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                                        火車輪制造特點
                                        時間:2020-06-27      來源:大橋軸承

                                               車輪是動車組走行部的重要零件,其品質直接決定車輪的運行品質。目前我國的高鐵車輪大量依靠進口,國內相關企業也在加緊研制,并取得相關成果。

                                               動車組車輪有多種型號及尺寸規格。按其結構分為整體輪和輪箍輪。整體輪按其材質又可分為輾鋼輪,鑄鋼輪等。輾鋼輪力學性能好,應用廣泛;鑄鋼輪成本低廉,具有很好的發展前景和競爭力。輪箍輪是由輪箍、輪心、扣環組裝而成,運營性能較差,已經很少使用了。

                                        1、鑄鋼整體輪的生產工藝鑄鋼整體輪是采用鑄造工藝生產輪坯,再經過表面處理和機械加工來獲得成品。全球鑄鋼車輪企業以美國的Griffin公司和Abex公司為代表,主要采用整體石墨模、壓力鑄型等新工藝新設備生產。20世紀90年代后期,我國大同機車廠與美國ABC公司合資,成立了大同ABC鑄造有限公司,率先引進鑄鋼車輪生產線,目前是我國鑄鋼輪的主要產地。
                                        鑄鋼車輪的生產工藝流程如下:原料—高爐冶煉—鋼液出爐—石墨鑄造—鑄件清理—熱處理、表面處理—機械加工—質檢—成品出廠。

                                        1.1石墨鑄造
                                        20世紀50年代,美國率先將石墨鑄造工藝用于火車輪生產實踐中。在上型石墨塊的正中央加工了1個冒口,通過該冒口,使車輪踏面和輪緣部位與石墨直接接觸,便于鋼液充型。在澆冒口處設置了型芯、隔板式注孔砂芯和浮動砂芯。此外,在上型石墨塊起抬側的輪輞上表面沿圓周方向均勻開設6個的排氣孔,以便加速排氣。鑄型型腔內附掛有砂襯,一方面能控制凝固過程;另一方面通過改變其形狀,又可比較靈活地改變輻板的尺寸和形狀。

                                        1.2鑄件后處理工藝
                                        鑄件經過緩冷,消除內部應力;清理鑄件上的殘砂和毛刺等;熱處理,主要包括淬火和回火,改善車輪的硬度;表面處理,主要是噴丸處理,強化輻板和踏面的硬度;機械加工,最終達到產品的質量要求;最后一道工序是產品檢驗及出廠。

                                        1.3鑄鋼車輪的特點
                                        (1)石墨模具可以重復利用,通過調整模具中型砂量可以獲得所需要的輪輞厚度。
                                        (2)鑄鋼輪是由鋼液在生產線上直接澆注成型,省去了鑄錠、截斷再加熱、水壓機成形、沖孔、軋制等諸多工藝,生產效率高、生產和管理成本較低。
                                        (3)鑄鋼車輪輻板為深盆型結構,抗疲勞,抗熱裂的性能好。
                                        (4)鑄鋼輪在鑄造過程中易產生雜質、縮孔等缺陷,因此,不能用于重載的場合,同時塑性和韌性較差。

                                        2、輾鋼整體輪
                                             輾鋼整體輪:簡稱輾鋼輪,是由鋼錠或輪坯經加熱輾軋而成,并經淬火熱處理。輾鋼車輪工藝流程如下:電爐煉鋼→鋼包精煉(真空除氣)→澆鑄圓錠→制坯→稱重分類→加熱→高壓水除鱗→鐓粗壓痕→模鍛初成形→沖孔→擴徑軋制→壓彎成形→等溫處理→淬火前加熱→輪輞淬火→回火處理→噴丸清理→機加工→預檢驗→無損檢測→靜平衡測試→噴丸強化→硬度測試→帶尺檢驗→標記打印→涂裝入庫。

                                        2.1模鍛工藝模鍛是輾鋼輪生產中的重要工序,隨著制造設備的更新換代,輾鋼輪的生產效率獲得極大提高。對于輪徑不超過準790mm的車輪可以采用全模鍛方法,即只經過自由鐓粗、定徑壓痕、成型等工藝就可成型,省略了軋制。輪徑超過準790mm的車輪需要模鍛、軋制、沖孔壓彎等整軋工藝。整軋車輪工藝應用廣泛,尤其在客車車輪上。
                                        (1)金屬冶煉→圓坯用切錠機床切割鋼錠,切割后的鋼錠通過環形加熱爐加熱,經高壓水除鱗,去除材料表面氧化皮。
                                        (2)鐓粗、定徑壓痕鋼坯加熱后可以獲得良好的塑性變形,然后在30MN水壓機上鐓粗壓痕。由于鐓粗后的坯料易變形,故需增加一個定徑環鐓粗工序,規整坯料外形。定徑壓痕的作用是分配金屬的分布,防止成型時有過多的金屬流向輪轂,該工序屬于預成型。
                                        (3)成型該工藝主要在80MN水壓機上實現,專用模具有上成型模、下成型模、成型環、成型上芯棒、下活套、下芯棒。工藝要求控制成型坯輻板厚度,輪輞四周充型均勻,輪緣充型良好。

                                        2.2軋機軋制
                                        車輪毛坯模鍛成型后其輻板厚度,輪輞厚度以及踏面和輪緣的外形是由車輪軋機控制的,目前常用有臥式車輪軋機和立式車輪軋機,每個軋輥都由獨立的電機控制。工作過程如下:首先將車輪鍛件對中安裝,通過導向輥與其的摩擦力帶動輪坯旋轉;然后由電機分別驅動1個主軋輥和2個壓緊輥同時靠近輪坯,通過調節主軋輥的水平位移來軋制輪輞的厚度;接著由電機驅動2個上、下斜輥靠近輪坯,通過調節兩個斜輥的水平、上下位移來軋制輻板的厚度和輪輞的寬度;最后激光檢測裝置將檢測到的輪坯實時直徑數據反饋給系統,并傳輸出相應指令來驅動七輥聯合作用,最終加工出符合要求的車輪外形。

                                        2.3沖孔與壓彎輪坯的沖孔與壓彎多是在壓力機上完成的,主要參數為輪輞高度h,每個車輪的輪輞高度誤差范圍控制在1mm以內。沖孔是沖壓車輪的輪轂孔,用于車軸配合。壓彎是使用專用成型模具將車輪輻板壓制成規定形狀。


                                        2.4輾鋼輪的特點
                                        (1)輾鋼輪強度高、韌性好、自重輕、安全可靠,運用中不會發生輪箍松弛和崩裂故障,適應載重大和運行速度高的場合。
                                        (2)維修費用較低,輪緣磨耗過限后可以堆焊,踏面磨耗后可以旋削,能多次旋削使用等優點。所以,它是我國鐵路車輛上采用的主型車輪。但輾鋼輪制造工藝復雜,設備投資大,踏面的耐磨性較差。

                                        3、各種化學成分對組織性能的影響
                                              目前使用的火車輪大部分是用中高碳鋼制造的,含碳量w(%)為0.45~0.80,較高的含碳量會提高材料的強度和硬度,但韌性下降,而貝氏體車輪鋼含碳量少,組織性能良好,開始受到關注。對比鑄鋼輪與輾鋼輪化學成分,發現C與Mn含量最高,超過0.5%;Si含量次之,S含量最少。為了測試不同化學元素含量對力學性能的影響,在車輪輪輞同一位置處(距踏面10mm)取若干組標準試樣,在試驗機上測試其力學性能。

                                        3.1C含量的影響一般而言隨著碳含量的增加,車輪鋼的耐磨性和抗疲勞性會提高,車輪踏面磨損量減輕;但是車輪的塑性、韌性、抗沖擊性變差。C含量在0.55%~0.65%,綜合性能最好。


                                        3.2S含量的影響

                                        提高硫的含量,可改善車輪鋼的切削性能及韌性,但是硫含量過度增加會導致MnS、CaS雜質增多,在電鏡下觀測到的雜質形貌形狀不規則,在交變循環的輪軌接觸應力作用下易破碎,從而在輪輞內部萌生裂紋,影響車輪使用壽命。鑒于此,硫含量一般少于0.04%。

                                        3.3Mn含量的影響
                                        (1)Mn是良好的脫氧劑和脫硫劑。鋼中一般都含有一定量的錳,它能消除或減弱由于硫所引起的鋼的熱脆性,從而改善鋼的熱加工性能。
                                        (2)Mn在鋼中可以降低臨界轉變溫度,細化珠光體晶粒,減小珠光體片層間距,提高珠光體鋼的強度。當錳在鋼中的含量為0.50%~0.80%時,珠光體片層間距較小,組織均勻。

                                        3.4Si含量的影響
                                        提高Si含量可以改善車輪抗剝離性能。同時硅能溶于鐵素體和奧氏體中提高鋼的硬度和強度,因此對于耐磨性要求較高的重載貨車車輪鋼,盡量提高Si含量,來減少材料的磨損。當Si含量在0.15%~0.35%時,綜合性能較好。

                                        4、小結
                                        (1)鑄鋼車輪加工工藝流程少,效率高,但由于鑄造技術本身的缺陷使得鑄鋼車輪應用受到一定局限。
                                        (2)輾鋼車輪的塑性和韌性較好,車輪可以多次旋修來消除材料表面缺陷,可利用率高,目前是高鐵動車組主要輪型,但是制造工藝復雜,成本高。
                                        (3)不同化學元素對車輪鋼的材料性能有不同影響,C影響材料的強度和韌性;S影響輪輞內部夾雜物的產生;Mn可以細化珠光體晶粒,改善材料的強度;Si可以提高材料的抗破壞能力;因此合理確定各種成分的含量,對提高車輪的使用壽命具有重要意義。

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