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摘 要：运用UG绘图软件建造制动盘实体模型以及毛坯并采用Deform-3D有限元软件对制动盘的分块模锻进行数值模拟。针对不同的分块方案以及温度设定，通过数据分析计算，工艺设计与计算机工艺仿真，对成形过程中行程载荷、应力场以及速度场的差别进行分析，研究各方案对制动盘成形效果的影响，通过数据比较，最终得出最佳的制动盘分块方案。
关键词：制动盘 分块模锻 Deform-3D 数值模拟
中图分类号：TG31 文献标识码：A 文章编号：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
制动盘是一种将列车高速运动的动能转变为热能的转换装置。列车速度提高，对基础制动装置的性能提出了更加苛刻的要求。为满足未来350km/h以上运行要求，制动盘需要吸收与速度的平方成正比的运动能量，同时还要具有良好的摩擦性能、耐磨性能、机械强度、热强度及保持与摩擦副另一侧材料之间的摩擦系数稳定性。
由于列车制动盘类零件尺寸较大，导致传统的整体模锻成形技术对成形设备吨位要求极高。同时，对材料加热到极高温度以降低其成形力时，高温又使得产品的组织和尺寸难以控制。这两个方面严重限制了该产品的生产可行性。将制动盘分块成形可以降低设备吨位需求，因此可以在现有吨位设备基础上或变形抗力较高的产品，即可以以较低温度成形，避免了高温成形时组织性能难以控制现象的产生。
本文针对某制动盘零件，提出3种分块模锻方案并运用Deform软件对其进行计算模拟，研究各方案对制动盘成形效果的影响。
1 产品介绍以及改进工艺方案
1.1 制动盘特性介绍
制动盘如图1所示，材料为20CrNiMo合金材料，具有很好的综合力学性能，在保持较高强度的同时还具有良好的塑性和韧性。制动盘上表面具有复杂的散热筋，对加工提出了较高的技术要求。
该产品采用传统的整体模锻成形技术对成形设备吨位要求极高，设备约需2万t以上。分块模锻成型可以降低了锻压所需的巨大压力，是一种优质高效的锻压工艺，故采用分块模锻成型该产品。
1.2 制动盘分块成型工艺分析
根据产品特征，拟定3个方案。
方案一采用四分法，将圆环形毛坯按90°均分成4份，毛坯温度初值设置为700℃，对其中1/4进行锻压。
方案二采取六分法，将圆环形毛坯按60°均分成6份，毛坯温度初值设置为800℃，对其中1/6进行锻压。
方案三采用十二分法，将圆环形毛坯按30°均分成12份，毛坯温度初值设置为900℃，对其中1/12进行锻压。
随后用计算机仿真对3种方案进行对比分析。
2 有限元模型以及模拟条件设置
2.1 建立有限元模型
通过NX6.0对上下模以及毛坯进行三维造型，由于制动盘属于中心对称图形，为了节省计算时间，只对分块中的一块进行锻压处理以及变形分析。
2.2 模拟前处理设置及注意事项
模拟前处理设置：毛坯材料为20CrNiMo，AISI-8620材料，将上模和下模设置为刚体，忽略变形。对毛坯划分网格，设置网格数为200000个。模具温度设为300℃，毛坯温度根据方案不同采取不同温度。毛坯温度与环境采取热交换。上模做匀速运动，上模锻压速度设为100mm/s。摩擦边界条件按剪切摩擦施加，摩擦因子选择0.3。
3 模拟结果与分析
3.1 3种成型方案模拟结果
方案1、方案2与方案3经过分块模锻成型模拟后最终成形的形状如图2（a）、（b）、（c）所示。方案1中模拟共进行了137步，方案2中模拟共进行了99步，方案3中模拟共进行了73步。在分块模锻成型挤压成形工艺中，零件的最终形状由模具内腔保证，如果零件与模具内腔贴合完全，则可形成尺寸准确的制件。经过Deform后处理中的contact功能显示，可以看出，方案2与方案3成形零件更贴靠模具，可以满足零件尺寸要求，而方案3加工成本更高，证明方案2与方案3皆存在可行性。
在Deform后处理中查看模拟数值云图、应力场和速度场。从等效应变图可以看出，在方案1中零件最大等效应变为11.7，方案2中为8.9，方案3中为8.45；在等效应力图中，零件获得的最大等效应力在方案1中为725MPa，方案2中为481MPa，方案3中为508MPa；在总体流动速率图中，零件获得的最大总体流动速率在方案1中为1610mm/s，方案2中为6550mm/s，方案3中为732mm/s。
3.2 3种成型方案模拟分析
通过前述结果可知，模拟结果显示方案2与方案3的最大等效应力相近，而方案1的最大等效应力则稍大一些；最大等效应变与最大等效应力相似，方案2与方案3相近，方案1的则略大一些；方案2的最大整体流动速度比方案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由于角度过大，使得受压以外部分发生的形变过大，特别是上模相对位置会发生明显的翘起现象，在定位块的作用下，使整块毛坯发生明显的压扁现象，让后续的挤压存在一定的困难。方案2和方案3由于角度较小，毛坯发生的压扁现象可以忽略不计，但是方案3的分部太多，使得整套方案较为繁琐，生产效率相对的低了不少。
图3为方案2的载荷行程曲线，可以看出载荷变化基本上可以分为3段：1段落中，胚料接触上模，开始形成散热筋；2段落中，上模匀速下压，载荷平缓上升，散热筋逐渐成形；3段为成形终了阶段，载荷开始急剧上升，直至到达停止约束条件，模拟结束。成形完成只需要1160（t），远小于整体模锻成形。
4 结论
（1）建立了制动盘分块模锻成形工艺，通过有限元数值分析模拟了3种不同方案，分析了成形过程中形成载荷、应力场以及总体流动速度的变化规律。
（2）对比3种模拟结果，不同的方案对制动盘成形有着较大的影响。当分块角度较大时，受压以外部分发生的形变过大，给后续挤压造成困难；当角度较小时，过程繁琐，效率低下。只有在角度适中的情况下，才能有效避免这些问题，而且流动速度较快，更利于制动盘的成形，在提高工作效率方面有着显著效果。
参考文献
[1] 夏巨揕.精密零件成形[M].北京：机械工业出版社，2008.
[2] 杨家辉，张丽坤.钢铁材料手册[M].北京：中國标准出版社，2007.
[3] 胡建军，李小平.DEFORM-3D塑性成形CAE应用教程[M].北京：北京大学出版社，2011.
[4] 段园培，张海涛，黄仲佳，等.基于DEFORM-3D的支撑销冷挤压成形数值模拟[J].热加工工艺，2013，42（9）：125-127.
关键词：制动盘 分块模锻 Deform-3D 数值模拟
中图分类号：TG31 文献标识码：A 文章编号：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
制动盘是一种将列车高速运动的动能转变为热能的转换装置。列车速度提高，对基础制动装置的性能提出了更加苛刻的要求。为满足未来350km/h以上运行要求，制动盘需要吸收与速度的平方成正比的运动能量，同时还要具有良好的摩擦性能、耐磨性能、机械强度、热强度及保持与摩擦副另一侧材料之间的摩擦系数稳定性。
由于列车制动盘类零件尺寸较大，导致传统的整体模锻成形技术对成形设备吨位要求极高。同时，对材料加热到极高温度以降低其成形力时，高温又使得产品的组织和尺寸难以控制。这两个方面严重限制了该产品的生产可行性。将制动盘分块成形可以降低设备吨位需求，因此可以在现有吨位设备基础上或变形抗力较高的产品，即可以以较低温度成形，避免了高温成形时组织性能难以控制现象的产生。
本文针对某制动盘零件，提出3种分块模锻方案并运用Deform软件对其进行计算模拟，研究各方案对制动盘成形效果的影响。
1 产品介绍以及改进工艺方案
1.1 制动盘特性介绍
制动盘如图1所示，材料为20CrNiMo合金材料，具有很好的综合力学性能，在保持较高强度的同时还具有良好的塑性和韧性。制动盘上表面具有复杂的散热筋，对加工提出了较高的技术要求。
该产品采用传统的整体模锻成形技术对成形设备吨位要求极高，设备约需2万t以上。分块模锻成型可以降低了锻压所需的巨大压力，是一种优质高效的锻压工艺，故采用分块模锻成型该产品。
1.2 制动盘分块成型工艺分析
根据产品特征，拟定3个方案。
方案一采用四分法，将圆环形毛坯按90°均分成4份，毛坯温度初值设置为700℃，对其中1/4进行锻压。
方案二采取六分法，将圆环形毛坯按60°均分成6份，毛坯温度初值设置为800℃，对其中1/6进行锻压。
方案三采用十二分法，将圆环形毛坯按30°均分成12份，毛坯温度初值设置为900℃，对其中1/12进行锻压。
随后用计算机仿真对3种方案进行对比分析。
2 有限元模型以及模拟条件设置
2.1 建立有限元模型
通过NX6.0对上下模以及毛坯进行三维造型，由于制动盘属于中心对称图形，为了节省计算时间，只对分块中的一块进行锻压处理以及变形分析。
2.2 模拟前处理设置及注意事项
模拟前处理设置：毛坯材料为20CrNiMo，AISI-8620材料，将上模和下模设置为刚体，忽略变形。对毛坯划分网格，设置网格数为200000个。模具温度设为300℃，毛坯温度根据方案不同采取不同温度。毛坯温度与环境采取热交换。上模做匀速运动，上模锻压速度设为100mm/s。摩擦边界条件按剪切摩擦施加，摩擦因子选择0.3。
3 模拟结果与分析
3.1 3种成型方案模拟结果
方案1、方案2与方案3经过分块模锻成型模拟后最终成形的形状如图2（a）、（b）、（c）所示。方案1中模拟共进行了137步，方案2中模拟共进行了99步，方案3中模拟共进行了73步。在分块模锻成型挤压成形工艺中，零件的最终形状由模具内腔保证，如果零件与模具内腔贴合完全，则可形成尺寸准确的制件。经过Deform后处理中的contact功能显示，可以看出，方案2与方案3成形零件更贴靠模具，可以满足零件尺寸要求，而方案3加工成本更高，证明方案2与方案3皆存在可行性。
在Deform后处理中查看模拟数值云图、应力场和速度场。从等效应变图可以看出，在方案1中零件最大等效应变为11.7，方案2中为8.9，方案3中为8.45；在等效应力图中，零件获得的最大等效应力在方案1中为725MPa，方案2中为481MPa，方案3中为508MPa；在总体流动速率图中，零件获得的最大总体流动速率在方案1中为1610mm/s，方案2中为6550mm/s，方案3中为732mm/s。
3.2 3种成型方案模拟分析
通过前述结果可知，模拟结果显示方案2与方案3的最大等效应力相近，而方案1的最大等效应力则稍大一些；最大等效应变与最大等效应力相似，方案2与方案3相近，方案1的则略大一些；方案2的最大整体流动速度比方案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由于角度过大，使得受压以外部分发生的形变过大，特别是上模相对位置会发生明显的翘起现象，在定位块的作用下，使整块毛坯发生明显的压扁现象，让后续的挤压存在一定的困难。方案2和方案3由于角度较小，毛坯发生的压扁现象可以忽略不计，但是方案3的分部太多，使得整套方案较为繁琐，生产效率相对的低了不少。
图3为方案2的载荷行程曲线，可以看出载荷变化基本上可以分为3段：1段落中，胚料接触上模，开始形成散热筋；2段落中，上模匀速下压，载荷平缓上升，散热筋逐渐成形；3段为成形终了阶段，载荷开始急剧上升，直至到达停止约束条件，模拟结束。成形完成只需要1160（t），远小于整体模锻成形。
4 结论
（1）建立了制动盘分块模锻成形工艺，通过有限元数值分析模拟了3种不同方案，分析了成形过程中形成载荷、应力场以及总体流动速度的变化规律。
（2）对比3种模拟结果，不同的方案对制动盘成形有着较大的影响。当分块角度较大时，受压以外部分发生的形变过大，给后续挤压造成困难；当角度较小时，过程繁琐，效率低下。只有在角度适中的情况下，才能有效避免这些问题，而且流动速度较快，更利于制动盘的成形，在提高工作效率方面有着显著效果。
参考文献
[1] 夏巨揕.精密零件成形[M].北京：机械工业出版社，2008.
[2] 杨家辉，张丽坤.钢铁材料手册[M].北京：中國标准出版社，2007.
[3] 胡建军，李小平.DEFORM-3D塑性成形CAE应用教程[M].北京：北京大学出版社，2011.
[4] 段园培，张海涛，黄仲佳，等.基于DEFORM-3D的支撑销冷挤压成形数值模拟[J].热加工工艺，2013，42（9）：125-127.