制動盤分塊模鍛成形工藝優(yōu)化分析

崔振宇++葉圣++朱镕迅++董影++趙泓旭++楊棟

摘 要：運(yùn)用UG繪圖軟件建造制動盤實(shí)體模型以及毛坯并采用Deform-3D有限元軟件對制動盤的分塊模鍛進(jìn)行數(shù)值模擬。針對不同的分塊方案以及溫度設(shè)定，通過數(shù)據(jù)分析計算，工藝設(shè)計與計算機(jī)工藝仿真，對成形過程中行程載荷、應(yīng)力場以及速度場的差別進(jìn)行分析，研究各方案對制動盤成形效果的影響，通過數(shù)據(jù)比較，最終得出最佳的制動盤分塊方案。

關(guān)鍵詞：制動盤 分塊模鍛 Deform-3D 數(shù)值模擬

中圖分類號：TG31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（a）-0104-02

Abstract： The UG drawing software was used to construct the brake disc solid model and the billet， and the deformation of the brake disc was simulated by Deform-3D finite element software. According to the different block scheme and the temperature setting， the difference between the stroke load， the stress field and the velocity field is analyzed by the data analysis and calculation， the process design and the computer process simulation. The effects of the scheme on the forming effect of the brake disc Influence， through the data comparison， and ultimately get the best brake disc block scheme.

Key Words： Brake discs； Sub-part forging； Deform-3D； Numerical simulation

制動盤是一種將列車高速運(yùn)動的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿霓D(zhuǎn)換裝置。列車速度提高，對基礎(chǔ)制動裝置的性能提出了更加苛刻的要求。為滿足未來350km/h以上運(yùn)行要求，制動盤需要吸收與速度的平方成正比的運(yùn)動能量，同時還要具有良好的摩擦性能、耐磨性能、機(jī)械強(qiáng)度、熱強(qiáng)度及保持與摩擦副另一側(cè)材料之間的摩擦系數(shù)穩(wěn)定性。

由于列車制動盤類零件尺寸較大，導(dǎo)致傳統(tǒng)的整體模鍛成形技術(shù)對成形設(shè)備噸位要求極高。同時，對材料加熱到極高溫度以降低其成形力時，高溫又使得產(chǎn)品的組織和尺寸難以控制。這兩個方面嚴(yán)重限制了該產(chǎn)品的生產(chǎn)可行性。將制動盤分塊成形可以降低設(shè)備噸位需求，因此可以在現(xiàn)有噸位設(shè)備基礎(chǔ)上或變形抗力較高的產(chǎn)品，即可以以較低溫度成形，避免了高溫成形時組織性能難以控制現(xiàn)象的產(chǎn)生。

本文針對某制動盤零件，提出3種分塊模鍛方案并運(yùn)用Deform軟件對其進(jìn)行計算模擬，研究各方案對制動盤成形效果的影響。

1 產(chǎn)品介紹以及改進(jìn)工藝方案

1.1 制動盤特性介紹

制動盤如圖1所示，材料為20CrNiMo合金材料，具有很好的綜合力學(xué)性能，在保持較高強(qiáng)度的同時還具有良好的塑性和韌性。制動盤上表面具有復(fù)雜的散熱筋，對加工提出了較高的技術(shù)要求。

該產(chǎn)品采用傳統(tǒng)的整體模鍛成形技術(shù)對成形設(shè)備噸位要求極高，設(shè)備約需2萬t以上。分塊模鍛成型可以降低了鍛壓所需的巨大壓力，是一種優(yōu)質(zhì)高效的鍛壓工藝，故采用分塊模鍛成型該產(chǎn)品。

1.2 制動盤分塊成型工藝分析

根據(jù)產(chǎn)品特征，擬定3個方案。

方案一采用四分法，將圓環(huán)形毛坯按90°均分成4份，毛坯溫度初值設(shè)置為700℃，對其中1/4進(jìn)行鍛壓。

方案二采取六分法，將圓環(huán)形毛坯按60°均分成6份，毛坯溫度初值設(shè)置為800℃，對其中1/6進(jìn)行鍛壓。

方案三采用十二分法，將圓環(huán)形毛坯按30°均分成12份，毛坯溫度初值設(shè)置為900℃，對其中1/12進(jìn)行鍛壓。

隨后用計算機(jī)仿真對3種方案進(jìn)行對比分析。

2 有限元模型以及模擬條件設(shè)置

2.1 建立有限元模型

通過NX6.0對上下模以及毛坯進(jìn)行三維造型，由于制動盤屬于中心對稱圖形，為了節(jié)省計算時間，只對分塊中的一塊進(jìn)行鍛壓處理以及變形分析。

2.2 模擬前處理設(shè)置及注意事項(xiàng)

模擬前處理設(shè)置：毛坯材料為20CrNiMo，AISI-8620材料，將上模和下模設(shè)置為剛體，忽略變形。對毛坯劃分網(wǎng)格，設(shè)置網(wǎng)格數(shù)為200000個。模具溫度設(shè)為300℃，毛坯溫度根據(jù)方案不同采取不同溫度。毛坯溫度與環(huán)境采取熱交換。上模做勻速運(yùn)動，上模鍛壓速度設(shè)為100mm/s。摩擦邊界條件按剪切摩擦施加，摩擦因子選擇0.3。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 3種成型方案模擬結(jié)果

方案1、方案2與方案3經(jīng)過分塊模鍛成型模擬后最終成形的形狀如圖2（a）、（b）、（c）所示。方案1中模擬共進(jìn)行了137步，方案2中模擬共進(jìn)行了99步，方案3中模擬共進(jìn)行了73步。在分塊模鍛成型擠壓成形工藝中，零件的最終形狀由模具內(nèi)腔保證，如果零件與模具內(nèi)腔貼合完全，則可形成尺寸準(zhǔn)確的制件。經(jīng)過Deform后處理中的contact功能顯示，可以看出，方案2與方案3成形零件更貼靠模具，可以滿足零件尺寸要求，而方案3加工成本更高，證明方案2與方案3皆存在可行性。

在Deform后處理中查看模擬數(shù)值云圖、應(yīng)力場和速度場。從等效應(yīng)變圖可以看出，在方案1中零件最大等效應(yīng)變?yōu)?1.7，方案2中為8.9，方案3中為8.45；在等效應(yīng)力圖中，零件獲得的最大等效應(yīng)力在方案1中為725MPa，方案2中為481MPa，方案3中為508MPa；在總體流動速率圖中，零件獲得的最大總體流動速率在方案1中為1610mm/s，方案2中為6550mm/s，方案3中為732mm/s。

3.2 3種成型方案模擬分析

通過前述結(jié)果可知，模擬結(jié)果顯示方案2與方案3的最大等效應(yīng)力相近，而方案1的最大等效應(yīng)力則稍大一些；最大等效應(yīng)變與最大等效應(yīng)力相似，方案2與方案3相近，方案1的則略大一些；方案2的最大整體流動速度比方案1以及方案3大得多，是方案1的4倍，方案3的8倍。

方案1由于角度過大，使得受壓以外部分發(fā)生的形變過大，特別是上模相對位置會發(fā)生明顯的翹起現(xiàn)象，在定位塊的作用下，使整塊毛坯發(fā)生明顯的壓扁現(xiàn)象，讓后續(xù)的擠壓存在一定的困難。方案2和方案3由于角度較小，毛坯發(fā)生的壓扁現(xiàn)象可以忽略不計，但是方案3的分部太多，使得整套方案較為繁瑣，生產(chǎn)效率相對的低了不少。

圖3為方案2的載荷行程曲線，可以看出載荷變化基本上可以分為3段：1段落中，胚料接觸上模，開始形成散熱筋；2段落中，上模勻速下壓，載荷平緩上升，散熱筋逐漸成形；3段為成形終了階段，載荷開始急劇上升，直至到達(dá)停止約束條件，模擬結(jié)束。成形完成只需要1160（t），遠(yuǎn)小于整體模鍛成形。

4 結(jié)論

（1）建立了制動盤分塊模鍛成形工藝，通過有限元數(shù)值分析模擬了3種不同方案，分析了成形過程中形成載荷、應(yīng)力場以及總體流動速度的變化規(guī)律。

（2）對比3種模擬結(jié)果，不同的方案對制動盤成形有著較大的影響。當(dāng)分塊角度較大時，受壓以外部分發(fā)生的形變過大，給后續(xù)擠壓造成困難；當(dāng)角度較小時，過程繁瑣，效率低下。只有在角度適中的情況下，才能有效避免這些問題，而且流動速度較快，更利于制動盤的成形，在提高工作效率方面有著顯著效果。

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