與應用,2007,20(1):9-10,13. 8汪學陽,王華君,王華昌,等.基于FEM的熱鍛模磨損分析與壽命預測J.潤滑與密封,2008(5):49-53.9施淵吉,黎軍頑,吳曉春,等.汽車法蘭盤熱鍛模具磨損失效的實驗分析和數(shù)值研究J.摩擦學學報,2016,36(2):215-225.6.畢業(yè)設計（論文）進度計劃（開題至定稿）2021.11.82021.11.19 查閱鍛造成型以及模具設計方面的科技文獻；2021.11.222021.11.26 比較鍛造火車輪與其他加工方法的優(yōu)勢，完成開題報告；2021.11.27 2021.12.15針對鍛件進行成型工藝進行分析；2020.12.16 2022.1.20 建立Archard修正磨損模型，鍛造工藝方案設計，坯料體積計算及壓力機選取；2022.1.21 2022.2.28 工作模具結構設計及計算，利用數(shù)值模擬預測凹模壽命