锻压技术 1998年 第6期
火车车轮生产的现代化设备和工艺技术
德国奥穆克公司 曼弗雷德1林登布拉特
一、火车车轮的技术要求
众所周知, 速目标是双倍于小轿车的车速, 。。由于车轮的径向和侧向的负载增加, 加之热应力负载也增加, 导致车轮内部所承受的应力负载大大地增加。
为了满足这些技术要求, 可以采取如下的措施:
(1) 选用先进的高品质材料, 譬如, 真空脱氧精炼的钢
材; (2) 特别的轻型车轮形状结构设计; (3) 专用的成形工艺技术手段, 减少残余应力, 提高抗断裂的韧性, 维持材料高的抗疲劳性能。
当今最为通用的火车车轮形状, 如图1所示。欧洲车轮通常选用R 7号钢材, 按照U I C (国际铁路联合会) 8122220工业标准锻造而成。这种车轮轮辐的形状具有双波性。而美国的火车车轮则按照AA R (美国铁路学会) 的标准, 惯常采用碳素钢经铸造而制成。铸造碳钢的含碳量视车轮的规格, 从0157%到0180%不等。包括U I C 组织在内, 还有众多的其他铁路车辆组织, 从事了铸造车轮和锻造车轮的比较性研究和实验。这些研究和实验十分清楚地表明锻造车轮优越于铸造车轮, 尤其是在抗断裂韧性强度方面。锻造车轮可以提供最大限度的安全性, 因而, 锻造车轮适用于高速载客机车车辆。车轮轮缘部位的热处理工艺能够有效地避免热裂纹的产生和继续扩展。车轮的形状影响着内部应力的分布, 还影响着轮距在车辆运行中的稳定性能。
可是, 生产制造火车车轮, 不仅仅要考虑技术要求, 还得特别顾及到生产加工技术是否具有经济效益。那就是, 缩短生产过程链, 提高材料的利用率。
收稿日期:19982092
30
图 2图 1
世界范围最新投入生产使用的现代化车轮轧锻机, 既能够高经济效益地生产火车车轮, 又满足将来新一代车轮(图2) 的技术要求。瓦格勒在1992和1993年为德国和法国客户生产的DRAW 21450型车轮轧锻机(图3) 和1998年在美国投入使用的DRAW 21250无辊芯式车轮轧锻机等三台设备, 都采用了最先进的轧锻工艺和全自动化生产
。
47
一条完全自动控制生产的车轮生产线配备有先进的控制系统, 组成这个控制系统的是可编程序控制器
PL C ; 加上以PC 为基础的数字控制, 用以控制机器的
运动转轴和存放制造工艺技术的软件; 还有中央控制
PC 主控机, 是用于文件管理、数据管理、编写生产报
告、人机对话、故障诊断、生产规划、输入生产程序等。
11锻造车轮轮坯(图4)
制, 加热到锻造温度, 然后, 过磅检测重量, 。锻压机内部装有冲
图 3
、移动工作台、以及对中兼提升锻坯的装置。
初始锻造车轮轮坯的成形过程分预锻和终锻两个步骤。首先, 操作机把坯料放在移动工作台的第一个工位上, 移动工作台把第一个工位移位至压力机的中心位置, 此时对中装置配合着压力机把坯料对正锻模的中心轴线开始预锻成形。坯料的微量重量误差是可以补偿的。补偿的方式是将一个冲头压入轮毂中心, 通过严格控制冲头压入的深度, 从而就控制了轮心盲孔底板的壁厚。控制冲头压入深度的依据, 则是从过磅机处所获取到的坯料重量数据, 通过压力机控制计算机自动换算而得
。
, 主要体现在‘轧制’的过程:(1) 带有轧辊芯棒式的轧制过程; (2) 不带轧辊芯棒式的轧制过程; (3) 在封闭式模腔里的轧制过程。
先进的车轮轧锻生产线, 既要生产现时流行使用的车轮, 又要能够生产为将来开发使用的车轮。为此, 就必须设置成一个具有柔性化生产的生产系统, 在这个生产系统上采用的闭式控制, 要坚固稳定。
图 4
当预锻过程和冲头冲孔过程结束后, 滑块和冲头回位, 下顶料装置将锻坯顶出, 对中装置夹住锻坯。接着, 移动工作台的第二个工位移至压力机中心。同时,
压缩空气清洗模具, 冷却模具和润滑模具的过程也同步进行。将锻坯放下, 对正第二个模具的中心, 终锻就可以在第二个模具里完成。而第一个模具经清理, 冷却
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和润滑之后, 再把新的坯料放在其上。假如在轮毂部位带有小的过渡圆角, 可以将冲头再次压入轮心部位的盲孔, 使材料完全充满锻模腔。
当终锻过程结束后, 滑块和冲头再次回到初始位置, 移动工作台将新的坯料移动到压力机中心, 而锻好的锻坯则移出压力机。另外的一个顶料器将锻坯从下模具中向上顶出到可以让一个操作机刚好夹持到车轮锻坯的导向轨缘部位, 随之把它送到车轮轧机去。
21带有轧辊芯和不带轧辊芯的轧制过程
用闭环的位移控制来调节所有的轧辊, 并且, 每个轧辊都可以单独地运转, 互相不依赖, 从而达到一个非常柔性灵活的、工艺优化的、自动适应轧制过程。
在轧制之前, 锻压成形的锻坯被送入车轮轧机内, 视机器结构不同, 机器采用不同的方式把锻坯送到轧制的位置上。如果轧机带有轧辊芯棒, 那么, 就用一个摇臂来输送锻坯; 如果轧机不带有轧辊芯棒, 那么, 就用一组对中辅助轮来输送车轮锻坯, 构成第一个轧, 压力轧辊和, , 而两个侧向轧辊构成第三个轧轧制成型过程可以开始了。
将轮坯轧制成最终形状的过程, 就是调节控制相应的轧辊运动的成形控制过程。压力轧辊挤向轮坯, 车轮的轮缘部位径向厚度就逐渐减小, 而轮缘的外径则不断增大。在这个变形的过程中, 金属材料从轮缘部位经挤压而流向轮辐部位, 承受着压应力; 然而, 在过去以往的车轮轧制过程中, 金属材料从轮毂部位经拉伸而流向轮辐部位, 承受着拉应力。车轮轧制过程中的变形方式, 不仅影响着金属材料的性能, 也影响着车轮的形状精度。例如, 在以往惯常使用的车轮轧制过程中, 常常可以看见轮毂中心孔的内壁趋向于腰鼓形。这样的情况, 在新的车轮轧制变形方式下被完全排除。
控制两个轮辐轧辊的间距意味着控制轮辐的相应厚度。这在轧制过程中取决于车轮直径的增长过程。相应不同的轮辐形状, 车轮直径的增长过程不尽相同。这
轧制成形的过程发生在三个轧制区内(图5、图
6) , 它们是:两个轮辐轧辊的轧锻面构成第一个轧制
区, 将轮辐轮制到需要的厚度; , 轮缘的滚动面和车轮的导向凸缘车轮保持在竖立的位置, 从。
采
图 5
些都是预先按照程序设置好的。轮缘的侧向(指轴向) 高度, 在由两个侧向轧辊构成的第三个轧制区内, 轧制成形, 达到预设值。就在车轮几乎达到最终的直径时, 所有调节轧辊挤向车轮的速度都自动减慢, 轧制的过程进入到精轧整形的阶段。这样轧制出的车轮尺寸才具有可靠的重复精度。
31压轮辐、打印、检测
轧机内配有卸载装置, 它把轧制好的车轮交送给一台机外的操作机, 操作机再把车轮放入压制轮辐的压力机内的下模里。压力机的滑块快速下移, 直到上模接近车轮时, 换成锻压速度完成锻压轮辐的工序(图
7) 。这样, 车轮的轮辐就按照要求被压成斜锥面或者波
浪型的形状。紧接着, 在压机滑块里的一个内装冲孔油缸把轮心的中心孔穿通。而在冲孔油缸回程时, 压轮辐的上模就起到压持器的作用。压机回程, 同时, 在下模
图 6
里的顶料器也把完成了本次工序的车轮顶出来, 车轮
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油缸拉回到换模工位, 快速夹紧装置使得轧压油缸跟滑台脱离, 整个滑台轧辊单元就可以从机器里取出。
31侧向轧辊
侧向轧辊取斜锥形状, 这样可以减少摩擦, 以避免表面的裂纹。轧制时, 车轮的直径渐渐增大, 两个侧向轧辊随之自动偏摆, 保证轧辊的轴线始终沿着车轮的轮心轴线而动。这样有利于车轮在整个的轧制过程中,
图 7
始终保持平滑而又稳定的运动。
, , 轮上。这样做, 在整。
被操作机夹持住, 取出压力机, 并放到打印机里。打完了印, 车轮就被输送到一台自动的激光测量机器里。
这台测量机器是一台光电测量系统, 用以测量车轮的几何尺寸。三个激光测量头按照光学原理呈三角形安放在机器里, 可以扫描测量车轮的几何尺寸被安放在一个可以旋转360°, , 影响误差, 被显示到屏幕上。需要时, , 用于编制产品的生产文件。检测之后, 操作机再把车轮放到一个输送带上, 送去进行热处理加工。
为了精确地在线检测车轮的实时直径, 车轮轧锻机上安装了激光测量仪器。激光测量仪器采用非接触式的测量方法, 被安放在机器前部的一个安全盒里。
在轧制过程中, 激光测量仪器摄取车轮在每一个瞬间的直径尺寸, 输给机器的控制系统, 并被转换成过程控制的数字信号。车轮尺寸的设定值跟实时值都被清清楚楚地显示在控制室的终端屏幕上, 把整个轧制过程用图像显示出来。
51电子控制系统
三、车轮轧锻机
轧锻机借助于液压装置把轧制力经由各个轧辊而施加于轮坯上。电液伺服阀和比例控制阀既灵敏, 又快捷地控制着车轮轧锻设备的运动和工作压力, 使之自动适应于车轮轧制过程的需要。而控制电液伺服阀和比例控制阀的, 是电子调节和控制回路。
11轮辐轧辊
车轮轧锻机上配置有电子数字绝对值检测器, 测量每一个轴的运动, 并且把车轮的几何尺寸数字显示出来。轧制的过程是CN C 全自动控制。这里所采用的开环模式控制系统是建立在标准化的控制模块之上, 再按照车轮轧制过程的特别要求, 作了相适应的修正。
调节控制轮辐轧辊、侧向轧辊以及压力轧辊的位移控制回路中所采取的控制方式, 依据车轮在轧制时尺寸增长的速度来控制。在此过程中, 还监控着轧制力和电机的转矩。假设某个轧辊的轧制能力逼近其极限, 其他轧辊的轧制速度也相应自动减少到某个比例关系, 这样一来, 车轮轧机总是在其允许的工作范围内运行。
机器的控制软件是一个以轧制工艺技术为主导的软件包, 采用它以实现尽可能高的机器自动化运转和置于计算机控制之下的轧制过程。连同电液伺服控制回路一起, 可以表征着最新一代控制技术的特点:(1) 充分发挥机器的能力, 最优化地生产出无缺陷的车轮;
(2) 按照轧制工艺的要求, 自动产生出轧制道次的参
轮辐轮辊采用了分体式结构设计。轧辊头可以快速拆装更换, 绕其轴线的旋转运动跟轧辊轴的偏摆运动, 互不干涉。每一个轧辊轴都配备了自己的550k W 直流驱动电机和减速箱。
调节控制两个轮辐轧辊的定位和同步, 是按照预编轧制程序, 借助于超声波传感器和电液伺服控制来实现的。
21压力轧辊
压力轧辊被水平地安置在一个移动滑台上, 可以平移。滑台连接在一个用来产生轧制推力的油缸上。当两个轮辐轧辊在轮辐部位形成了闭合的轧制区之后, 压力轧辊就一边轧, 一边向前挤压, 一直挤到车轮的直径符合要求, 才停止向前挤压, 轧制的过程也就中止。
更换轧辊时, 就把滑台连同压力轧辊一起, 用液压
数; (3) 操作员借助键盘和终端来与机器对话、故障诊断和编制程序; (4) 车轮轧制过程的道次是可以重复产生的。
(郭毅勇译、校)
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锻压技术 1998年 第6期
火车车轮生产的现代化设备和工艺技术
德国奥穆克公司 曼弗雷德1林登布拉特
一、火车车轮的技术要求
众所周知, 速目标是双倍于小轿车的车速, 。。由于车轮的径向和侧向的负载增加, 加之热应力负载也增加, 导致车轮内部所承受的应力负载大大地增加。
为了满足这些技术要求, 可以采取如下的措施:
(1) 选用先进的高品质材料, 譬如, 真空脱氧精炼的钢
材; (2) 特别的轻型车轮形状结构设计; (3) 专用的成形工艺技术手段, 减少残余应力, 提高抗断裂的韧性, 维持材料高的抗疲劳性能。
当今最为通用的火车车轮形状, 如图1所示。欧洲车轮通常选用R 7号钢材, 按照U I C (国际铁路联合会) 8122220工业标准锻造而成。这种车轮轮辐的形状具有双波性。而美国的火车车轮则按照AA R (美国铁路学会) 的标准, 惯常采用碳素钢经铸造而制成。铸造碳钢的含碳量视车轮的规格, 从0157%到0180%不等。包括U I C 组织在内, 还有众多的其他铁路车辆组织, 从事了铸造车轮和锻造车轮的比较性研究和实验。这些研究和实验十分清楚地表明锻造车轮优越于铸造车轮, 尤其是在抗断裂韧性强度方面。锻造车轮可以提供最大限度的安全性, 因而, 锻造车轮适用于高速载客机车车辆。车轮轮缘部位的热处理工艺能够有效地避免热裂纹的产生和继续扩展。车轮的形状影响着内部应力的分布, 还影响着轮距在车辆运行中的稳定性能。
可是, 生产制造火车车轮, 不仅仅要考虑技术要求, 还得特别顾及到生产加工技术是否具有经济效益。那就是, 缩短生产过程链, 提高材料的利用率。
收稿日期:19982092
30
图 2图 1
世界范围最新投入生产使用的现代化车轮轧锻机, 既能够高经济效益地生产火车车轮, 又满足将来新一代车轮(图2) 的技术要求。瓦格勒在1992和1993年为德国和法国客户生产的DRAW 21450型车轮轧锻机(图3) 和1998年在美国投入使用的DRAW 21250无辊芯式车轮轧锻机等三台设备, 都采用了最先进的轧锻工艺和全自动化生产
。
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一条完全自动控制生产的车轮生产线配备有先进的控制系统, 组成这个控制系统的是可编程序控制器
PL C ; 加上以PC 为基础的数字控制, 用以控制机器的
运动转轴和存放制造工艺技术的软件; 还有中央控制
PC 主控机, 是用于文件管理、数据管理、编写生产报
告、人机对话、故障诊断、生产规划、输入生产程序等。
11锻造车轮轮坯(图4)
制, 加热到锻造温度, 然后, 过磅检测重量, 。锻压机内部装有冲
图 3
、移动工作台、以及对中兼提升锻坯的装置。
初始锻造车轮轮坯的成形过程分预锻和终锻两个步骤。首先, 操作机把坯料放在移动工作台的第一个工位上, 移动工作台把第一个工位移位至压力机的中心位置, 此时对中装置配合着压力机把坯料对正锻模的中心轴线开始预锻成形。坯料的微量重量误差是可以补偿的。补偿的方式是将一个冲头压入轮毂中心, 通过严格控制冲头压入的深度, 从而就控制了轮心盲孔底板的壁厚。控制冲头压入深度的依据, 则是从过磅机处所获取到的坯料重量数据, 通过压力机控制计算机自动换算而得
。
, 主要体现在‘轧制’的过程:(1) 带有轧辊芯棒式的轧制过程; (2) 不带轧辊芯棒式的轧制过程; (3) 在封闭式模腔里的轧制过程。
先进的车轮轧锻生产线, 既要生产现时流行使用的车轮, 又要能够生产为将来开发使用的车轮。为此, 就必须设置成一个具有柔性化生产的生产系统, 在这个生产系统上采用的闭式控制, 要坚固稳定。
图 4
当预锻过程和冲头冲孔过程结束后, 滑块和冲头回位, 下顶料装置将锻坯顶出, 对中装置夹住锻坯。接着, 移动工作台的第二个工位移至压力机中心。同时,
压缩空气清洗模具, 冷却模具和润滑模具的过程也同步进行。将锻坯放下, 对正第二个模具的中心, 终锻就可以在第二个模具里完成。而第一个模具经清理, 冷却
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和润滑之后, 再把新的坯料放在其上。假如在轮毂部位带有小的过渡圆角, 可以将冲头再次压入轮心部位的盲孔, 使材料完全充满锻模腔。
当终锻过程结束后, 滑块和冲头再次回到初始位置, 移动工作台将新的坯料移动到压力机中心, 而锻好的锻坯则移出压力机。另外的一个顶料器将锻坯从下模具中向上顶出到可以让一个操作机刚好夹持到车轮锻坯的导向轨缘部位, 随之把它送到车轮轧机去。
21带有轧辊芯和不带轧辊芯的轧制过程
用闭环的位移控制来调节所有的轧辊, 并且, 每个轧辊都可以单独地运转, 互相不依赖, 从而达到一个非常柔性灵活的、工艺优化的、自动适应轧制过程。
在轧制之前, 锻压成形的锻坯被送入车轮轧机内, 视机器结构不同, 机器采用不同的方式把锻坯送到轧制的位置上。如果轧机带有轧辊芯棒, 那么, 就用一个摇臂来输送锻坯; 如果轧机不带有轧辊芯棒, 那么, 就用一组对中辅助轮来输送车轮锻坯, 构成第一个轧, 压力轧辊和, , 而两个侧向轧辊构成第三个轧轧制成型过程可以开始了。
将轮坯轧制成最终形状的过程, 就是调节控制相应的轧辊运动的成形控制过程。压力轧辊挤向轮坯, 车轮的轮缘部位径向厚度就逐渐减小, 而轮缘的外径则不断增大。在这个变形的过程中, 金属材料从轮缘部位经挤压而流向轮辐部位, 承受着压应力; 然而, 在过去以往的车轮轧制过程中, 金属材料从轮毂部位经拉伸而流向轮辐部位, 承受着拉应力。车轮轧制过程中的变形方式, 不仅影响着金属材料的性能, 也影响着车轮的形状精度。例如, 在以往惯常使用的车轮轧制过程中, 常常可以看见轮毂中心孔的内壁趋向于腰鼓形。这样的情况, 在新的车轮轧制变形方式下被完全排除。
控制两个轮辐轧辊的间距意味着控制轮辐的相应厚度。这在轧制过程中取决于车轮直径的增长过程。相应不同的轮辐形状, 车轮直径的增长过程不尽相同。这
轧制成形的过程发生在三个轧制区内(图5、图
6) , 它们是:两个轮辐轧辊的轧锻面构成第一个轧制
区, 将轮辐轮制到需要的厚度; , 轮缘的滚动面和车轮的导向凸缘车轮保持在竖立的位置, 从。
采
图 5
些都是预先按照程序设置好的。轮缘的侧向(指轴向) 高度, 在由两个侧向轧辊构成的第三个轧制区内, 轧制成形, 达到预设值。就在车轮几乎达到最终的直径时, 所有调节轧辊挤向车轮的速度都自动减慢, 轧制的过程进入到精轧整形的阶段。这样轧制出的车轮尺寸才具有可靠的重复精度。
31压轮辐、打印、检测
轧机内配有卸载装置, 它把轧制好的车轮交送给一台机外的操作机, 操作机再把车轮放入压制轮辐的压力机内的下模里。压力机的滑块快速下移, 直到上模接近车轮时, 换成锻压速度完成锻压轮辐的工序(图
7) 。这样, 车轮的轮辐就按照要求被压成斜锥面或者波
浪型的形状。紧接着, 在压机滑块里的一个内装冲孔油缸把轮心的中心孔穿通。而在冲孔油缸回程时, 压轮辐的上模就起到压持器的作用。压机回程, 同时, 在下模
图 6
里的顶料器也把完成了本次工序的车轮顶出来, 车轮
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油缸拉回到换模工位, 快速夹紧装置使得轧压油缸跟滑台脱离, 整个滑台轧辊单元就可以从机器里取出。
31侧向轧辊
侧向轧辊取斜锥形状, 这样可以减少摩擦, 以避免表面的裂纹。轧制时, 车轮的直径渐渐增大, 两个侧向轧辊随之自动偏摆, 保证轧辊的轴线始终沿着车轮的轮心轴线而动。这样有利于车轮在整个的轧制过程中,
图 7
始终保持平滑而又稳定的运动。
, , 轮上。这样做, 在整。
被操作机夹持住, 取出压力机, 并放到打印机里。打完了印, 车轮就被输送到一台自动的激光测量机器里。
这台测量机器是一台光电测量系统, 用以测量车轮的几何尺寸。三个激光测量头按照光学原理呈三角形安放在机器里, 可以扫描测量车轮的几何尺寸被安放在一个可以旋转360°, , 影响误差, 被显示到屏幕上。需要时, , 用于编制产品的生产文件。检测之后, 操作机再把车轮放到一个输送带上, 送去进行热处理加工。
为了精确地在线检测车轮的实时直径, 车轮轧锻机上安装了激光测量仪器。激光测量仪器采用非接触式的测量方法, 被安放在机器前部的一个安全盒里。
在轧制过程中, 激光测量仪器摄取车轮在每一个瞬间的直径尺寸, 输给机器的控制系统, 并被转换成过程控制的数字信号。车轮尺寸的设定值跟实时值都被清清楚楚地显示在控制室的终端屏幕上, 把整个轧制过程用图像显示出来。
51电子控制系统
三、车轮轧锻机
轧锻机借助于液压装置把轧制力经由各个轧辊而施加于轮坯上。电液伺服阀和比例控制阀既灵敏, 又快捷地控制着车轮轧锻设备的运动和工作压力, 使之自动适应于车轮轧制过程的需要。而控制电液伺服阀和比例控制阀的, 是电子调节和控制回路。
11轮辐轧辊
车轮轧锻机上配置有电子数字绝对值检测器, 测量每一个轴的运动, 并且把车轮的几何尺寸数字显示出来。轧制的过程是CN C 全自动控制。这里所采用的开环模式控制系统是建立在标准化的控制模块之上, 再按照车轮轧制过程的特别要求, 作了相适应的修正。
调节控制轮辐轧辊、侧向轧辊以及压力轧辊的位移控制回路中所采取的控制方式, 依据车轮在轧制时尺寸增长的速度来控制。在此过程中, 还监控着轧制力和电机的转矩。假设某个轧辊的轧制能力逼近其极限, 其他轧辊的轧制速度也相应自动减少到某个比例关系, 这样一来, 车轮轧机总是在其允许的工作范围内运行。
机器的控制软件是一个以轧制工艺技术为主导的软件包, 采用它以实现尽可能高的机器自动化运转和置于计算机控制之下的轧制过程。连同电液伺服控制回路一起, 可以表征着最新一代控制技术的特点:(1) 充分发挥机器的能力, 最优化地生产出无缺陷的车轮;
(2) 按照轧制工艺的要求, 自动产生出轧制道次的参
轮辐轮辊采用了分体式结构设计。轧辊头可以快速拆装更换, 绕其轴线的旋转运动跟轧辊轴的偏摆运动, 互不干涉。每一个轧辊轴都配备了自己的550k W 直流驱动电机和减速箱。
调节控制两个轮辐轧辊的定位和同步, 是按照预编轧制程序, 借助于超声波传感器和电液伺服控制来实现的。
21压力轧辊
压力轧辊被水平地安置在一个移动滑台上, 可以平移。滑台连接在一个用来产生轧制推力的油缸上。当两个轮辐轧辊在轮辐部位形成了闭合的轧制区之后, 压力轧辊就一边轧, 一边向前挤压, 一直挤到车轮的直径符合要求, 才停止向前挤压, 轧制的过程也就中止。
更换轧辊时, 就把滑台连同压力轧辊一起, 用液压
数; (3) 操作员借助键盘和终端来与机器对话、故障诊断和编制程序; (4) 车轮轧制过程的道次是可以重复产生的。
(郭毅勇译、校)
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