基于Deform-3D的制动盘毂工艺分析

2018-09-04尹旭方朱岩唐振英唐林中车齐齐哈尔车辆有限公司

锻造与冲压 2018年17期

文／尹旭方，朱岩，唐振英，唐林·中车齐齐哈尔车辆有限公司

制动盘毂是高速列车上的重要零件，是典型的薄壁、宽径、深孔类复杂锻件。利用Deform-3D模拟软件对制动盘毂进行数值模拟，对成形过程的速度场、温度场、应力场、应变场及打击力进行了分析，揭示了盘毂锻造过程的成形规律。模拟结果表明，盘毂通过挤压的方式成形，连皮处温度下降严重，也是变形抗力最大的位置，最终成形结果良好，工艺方案及设备选型合理。

制动盘毂是高速列车制动系统的关键零部件，直接影响着高速列车的运行品质和行车安全。制动盘毂毛坯图如图1所示，材质为德国牌号C45E钢，其最大外径为332mm，最小壁厚为25.5mm，高度为156mm，是典型的薄壁、宽径、深孔类锻件。由于盘毂零件外形尺寸较为复杂，传统的试错法，会增加制造成本，延长试制周期，因此采用有限元分析技术揭示制动盘毂的成形规律，对实际生产试制提供指导是十分必要的。

模拟方案制定

根据我公司现有设备，锻压设备选择8000t螺旋压力机，由于螺旋压力机承受偏载的能力差，不能采用预锻＋终锻的锻造方案。设计的锻造方案为在8000t螺旋压力机上镦粗＋终锻一火次的锻造方案，采用中频感应炉进行加热。由于8000t生产线现有中频感应器的限制，选用坯料尺寸为φ170mm，坯料加热温度为1200℃，模具预热温度为200℃，坯料镦粗至160mm高后放置在终锻模中心，进行终锻。

图1 制动盘毂毛坯图

镦粗模拟过程分析

前处理模拟参数设定

坯料尺寸为φ170mm×280mm，坯料网格划分数量为105464个；上模速度设置为250mm/s，每步步进1mm，库伦摩擦系数设定为0.3；C45E对应我国的牌号是45#钢，选用45#钢作为C45E材质的替代材料，坯料加热温度为1200℃，上下模具温度为200℃，设置模拟过程中环境温度为20℃，与空气对流换热系数为0.02N·(mm·s·℃）-1，坯料与模具热传导系数为11N·(mm·s·℃）-1。

变形过程分析

为便于终锻定位及获得良好的锻造比，将坯料镦粗至160mm高，此时坯料上下表面温度下降明显，降低至850℃左右。其他位置只与空气发生热交换，且成形时间较短，加之坯料塑性变形对坯料温度补偿，所以除上下表面，其他位置温度基本没变或略有升高。镦粗变形中，压力机所承受坯料的最大变形抗力为258t（图3），螺旋压力机可以承受这样较小的偏载。

终锻成形过程分析

继承镦粗模拟的计算数据后，进行制动盘毂的终锻模拟，前处理的模拟参数与镦粗模拟相同，终锻时坯料与模具的初始位置如图4所示。

速度场分析

图2 坯料镦粗过程温度场分布

图3 成形过程上模受力曲线

图4 坯料与模具的初始位置

对坯料成形过程的速度场进行分析，当上模接触到坯料并向下挤压坯料时，金属沿模膛内壁流向外壁和底部，当金属接触到模膛外壁，受到外壁的阻挡，金属沿模膛外壁向底部流动如图5(a）所示；当盘毂底部被金属充满后，金属被迫的向阻力更小的上部运动如图5(b）所示，随着上模继续向下运动，盘毂环形体上部逐渐挤压成形，部分金属开始流向模具飞边桥部，如图5(c）所示；当变形过程运行到125步时，金属充满模膛，高度方向上的多余金属沿桥部流入仓部，此时该处的金属流动速度最大，如图5(d）所示。

温度场、应变场、应力场分析

对坯料成形过程的温度场及应力场进行分析，继承镦粗后的温度场，进行终锻模拟，模具的预热温度为200℃，环境温度为20℃，在整个终锻过程中坯料与模具、环境进行热交换。图6(a）为坯料终锻完成时的温度场分布，从模拟结果可以看出，坯料心部基本未发生降温，而与模膛接触的外表面温度下降明显，尤其是连皮处的表面温度降低至750℃左右；由图6(b）可以看出，该处也是等效应力最大的位置，等效应力值达到230MPa，反映出连皮处是坯料变形抗力最大的位置，阻碍上模向下运动；由图6(c）坯料等效应变可以看出，坯料成形后期，连皮处及飞边处的应变较大，金属变形剧烈，所以最后阶段的主要作用是将连皮位置多余的金属挤压至模具仓部，减小坯料整体的高度以达到图纸要求。