基于Deform-3D的制動盤轂工藝分析

文／尹旭方，朱巖，唐振英，唐林·中車齊齊哈爾車輛有限公司

制動盤轂是高速列車上的重要零件，是典型的薄壁、寬徑、深孔類復(fù)雜鍛件。利用Deform-3D模擬軟件對制動盤轂進(jìn)行數(shù)值模擬，對成形過程的速度場、溫度場、應(yīng)力場、應(yīng)變場及打擊力進(jìn)行了分析，揭示了盤轂鍛造過程的成形規(guī)律。模擬結(jié)果表明，盤轂通過擠壓的方式成形，連皮處溫度下降嚴(yán)重，也是變形抗力最大的位置，最終成形結(jié)果良好，工藝方案及設(shè)備選型合理。

制動盤轂是高速列車制動系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，直接影響著高速列車的運(yùn)行品質(zhì)和行車安全。制動盤轂毛坯圖如圖1所示，材質(zhì)為德國牌號C45E鋼，其最大外徑為332mm，最小壁厚為25.5mm，高度為156mm，是典型的薄壁、寬徑、深孔類鍛件。由于盤轂零件外形尺寸較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的試錯法，會增加制造成本，延長試制周期，因此采用有限元分析技術(shù)揭示制動盤轂的成形規(guī)律，對實(shí)際生產(chǎn)試制提供指導(dǎo)是十分必要的。

模擬方案制定

根據(jù)我公司現(xiàn)有設(shè)備，鍛壓設(shè)備選擇8000t螺旋壓力機(jī)，由于螺旋壓力機(jī)承受偏載的能力差，不能采用預(yù)鍛＋終鍛的鍛造方案。設(shè)計(jì)的鍛造方案為在8000t螺旋壓力機(jī)上鐓粗＋終鍛一火次的鍛造方案，采用中頻感應(yīng)爐進(jìn)行加熱。由于8000t生產(chǎn)線現(xiàn)有中頻感應(yīng)器的限制，選用坯料尺寸為φ170mm，坯料加熱溫度為1200℃，模具預(yù)熱溫度為200℃，坯料鐓粗至160mm高后放置在終鍛模中心，進(jìn)行終鍛。

圖1 制動盤轂毛坯圖

鐓粗模擬過程分析

前處理模擬參數(shù)設(shè)定

坯料尺寸為φ170mm×280mm，坯料網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為105464個；上模速度設(shè)置為250mm/s，每步步進(jìn)1mm，庫倫摩擦系數(shù)設(shè)定為0.3；C45E對應(yīng)我國的牌號是45#鋼，選用45#鋼作為C45E材質(zhì)的替代材料，坯料加熱溫度為1200℃，上下模具溫度為200℃，設(shè)置模擬過程中環(huán)境溫度為20℃，與空氣對流換熱系數(shù)為0.02N·(mm·s·℃）-1，坯料與模具熱傳導(dǎo)系數(shù)為11N·(mm·s·℃）-1。

變形過程分析

為便于終鍛定位及獲得良好的鍛造比，將坯料鐓粗至160mm高，此時(shí)坯料上下表面溫度下降明顯，降低至850℃左右。其他位置只與空氣發(fā)生熱交換，且成形時(shí)間較短，加之坯料塑性變形對坯料溫度補(bǔ)償，所以除上下表面，其他位置溫度基本沒變或略有升高。鐓粗變形中，壓力機(jī)所承受坯料的最大變形抗力為258t（圖3），螺旋壓力機(jī)可以承受這樣較小的偏載。

終鍛成形過程分析

繼承鐓粗模擬的計(jì)算數(shù)據(jù)后，進(jìn)行制動盤轂的終鍛模擬，前處理的模擬參數(shù)與鐓粗模擬相同，終鍛時(shí)坯料與模具的初始位置如圖4所示。

速度場分析

圖2 坯料鐓粗過程溫度場分布

圖3 成形過程上模受力曲線

圖4 坯料與模具的初始位置

對坯料成形過程的速度場進(jìn)行分析，當(dāng)上模接觸到坯料并向下擠壓坯料時(shí)，金屬沿模膛內(nèi)壁流向外壁和底部，當(dāng)金屬接觸到模膛外壁，受到外壁的阻擋，金屬沿模膛外壁向底部流動如圖5(a）所示；當(dāng)盤轂底部被金屬充滿后，金屬被迫的向阻力更小的上部運(yùn)動如圖5(b）所示，隨著上模繼續(xù)向下運(yùn)動，盤轂環(huán)形體上部逐漸擠壓成形，部分金屬開始流向模具飛邊橋部，如圖5(c）所示；當(dāng)變形過程運(yùn)行到125步時(shí)，金屬充滿模膛，高度方向上的多余金屬沿橋部流入倉部，此時(shí)該處的金屬流動速度最大，如圖5(d）所示。

溫度場、應(yīng)變場、應(yīng)力場分析

對坯料成形過程的溫度場及應(yīng)力場進(jìn)行分析，繼承鐓粗后的溫度場，進(jìn)行終鍛模擬，模具的預(yù)熱溫度為200℃，環(huán)境溫度為20℃，在整個終鍛過程中坯料與模具、環(huán)境進(jìn)行熱交換。圖6(a）為坯料終鍛完成時(shí)的溫度場分布，從模擬結(jié)果可以看出，坯料心部基本未發(fā)生降溫，而與模膛接觸的外表面溫度下降明顯，尤其是連皮處的表面溫度降低至750℃左右；由圖6(b）可以看出，該處也是等效應(yīng)力最大的位置，等效應(yīng)力值達(dá)到230MPa，反映出連皮處是坯料變形抗力最大的位置，阻礙上模向下運(yùn)動；由圖6(c）坯料等效應(yīng)變可以看出，坯料成形后期，連皮處及飛邊處的應(yīng)變較大，金屬變形劇烈，所以最后階段的主要作用是將連皮位置多余的金屬擠壓至模具倉部，減小坯料整體的高度以達(dá)到圖紙要求。

圖5 坯料成形過程速度場分布

圖6 坯料成形過程中溫度場、應(yīng)力場及應(yīng)變場分布

打擊力分析

圖7為盤轂成形過程中所需的打擊力-時(shí)間曲線，盤轂成形過程中所需的最大成形力為6080t，8000t螺旋壓力機(jī)可以滿足工藝需求。

結(jié)論

利用Deform-3D模擬軟件對制動盤轂進(jìn)行數(shù)值模擬，對成形過程的速度場、溫度場、應(yīng)力場、應(yīng)變場及打擊力進(jìn)行了分析。

⑴盤轂主要是以擠壓的方式進(jìn)行成形，盤轂的底部率先成形，然后金屬被擠壓向上運(yùn)動完成上部填充，盤轂最終各位置充型良好，沒有缺肉等缺陷。

⑵盤轂心部溫度基本不發(fā)生變化，表面溫度下降嚴(yán)重，連皮處溫度最低為750℃，連皮處也是變形后期變形抗力最大的位置，直接影響模具能否打靠及最終成形的高度尺寸。

圖7 打擊力-時(shí)間曲線

⑶盤轂成形過程中所需的最大成形力為6080t，鍛造工藝方案的設(shè)備選型合理。