火車輪鍛造模具設(shè)計(jì)及磨損壽命預(yù)測(cè)開題報(bào)告

1、開題報(bào)告學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目火車輪鍛造模具設(shè)計(jì)及磨損壽命預(yù)測(cè)學(xué)生姓名學(xué) 號(hào)指導(dǎo)教師職稱/學(xué)歷課題來源課題類型1.選題的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述，不少于800字）目前世界各國(guó)火車車輪的制造，除少量采用鑄鋼外，大多是用鋼錠制坯，經(jīng)鍛壓和軋制后機(jī)加工而成。 上世紀(jì)末,隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(yùn)輸?shù)闹髑?，已遠(yuǎn)不能滿足要求，成為了制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)。進(jìn)人21世紀(jì),世界各國(guó)開始大力發(fā)展高速鐵路,以改善交通，活躍經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)社會(huì)發(fā)展1。我國(guó)從1997年實(shí)行第- -次鐵路大提速以來,取得了顯著的成效,機(jī)車提速已成為鐵路發(fā)展的新戰(zhàn)略。機(jī)車提速后,

2、車輪在高速運(yùn)動(dòng)條件下,受到速度效應(yīng)和制動(dòng)方式的制約，其受力狀態(tài)發(fā)生了很大變化,對(duì)其強(qiáng)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(chǎn)品綜合質(zhì)量,制造優(yōu)質(zhì)車輪,是實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)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(yīng)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(gè)國(guó)家如美國(guó)、法國(guó)、日本、德國(guó)、鋼股份公司車輪分公司(模鍛-軋制生產(chǎn)線)、太原重型機(jī)械(集團(tuán))有限公司鋼輪廠(模鍛-軋制生產(chǎn)線)、鐵道部大同機(jī)車車輛廠(鑄鋼車輪生產(chǎn)線)3。馬鋼股份公司車輪分公司自1

3、964 年開始生產(chǎn)鐵路機(jī)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(chǎn)經(jīng)驗(yàn),公司設(shè)備精良，工藝先進(jìn),檢測(cè)設(shè)施齊全,生產(chǎn)規(guī)模為遠(yuǎn)東之最。為適應(yīng)中國(guó)鐵路運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展,公司分別引進(jìn)了美國(guó)、德國(guó)、意大利、瑞典的先進(jìn)生產(chǎn)檢測(cè)設(shè)備，如車輪全仿型、全自動(dòng)數(shù)控加工機(jī)床、SKF真空精煉設(shè)備等,建成了世界上先進(jìn)的車輪加工生產(chǎn)線。不僅能大批量生產(chǎn)時(shí)速120km/h的HDSA車輪和時(shí)速160km/h的KKD車輪，而且能小批量生產(chǎn)時(shí)速200km/h的KDQ車輪和時(shí)速300km/h的HSW高速車輪。公司生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金、合金結(jié)認(rèn)證;1998年8月又獲美國(guó)鐵路協(xié)會(huì)認(rèn)證，獲AAR證書,取得了進(jìn)

4、軍北美市場(chǎng)的通行證。近期.馬鋼正在引進(jìn)德國(guó)先進(jìn)的壓軋?jiān)O(shè)備，以進(jìn)-步改進(jìn)車輪輪箍生產(chǎn)線)4。世界先進(jìn)的火車車輪生產(chǎn)技術(shù)首推法、日兩國(guó)。國(guó)際鐵路聯(lián)盟早在上世紀(jì)70年代末80年代初的遠(yuǎn)景規(guī)劃中就明確規(guī)定,車輛運(yùn)行速度要捉提高到250400km/he1989年法國(guó)的高速列車TGV在大西洋線路_上運(yùn)行速度首次達(dá)到250400km/h,1990年,實(shí)驗(yàn)高速列車的速度達(dá)到515.3km/h，創(chuàng)造了世界之最，目前其高速化技術(shù)開發(fā)的目標(biāo)是運(yùn)營(yíng)速度350km/hi。日本在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開發(fā)出在新干線上時(shí)速超過200km的高速列車,在其東海岸干線上的高速實(shí)驗(yàn)列車速度已達(dá)到443km/h5，并仍在探索進(jìn)-少捉

5、高列車速度的可行性。隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)的飛速發(fā)展,以及有限元分析理論、數(shù)值分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,20世紀(jì)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(qiáng)大、使用方便、計(jì)算結(jié)果可敬.效率高等特點(diǎn),使越來越多的工程技術(shù)人員和科研人員使用它對(duì)塑性成形工藝過程進(jìn)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(jì)算機(jī)屏幕上觀察材料變形和流動(dòng)的詳細(xì)過程,了解材料的應(yīng)力、應(yīng)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(yīng)力分布7。許多學(xué)者用有限元數(shù)值模擬技術(shù)研究了車輪成形工藝:王志誠(chéng)剛開發(fā)了二維非穩(wěn)態(tài)剛粘塑性有限元計(jì)算軟件RVPEEM,分析了火車車輪鍛造中預(yù)鍛和終鍛兩個(gè)工步的成形過程，研究了車輪成形金屬流動(dòng)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(jié)果與物理模擬進(jìn)行了比較，對(duì)熱加工過程的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬，利用Cockeroft&Catham斷裂理論進(jìn)行了穿孔模擬，發(fā)現(xiàn)高溫度梯度冷卻模具對(duì)金屬流動(dòng)產(chǎn)生很大影響，并綜合各種因素預(yù)測(cè)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(duì)火車車輪預(yù)成形各工步進(jìn)行了彈塑性有限元熱力耦合數(shù)值模擬，研究?jī)?nèi)容包括車輪預(yù)成形過程金屬流動(dòng)規(guī)律、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)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(duì)車輪預(yù)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(yīng)卅問題，認(rèn)為目前對(duì)車輪軋制問題進(jìn)行數(shù)值模擬還存在較大困難，這是由于數(shù)值模擬計(jì)算量大和有限元網(wǎng)格再生的原因9。綜上所述.通過對(duì)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(dòng)狀況,改進(jìn)了車輪的性能,提高了車輪表面質(zhì)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(shí)施，督促我個(gè)人將所學(xué)專業(yè)

8、知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)際，既鞏固了理論知識(shí)也解決了工程實(shí)際問題，充分體現(xiàn)了“學(xué)必用”的應(yīng)用型大學(xué)人才培養(yǎng)理念，使我獨(dú)立分析和解決實(shí)際問題的能力得到全方位鍛煉和提高。鐵路交通是我國(guó)運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展過程中，鐵路運(yùn)輸扮演著不可替代的重要角色。我國(guó)一直以來都十分重視鐵路運(yùn)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(yùn)輸技術(shù)的應(yīng)用，我國(guó)鐵路運(yùn)輸朝著高速、重載方向發(fā)展，車輪在復(fù)雜的運(yùn)行工況和惡劣的工作條件下，受到來自于速度效應(yīng)和制動(dòng)方式的雙重影響，對(duì)其耐磨性、強(qiáng)韌性以及抗疲憊性提出了更高的要求。但是我國(guó)現(xiàn)有的車輪鍛壓生產(chǎn)技術(shù)，還不能完全滿足鐵路運(yùn)輸發(fā)展對(duì)火車車輪質(zhì)量的要求。尤其

9、是我國(guó)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(rèn)為，研究火車車輪鍛壓生產(chǎn)工藝，提升我國(guó)火車車輪鍛壓生產(chǎn)技術(shù)水平，制造優(yōu)質(zhì)火車車輪，關(guān)于降低我國(guó)火車整車生產(chǎn)成本，促進(jìn)鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。選題的意義：我國(guó)塑性成形工藝與世界先進(jìn)水平比較相對(duì)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(zhì)量不高等不足。物理模擬研究?jī)H作了定性分析,而生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的通用性較差,有限元數(shù)值模擬工作尚待深入，文獻(xiàn)中尚未發(fā)現(xiàn)用三維有限元.數(shù)值模擬方法對(duì)車輪壓軋工藝系統(tǒng)研究，較多的僅限于對(duì)預(yù)成形工步的研究。我們認(rèn)為，車輪成形工藝尚待研究的問題有以下幾個(gè)方面:壓軋過程模具表面溫

10、度、模具受力情況對(duì)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(chǎn)生表面折疊的臨界尺寸和工具形狀部.位;預(yù)成形工步的合理設(shè)計(jì)對(duì)成形過程的影響;車輪偏心產(chǎn)生原因和改進(jìn)措施;軋制工序的有限元數(shù)值模擬,最佳壓下量的設(shè)定,軋輥摩擦對(duì)車輪成形的影響,輪輞表面折疊、裂紋的產(chǎn)生工況等。因此，選擇火車輪鍛造模具設(shè)計(jì)作為我的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目具有重要的意義。3.畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路（畢業(yè)論文寫明擬解決的問題及思路）通過文獻(xiàn)資料收集消化，掌握國(guó)內(nèi)外火車輪鍛造技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，力爭(zhēng)改善國(guó)內(nèi)火車輪鍛造技術(shù)落后的狀況，全面提高火車輪鍛造技術(shù)水平，優(yōu)化火車輪性能， 使該設(shè)備在技術(shù)上有一定的進(jìn)步。首先可以自由移動(dòng)，且高效

11、節(jié)能，低碳環(huán)保；接著優(yōu)化傳統(tǒng)火車輪設(shè)備的結(jié)構(gòu)，在火車輪的鍛造方面有著很大的改良，使生產(chǎn)能力和本機(jī)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(yīng)用和要求的基礎(chǔ)上，熟悉火車輪的結(jié)構(gòu)及工作原理，并了解與其他類型的鍛造技術(shù)的不同之處；確定火車輪的整體結(jié)構(gòu)方案；利用計(jì)算機(jī)繪圖軟件，對(duì)火車輪鍛造的主要零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；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(jì)算機(jī)撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書。具體步驟為：1）查閱鍛造成型以及模具設(shè)計(jì)方面的科技文獻(xiàn)，比較鍛造火車輪與其他加工方法的優(yōu)勢(shì)，撰寫文獻(xiàn)綜述；（2）對(duì)火車輪鍛件進(jìn)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(shè)計(jì)；（5）坯料體積計(jì)算及壓力機(jī)選?。唬?）工作模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)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(yù)測(cè)凹模壽命；4.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容鍛造成型工藝是一種優(yōu)質(zhì)高效低成本的加工方法，在機(jī)車零部件制造過程中被廣泛應(yīng)用。課題主要工作內(nèi)容與工作量：（1）查閱鍛造成型以及模具設(shè)計(jì)方面的科技文獻(xiàn)，比較鍛造火車輪與其他加工方法的優(yōu)勢(shì)，撰寫文獻(xiàn)綜述不少于1500字?jǐn)?shù)；（2）對(duì)火車輪鍛件進(jìn)行工藝性分析；（3）建立Archard修正磨損模型；（4）鍛造工藝方案設(shè)計(jì)；（5）坯料體積計(jì)算及壓力機(jī)選取；（6）工作模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)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(yù)測(cè)凹模壽命；（9）整理相關(guān)計(jì)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(xiàn)（不少于8篇）1李振紅,黃英娜,張質(zhì)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(rùn)忠.端蓋熱擠壓成形方案優(yōu)化設(shè)計(jì)及多目標(biāo)模具磨損失效的分析J.石河子大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2019,37(6):661-671.3秦國(guó)慶車輪生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)R.河北冶金,1998(6):9-11.4 安濤,王成永,李懷明.我國(guó)車輪輪箍的質(zhì)量現(xiàn)狀和發(fā)展R.中國(guó)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(píng)述R.馬鋼技術(shù).1997(1):37-41. 6孫憲萍.擠壓模具的摩擦學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)D.合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2005,5-15.7殷燕芳.模具的摩擦與潤(rùn)滑J.機(jī)械研究與應(yīng)用,2007,20(1):9-10,13. 8汪學(xué)陽,王華君,王華昌,等.基于FEM的熱鍛模磨損分析與壽命預(yù)測(cè)J.潤(rùn)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(shí)驗(yàn)分析和數(shù)值研究J.摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2016,36(2):215-225.6.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度計(jì)劃（開題至定稿）2021.11.82021.11.19 查閱鍛造成型以及模具設(shè)計(jì)方面的科技文獻(xiàn)；2021.11.222021.11.26 比較鍛造火車輪與其他加工方法的優(yōu)勢(shì)，完成開題報(bào)告；2021.11.27 2021.12.15針對(duì)鍛件進(jìn)行成型工藝進(jìn)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(shè)計(jì)，坯料體積計(jì)算及壓力機(jī)選??；2022.1.21 2022.2.28 工作模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算，利用數(shù)值模擬預(yù)測(cè)凹模壽命