CN103831386B - 一种高速列车制动盘的生产方法及锻造模具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速列车制动盘的生产方法及锻造模具，该锻造模具包括上模和下模，所述上模和下模的上模散热筋型腔和下模腔相配构成封闭式的型腔，该型腔与制动盘的结构相对应；所述下模的底部还设有垫板，该垫板的直径与下模腔直径相同，且垫板的上表面结构与上模散热型腔的结构一一对应，在对制动盘坯料锻造加工时，通过垫板的挤压，在封闭型腔内将金属充满。本发明仅采用较小吨位的摩擦压力机即可满足本需要15000吨以上压力机才能加工的锻造制动盘毛坯，避免制动盘上散热筋两端的缺失，且避免在冷却过程中发生的收缩变形；降低了生产成本，并提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明属于锻造加工技术领域，尤其涉及高速列车制动盘的锻造技术。
背景技术
盘形制动是高速列车的主要制动方式，列车速度达到300公里/小时以上时对制动盘的质量、寿命和安全可靠性提出了更高的要求。高速列车每根车轴要求安装4个制动盘，制动盘的抗摩擦热温度不小于700℃.制动盘可使用的制动功不小于24MJ/盘,高的热负荷条件要求制动盘具有优良的性能以保证较长的使用寿命和安全可靠性。
目前我国高速铁路正在使用的制动盘全部为进口。国内也尚未研制出可用于高速列车的制动盘，因此研究开发适用于我国高速列车的制动盘及盘形制动系统对于发展高速铁路制动技术，掌握自主知识产权提高经济效益均具有重要意义。用作高速列车制动盘的材料主要有铸钢和锻钢两种，铸钢制动盘因铸造成形特点可以制成带有散热筋板的通风结构，结构强度和通风散热效果较好。但国内铸造生产质量不稳定、存在较多铸造缺陷批量生产中容易出现质量问题而影响制动盘的使用。锻造制动盘采用的锻钢材料采用经真空精，精炼后经连铸连轧材料纯净度高、气体含量低，疏松、偏析及非金属夹杂物材料等缺陷少，具有高的抗疲劳性能尤其是具有较好的抗热疲劳性能。同时采用锻造方法的制动盘具有良好的综合力学性能保证制动盘能够承受较大的压力和扭矩，保证其在高负荷工况下使用的安全性。
目前应用在高速列车上的制动盘的外圆直径分别为680、750、1040毫米，内圆直径为280、460、740毫米，考虑到预留加工余量，以直径750毫米的制动盘为例锻件毛坯的外径为775毫米，内径为450毫米(如图1)。其锻件投影面积为3124㎝2，内外飞边的面积按4㎝宽计算为1538㎝2，总投影面积为4662㎝2。盘面上分布48个高度为30毫米长度为120毫米的散热筋48条，总投影面大、形状复杂。按此毛坯形状、尺寸计算锻造力，按经验公式：P=(17.5～28)KF(KN)。复杂系数选25，钢种系数K考虑到材料热强度高、流动性较差，钢种系数选择1.1。P=25×1.1×4662=128205(KN)=12820t。由于盘体上的散热筋其高径（宽）比为2.5其筋顶角部很难充满其锻造力实际上还要增加。
考虑到国内现有的摩擦压力机最大为锻造力为100000KN，更大吨位压力机很少，且生产效率较低。为此在现有设备能力的前提下必须设计一种降低锻造力，同时又能使散热筋顶部充满的制造方法。
发明内容
发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供了一种高速列车制动盘的生产方法及锻造模具，用较小吨位的摩擦压力机加工需15000吨以上压力机才能够加工的锻造制动盘毛坯，生产成本低、生产效率较高、制动盘成型良好。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种高速列车制动盘锻造模具，包括上模和下模，所述上模和下模的上模散热筋型腔和下模腔相配构成封闭式的型腔，该型腔与制动盘的结构相对应；所述下模的底部还设有垫板，该垫板的直径与下模腔直径相同，且垫板的上表面结构与上模散热型腔的结构一一对应。
所述垫板背面设有多个短圆柱，而下模对应的设有多个顶料杆孔，所述垫板通过短圆柱与顶料杆孔的配合实现定位固定。
本发明的另一目的是提供了一种利用上述锻造模具生产高速列车制动盘的方法，包括以下步骤：（1）将短圆棒料加热在1200±50℃，并镦粗成圆饼状，同时冲出直径100mm的中心孔；（2）将带中心孔的圆饼状坯料通过碾环机进行碾压得到圆环坯料；（3）将圆环坯料二次加热到1200±50℃，并将圆环坯料放入锻造模具中的封闭式型腔内，进行锻造成型得到制动盘毛坯；（4）对制动盘毛坯进行冷却，降温至200℃以下，并最后进行车加工带到规定尺寸。
步骤（3）中锻造成型包括3个阶段：第1阶段：上模与圆环坯料接触，圆环坯料开始变形进入上模散热筋型腔内；第2阶段：将锻造力进一步加大到第1阶段的2～3被，此时圆环坯料的金属基本充满散热筋型腔；第3阶段，第2阶段完成后，在下模腔内安装所述垫板，并继续打击锻造使坯料金属向上模散热筋型腔顶部流动，从而充满上模散热筋型腔的顶部角隙。
进一步改进，步骤（4）中对制动盘毛坯进行冷却的同时，制动盘毛坯放入压力机的两平板下加压。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：仅采用较小吨位的摩擦压力机即可满足本需要15000吨以上压力机才能加工的的锻造制动盘毛坯，避免制动盘上散热筋两端的缺失，且避免在冷却过程中发生的收缩变形；降低了生产成本，并提高了生产效。
附图说明
图1为本发明所述高速列车制动盘的结构示意图；
图2a为本发明所述制动盘在锻压第1和2阶段时制动盘的形态示意图；
图2b为本发明所述制动盘在锻压第1和2阶段时锻压模具型腔分布示意图；
图3为本发明所述制动盘在锻压第3阶段时的结构示意图；
图4a为本发明所述垫板的结构示意图；
图4b为图4a的俯视图。
其中，制动盘1、散热筋2、上模3、下模4、垫板5。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1～4所示，本发明所述的高速列车制动盘为圆环盘状，其上表面均匀分布有多个散热筋。为了解决锻造加工时散热筋顶端角部充满，采用了专用锻造模具，该锻造模具包括上模和下模，所述上模和下模的上模散热筋型腔和下模腔相配构成封闭式的型腔，该型腔与制动盘的结构相对应；所述下模的底部还设有垫板，该垫板的直径与下模腔直径相同，且垫板的上表面结构与上模散热型腔的结构一一对应。该垫板通过短圆柱与顶料杆孔的配合实现定位固定。
本发明为解决现有设备锻造制动盘锻造力不足的问题采用如下方法：
1.采用直径250毫米的23CrNiMoV圆钢，用带式锯床下料成规定长度的短圆棒料。
2.感应加热炉加热短圆棒料到1200℃。
3.用2吨电液锤将圆棒料墩粗成圆饼状，并冲出直径100毫米中心孔。
4.将带中心孔的圆饼状坯料用碾环机碾成有一定厚度、外径和锻造模腔相同，内径稍小于模腔内径的圆环。
5.将圆环放入专用中频感应加热炉二次加热到1200℃。
6.采用不带飞边槽的闭式模锻代替带飞边槽的开式模锻：由于减去了制动盘毛坯内外两处环形飞边使锻件的总投影面积减少了1/3，使锻造力相对降低。闭式模锻的特点是坯料在四周封闭的模膛中成型，不产生横向飞边，少量的多余金属形成纵向飞刺。闭式模锻适合锻件几何形状对称，体积准确、设备打击能量可以控制、有顶出装置的压力机。因此采用摩擦压力机进行闭式模锻是适合的。制动盘毛坯几何形状为圆形的对称结构，在尺寸精度上除散热筋要求形状和尺寸准确外其他尺寸和形状、体积要求可以通过后期机械加工实现。
7.采用闭式模锻其变形过程分为3个阶段：1.初成型阶段2.充填阶段3.形成纵向飞刺阶段。第1阶段由上模与坯料接触，坯料开始变形进入上模散热筋型腔，第2阶段锻造力进一步加大到第1阶段的2～3倍，金属基本充满散热筋型腔见图2a），但散热筋顶部角隙没有完全充满，变形区只存在于角部未充满处附近的两个刚性区之间见图2b），第3阶段此时进入模具散热筋型腔的金属基本上已经成为不变形的刚体，散热筋顶部和中心区处于三向压应力状态不易发生塑性变形，只有在极大的模锻力的作用下才能使顶部金属塑性变形充满散热筋顶部，此时产生纵向飞刺，同时由此带来的问题是加大了模具侧壁的压力，增加了模具的磨损。
8.为解决闭式模锻第3阶段锻造力加大、产生纵向飞刺的问题，本发明在第2阶段完成后在制动盘锻造模的下模腔内加入和下模腔直径相同带凸筋的垫板见图3，其凸筋的位置和数量与上模散热筋型腔一一对应，同时垫板背面有3个短圆柱进入锻模下腔的顶料杆孔作为定位，保证对应位置的准确，见图4。这样在第3阶段打击时首先是凸筋的顶部和对应有散热筋的坯料底部接触，并产生局部压力使坯料金属向散热筋顶部流动充满图2b所示散热筋顶部角隙。
9.第4阶段随着凸筋压入坯料，锻造压力加大垫板逐渐和坯料全面接触，完成锻造过程。
10.用顶出器将垫板连同锻造完成的制动盘毛坯顶出下模腔。
11.将制动盘毛坯放入压力机的两平板下加压并保持直到其冷却至200℃以下，使其在冷却过程中不会翘曲、变形。
12.将制动盘毛坯用车床将有凹槽的下平面车平，内外圆加工到规定尺寸。
Claims (3)
1.一种利用锻造模具生产高速列车制动盘的方法，所述锻造模具包括上模和下模，所述上模的上模散热筋型腔和下模的下模腔相配构成封闭式的型腔，该封闭式的型腔与制动盘的结构相对应；所述下模的底部还设有垫板，该垫板的直径与下模腔直径相同，且垫板的上表面结构与上模散热筋型腔的结构一一对应，其特征在于：该生产高速列车制动盘的方法包括以下步骤：
（1）将短圆棒料加热在1200±50℃，并镦粗成圆饼状，同时冲出中心孔；
（2）将带中心孔的圆饼状坯料通过碾环机进行碾压得到圆环坯料；
（3）将圆环坯料二次加热到1200±50℃，并将圆环坯料放入锻造模具中的封闭式的型腔内，进行锻造成型得到制动盘毛坯；
（4）对制动盘毛坯进行冷却，降温至200℃以下，并最后进行车加工得到规定尺寸，对制动盘毛坯进行冷却的同时，制动盘毛坯放入压力机的两平板下加压，其中：
步骤（3）中锻造成型包括3个阶段：
第1阶段：上模与圆环坯料接触，圆环坯料开始变形进入上模散热筋型腔内；
第2阶段：将锻造力进一步加大到第1阶段的2～3倍，此时圆环坯料的金属基本充满上模散热筋型腔；
第3阶段：第2阶段完成后，在下模腔内安装所述垫板，并继续打击锻造使坯料金属向上模散热筋型腔顶部流动，从而充满上模散热筋型腔的顶部角隙。
2.根据权利要求1所述利用锻造模具生产高速列车制动盘的方法，其特征在于：所述垫板背面设有多个短圆柱，而下模对应的设有多个顶料杆孔，所述垫板通过短圆柱与顶料杆孔的配合实现定位固定。
3.根据权利要求1所述利用锻造模具生产高速列车制动盘的方法，其特征在于：所述短圆棒料采用直径250mm的23CrNiMoV圆钢。
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