車輪鍛件作為重要的機械傳動或承重部件，其鍛造工藝方案的確定需綜合考慮材料特性、產品結構、設備條件及經濟性。以下為車輪鍛件工藝方案制定與分析的框架：

一、工藝方案確定流程

1. 零件技術分析

• 幾何特征：輪轂、輪輞、輻板等結構尺寸（直徑、厚度、輪廓復雜度）。

• 性能要求：抗疲勞強度、耐磨性（如鐵路車輪需承受高頻沖擊）。

• 材料選擇：常用45鋼、40Cr、42CrMo等中碳鋼或合金鋼，高寒環境可選CL60鋼。

2. 鍛造工藝類型選擇

• 模鍛：適用于中小型車輪（如汽車輪轂），精度高、流線連續，但模具成本高。

• 輾環：適用于大型環狀行車輪（如火車輪），材料利用率＞90%，需配合沖孔制坯。

• 自由鍛+機加工：小批量生產，靈活性高但余量大。

3. 工藝參數設計

• 溫度控制：45鋼始鍛溫度1150~1200°C，終鍛溫度≥800°C，避免低溫鍛造裂紋。

• 變形量分配：預鍛分配50%~70%變形量，終鍛精整成形。

• 設備選型：根據鍛件重量選擇壓力機（如1600t液壓機用于Φ500mm車輪）。

4. 模具設計要點

• 預鍛模：簡化形狀，預留終鍛余量（單邊3~5mm）。

• 終鍛模：型腔表面粗糙度Ra≤1.6μm，脫模斜度5°~7°。

• 飛邊槽：控制金屬流動，飛邊厚度2~4mm（模鍛工藝）。

二、典型工藝路線

1. 下料：鋸切或剪切棒料，控制重量公差±1.5%。

2. 加熱：中頻感應爐加熱至1200°C，氧化皮厚度＜0.3mm。

3. 制坯（輾環工藝）：

• 鐓粗：高徑比從3:1壓縮至1.5:1。

• 沖孔：芯棒直徑=終鍛內孔+收縮余量（0.5%~0.8%）。

4. 輾環成形：徑向輾壓+軸向軋制，控制壁厚均勻性（公差±1mm）。

5. 熱處理：正火（900°C空冷）+回火（550°C），硬度HB220~260。

6. 精加工：車削輪輞、鉆孔，Ra≤3.2μm。

三、關鍵問題與對策

1. 折疊缺陷

• 成因：預鍛坯料形狀不合理或模具圓角過小（R＜5mm）。

• 解決：優化預鍛坯的錐度（15°~30°），增大模具過渡圓角（R≥8mm）。

2. 晶粒粗大

• 成因：終鍛溫度過高（＞850°C）或冷卻速率過慢。

• 解決：采用噴霧冷卻，終鍛后快速降溫至650°C以下。

3. 尺寸超差

• 控制措施：模鍛后增加校正工序（壓力機加載力為鍛造力的10%~15%）。

四、仿真與實驗驗證

1. 有限元模擬

• 使用Deform或QForm軟件模擬金屬流動，優化模具型腔填充順序。

• 案例：某Φ600mm車輪模鍛模擬顯示，將拔模斜度從5°增至7°，折疊風險降低40%。

2. 試制驗證

• 首件檢測：超聲波探傷（UT）檢測內部裂紋，磁粉檢測（MT）表面缺陷。

• 疲勞測試：加載循環次數＞10^6次（鐵路車輪標準）。

五、經濟性分析

結論：大批量生產優選模鍛或輾環，小批量可選自由鍛。

六、案例：火車車輪輾環工藝

• 坯料：Φ200mm×600mm 42CrMo棒料，加熱至1180°C。

• 制坯：鐓粗至Φ400mm×150mm，沖Φ100mm中心孔。

• 輾環：徑軸向軋制至Φ850mm×150mm，壁厚差＜1.5mm。

• 效益：相比傳統模鍛，材料節約15%，疲勞壽命提升20%。

通過系統分析工藝參數、缺陷控制及經濟性，可制定出兼顧質量與成本的行車輪鍛件優化方案。實際應用中需結合設備條件動態調整，并通過仿真與試制迭代優化。