制動盤轂是高速列車上的重要零件，是典型的薄壁、寬徑、深孔類復雜鍛件。利用Deform-3D模擬軟件對制動盤轂進行數(shù)值模擬，對成形過程的速度場、溫度場、應力場、應變場及打擊力進行了分析，揭示了盤轂鍛造過程的成形規(guī)律。模擬結果表明，盤轂通過擠壓的方式成形，連皮處溫度下降嚴重，也是變形抗力最大的位置，最終成形結果良好，工藝方案及設備選型合理。
制動盤轂是高速列車制動系統(tǒng)的關鍵零部件，直接影響著高速列車的運行品質和行車安全。制動盤轂毛坯圖如圖1所示，材質為德國牌號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揭示制動盤轂的成形規(guī)律，對實際生產試制提供指導是十分必要的。
模擬方案制定
根據(jù)我公司現(xiàn)有設備，鍛壓設備選擇8000t螺旋壓力機，由于螺旋壓力機承受偏載的能力差，不能采用預鍛＋終鍛的鍛造方案。設計的鍛造方案為在8000t螺旋壓力機上鐓粗＋終鍛一火次的鍛造方案，采用中頻感應爐進行加熱。由于8000t生產線現(xiàn)有中頻感應器的限制，選用坯料尺寸為φ170mm，坯料加熱溫度為1200℃，模具預熱溫度為200℃，坯料鐓粗至160mm高后放置在終鍛模中心，進行終鍛。
鐓粗模擬過程分析
前處理模擬參數(shù)設定
坯料尺寸為φ170mm×280mm，坯料網(wǎng)格劃分數(shù)量為105464個；上模速度設置為250mm/s，每步步進1mm，庫倫摩擦系數(shù)設定為0.3；C45E對應我國的牌號是45#鋼，選用45#鋼作為C45E材質的替代材料，坯料加熱溫度為1200℃，上下模具溫度為200℃，設置模擬過程中環(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，且成形時間較短，加之坯料塑性變形對坯料溫度補償，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，壓力機所承受坯料的最大變形抗力為258t，螺旋壓力機可以承受這樣較小的偏載。
終鍛成形過程分析
繼承鐓粗模擬的計算數(shù)據(jù)后，進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，終鍛時坯料與模具的初始位置。
速度場分析
對坯料成形過程的速度場進行分析，當上模接觸到坯料并向下擠壓坯料時，金屬沿模膛內壁流向外壁和底部，當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(a）所示；當盤轂底部被金屬充滿后，金屬被迫的向阻力更小的上部運動所示，隨著上模繼續(xù)向下運動，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，當變形過程運行到125步時，金屬充滿模膛，高度方向上的多余金屬沿橋部流入倉部，此時該處的金屬流動速度最大。
溫度場、應變場、應力場分析
對坯料成形過程的溫度場及應力場進行分析，繼承鐓粗后的溫度場，進行終鍛模擬，模具的預熱溫度為200℃，環(huán)境溫度為20℃，在整個終鍛過程中坯料與模具、環(huán)境進行熱交換。為坯料終鍛完成時的溫度場分布，從模擬結果可以看出，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；由可以看出，該處也是等效應力最大的位置，等效應力值達到230MPa，反映出連皮處是坯料變形抗力最大的位置，阻礙上模向下運動；由坯料等效應變可以看出，坯料成形后期，連皮處及飛邊處的應變較大，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到圖紙要求。
打擊力分析
盤轂成形過程中所需的打擊力-時間曲線，盤轂成形過程中所需的最大成形力為6080t，8000t螺旋壓力機可以滿足工藝需求。
結論
利用Deform-3D模擬軟件對制動盤轂進行數(shù)值模擬，對成形過程的速度場、溫度場、應力場、應變場及打擊力進行了分析。
⑴盤轂主要是以擠壓的方式進行成形，盤轂的底部率先成形，然后金屬被擠壓向上運動完成上部填充，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。
⑶盤轂成形過程中所需的最大成形力為6080t，鍛造工藝方案的設備選型合理。
