CN108274094A - 列车制动盘类构件的gmaw增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种列车制动盘类构件的GMAW增材制造方法，步骤如下：先将基板安装在变位机上，采用多层多道的方法堆积下盘片与辅助小圆柱，待下盘片与辅助小圆柱堆积成形后，在下盘片的上表面堆积散热筋直至达到尺寸要求；基于GMAW焊枪倾斜的方式，在辅助小圆柱外壁，先堆积成形上盘片内径区域及上盘片的前N层；利用多层多道的方法沿上盘片内径完成剩余盘片的堆积；沿上盘片的内径进行切割，取下内径内前N层金属，同时将堆积的列车制动盘类构件从基板上切割下来；本发明能有效减少零件在加工过程中产生的气孔、缩松、缩孔等缺陷，并提高了零件的力学性能，同时缩短列车制动盘类构件制造周期。

Description

列车制动盘类构件的GMAW增材制造方法
技术领域
本发明属于电弧增材制造技术领域，具体涉及一种列车制动盘类构件的熔化极气体保护电弧(Gas Metal Arc Welding，GMAW)增材制造方法。
背景技术
制动技术是影响列车提速的重要因素，高速列车的制动装置或制动方式是保证列车安全运行的关键问题之一。近些年，世界高速列车基础制动装置均采用盘形制动，这种类形的制动盘具有效能稳定性好、易保养维修、热膨胀量小等特点。通常列车制动盘类构件是用整体铸造的方法来制造，该方法具有适用范围广、可成形形状复杂的构件、精加工的工作量小等优点，但整体铸造生产工序繁多，工艺过程较难控制，铸件易产生气孔、缩松、缩孔、冷隔和浇不足等缺陷，这会影响制动盘的耐磨性、耐热性以及力学性能严重受损。因此，有必要探究一种新的制动盘类构件的制造方法来解决上述难题。
GMAW增材制造是一种以电弧作为热源的金属零件增材制造技术。相比其他增材制造方法，GMAW增材制造具有设备简单、能量利用率高、机械化和自动化等特点，可用于制造中大型金属构件，使构件具有更优良的冶金结合以及力学性能，在航天、汽车、轮船等领域有广泛的应用前景，本发明采用GMAW增材制造直接成形列车制动盘类构件来解决传统整体铸造中存在的难题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种列车制动盘类构件的GMAW增材制造方法，为列车制动盘类构件在生产过程中产生的各种缺陷以及工序繁多等问题提供一种解决方案，从而提高列车制动盘类构件的力学性能，并减少制造周期和成本。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种列车制动盘类构件的GMAW增材制造方法，所述的列车制动盘类构件包括3部分：下盘片、散热筋和上盘片，以GMAW为热源，采用多层多道的方法堆积下盘片与辅助小圆柱，所述辅助小圆柱是以下盘片内径中心为圆心，并位于基板上表面的圆柱，待下盘片与辅助小圆柱堆积成形后，在下盘片的上表面堆积散热筋直至达到尺寸要求；基于GMAW焊枪倾斜的方式，在辅助小圆柱外壁，先堆积成形上盘片内径区域及上盘片的前N层；利用多层多道的方法沿上盘片内径完成剩余盘片的堆积；采用线切割机沿上盘片的内径进行切割，取下内径内前N层金属，同时将堆积的列车制动盘类构件从基板上切割下来。
作为优选方式，所述的列车制动盘类构件的散热筋呈圆柱形，下盘片与上盘片通过散热筋连接，散热筋与上、下盘片垂直，且均匀分布在盘片上。
作为优选方式，本发明方法进一步包括以下几个步骤：
步骤一：将基板安装在变位机上，使基板工作面处于水平，调整GMAW焊枪，使GMAW焊枪轴线垂直于基板平面，在基板上选择辅助小圆柱与下盘片的堆积起始点，采用多道搭接的堆积方法，每堆积一道，GMAW焊枪沿外径侧移4-8mm，完成辅助小圆柱第一层与下盘片第一层的堆积；GMAW焊枪沿外径侧移量设定为4-8mm的原因是：堆积下盘片时，根据选择的堆积电流与焊接速度，得到堆积层的宽度在6-12mm的范围内，采用多道搭接的堆积方法时，为了使每一道堆积层搭接良好，GMAW焊枪侧移2/3的堆积层宽度，所以GMAW焊枪沿外径侧移4-8mm。
步骤二：按设计尺寸，采用多层多道的方法，逐层堆积辅助小圆柱与下盘片，每堆积一层，旋转变位机，GMAW焊枪升高一个堆积层的高度，直至所述辅助小圆柱与下盘片的高度达到下一层将要堆积的散热筋下表面所处的设计高度；
步骤三：调整GMAW焊枪位置，确定路径，继续堆积辅助小圆柱，同时在下盘片上开始堆积散热筋，直至所述散热筋与辅助小圆柱的直径和高度达到所要求的设计尺寸，待散热筋堆积完成后，在辅助小圆柱上继续堆积N层；
步骤四：调整GMAW焊枪位置，开始堆积上盘片内径区域及上盘片，将GMAW焊枪置于辅助小圆柱外壁，并使它与辅助小圆柱顶部平面成一定角度γ，确定起弧位置，同时开启变位机使它旋转一周，完成上盘片内径区域第一道堆积；
步骤五：将GMAW焊枪沿外径侧移4-6mm，不断重复步骤四，完成上盘片内径区域及上盘片第一层的堆积，并使所述上盘片内径区域的直径与上盘片的外直径达到所要求的设计尺寸，继续逐层对上盘片内径区域及上盘片进行堆积，直至堆积到第N层为止；GMAW焊枪沿外径侧移量设定为4-6mm的原因是：堆积上盘片内径区域及上盘片时，根据选择的堆积电流与焊接速度，得到堆积层的宽度在6-10mm的范围内，采用多道搭接的堆积方法时，为了使每一道堆积层搭接良好，GMAW焊枪侧移2/3的堆积层宽度，所以GMAW焊枪沿外径侧移4-6mm。
步骤六：按设计尺寸，采用多层多道的方法，沿上盘片内径逐层堆积剩余盘片，每堆积一层，旋转变位机，GMAW焊枪沿外径侧移4-8mm，直至所述上盘片的高度达到所要求的设计尺寸；GMAW焊枪沿外径侧移量设定为4-8mm的原因是：堆积上盘片时，根据选择的堆积电流与焊接速度，得到堆积层的宽度在6-12mm的范围内，采用多道搭接的堆积方法时，为了使每一道堆积层搭接良好，GMAW焊枪侧移2/3的堆积层宽度，所以GMAW焊枪沿外径侧移4-8mm。
步骤七：采用线切割机沿上盘片的内径进行切割，取下内径内前N层金属，同时将堆积的列车制动盘类构件从基板上切割下来。
作为优选方式，N的范围为2-4层。N的范围设定为2-4层的原因是：当N＜2时，在沿上盘片内径堆积剩余盘片的过程中，已堆积好的上盘片内径区域及上盘片太薄容易出现烧穿等现象，不利于剩余上盘片的堆积；当N＞4时，上盘片内径区域及上盘片层数已经满足堆积剩余盘片的要求，再堆积上盘片内径区域会导致成本增加，也不便于切割机进行切割。)
作为优选方式，γ的范围为0°-30°。γ的范围设定为0°-30°的原因是：当γ＞30°时，堆积层沿一定倾斜角生长，无法使成形后的上盘片内径区域及上盘片与下盘片保持水平。)
本发明的效果在于：本发明采用GMAW增材制造方法对列车制动盘类构件进行成形，先用多层多道的方法堆积下盘片与辅助小圆柱，待下盘片与辅助小圆柱堆积完成后，在下盘片上堆积散热筋，并基于GMAW焊枪倾斜的方式，在辅助小圆柱外壁，先堆积成形上盘片内径区域及上盘片的前N层，利用多层多道的方法沿上盘片内径完成剩余盘片的堆积，成形后的构件由全焊缝金属组成，具有致密度高、冶金结合性能好、化学成分均匀、力学性能好等特点，有效解决了传统整体铸造中存在的难题，因此与传统整体铸造比较，本发明有以下优点：本发明方法有效克服了构件在生产过程中产生的气孔、缩松、缩孔、冷隔和浇不足等缺陷；提高了构件的强度、硬度等力学性能，且制造成本低、材料利用率高；使生产工序显著减少，同时省去了设计、加工模具的时间和费用，使列车制动盘类构件研制周期短、制造效率高。
附图说明
图1(a)是下盘片第一道及辅助小圆柱第一层堆积完成后的示意图，(b)是下盘片第二道堆积完成后的示意图，(c)是下盘片第一层堆积完成后的示意图；
图2是下盘片堆积完成后的示意图；
图3(a)是散热筋堆积完成后的示意图；
图3(b)是散热筋堆积完成后的散热筋分布的俯视图；
图4(a)是焊枪与辅助小圆柱外壁所成角度γ的示意图；
图4(b)是在辅助小圆柱外壁完成上盘片内径区域第一道的示意图；
图5是完成上盘片内径区域及上盘片第N层后的示意图；
图6是沿上盘片内径逐层堆积剩余盘片后的示意图；
图7是上盘片完成线切割，取出上盘片内径前N层金属后的示意图；
图8是将列车制动盘类构件从基板上切割下来后的示意图。
图9是列车制动盘类构件各个部位的示意图。
其中1为上盘片，2为下盘片，3为散热筋，4为辅助小圆柱。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如图8所示，本实施例要实现的上述列车制动盘类构件的GMAW增材制造，其构件下盘片的外径设计尺寸为630mm，内径尺寸为350mm，高度为25mm；散热筋呈圆柱形，下盘片2与上盘片1通过散热筋连接，散热筋与上、下盘片垂直，且均匀分布在盘片上；散热筋的直径为20mm，高度为36mm；上盘片的外径设计尺寸为630mm，内径尺寸为350mm，高度为25mm；电弧填丝增材制造试验平台为：电弧增材制造电源为熔化极气体保护Fronius TPS4000焊机，熔化极气体保护焊枪安装在ABB六轴机器人第六轴末端上，通过机器人控制焊枪的运动和姿态调整。增材制造工艺参数为：下盘片堆积电流150A，电弧电压22V，焊枪行走速度5mm/s，散热筋堆积电流120A，电弧电压20.8V，焊枪行走速度3mm/s，上盘片内径区域堆积电流120A，电弧电压20.8V，焊枪行走速度3mm/s，上盘片堆积电流150A，电弧电压22V，焊枪行走速度5mm/s，堆积保护气为95％Ar+5％CO2，气体流量为18L/min，填充丝材为H08Mn2Si低碳钢焊丝，焊丝直径为1.2mm，基板为Q235低碳钢板，基板尺寸为800mm×800mm×20mm。
步骤一：将基板安装在变位机上，使基板工作面处于水平，调整GMAW焊枪，使GMAW焊枪轴线垂直于基板平面，在基板上选择辅助小圆柱与下盘片的堆积起始点，采用多道搭接的堆积方法，每堆积一道，GMAW焊枪沿外径侧移5.5mm，完成辅助小圆柱4第一层与下盘片第一层的堆积，如图1(a)、(b)和(c)所示。
步骤二：按设计尺寸，采用多层多道的方法，逐层堆积辅助小圆柱与下盘片，每堆积一层，变位机旋转60°，GMAW焊枪升高1.5mm，直至所述辅助小圆柱与下盘片的高度达到下一层将要堆积的散热筋3下表面所处的设计高度，如图2所示。
步骤三：调整GMAW焊枪位置，确定路径，采用多层多道的方法，继续逐层堆积辅助小圆柱，同时在下盘片上开始堆积散热筋，每堆积一层GMAW焊枪升高1.5mm，直至所述散热筋与辅助小圆柱的直径和高度达到所要求的设计尺寸，对散热筋堆积完成后再对辅助小圆柱堆积3层，如图3(a)、(b)所示。
步骤四：调整GMAW焊枪位置，开始堆积上盘片内径区域与上盘片，将GMAW焊枪置于辅助小圆柱外壁，并使它与辅助小圆柱顶部平面成15°，确定起弧位置，同时开启变位机使它旋转一周，完成上盘片内径区域第一道堆积，如图4(a)、(b)所示。
步骤五：将GMAW焊枪沿径向平移5mm，不断重复步骤四，完成上盘片内径区域及上盘片第一层的堆积，并使所述上盘片内径区域的直径与上盘片的外直径达到所要求的设计尺寸，继续逐层对上盘片内径区域与上盘片进行堆积，每堆积一层变位机旋转60°，GMAW焊枪升高1.5mm，直至堆积到第3层为止，如图5所示。
步骤六：按设计尺寸，采用多层多道的方法，沿上盘片内径逐层堆积剩余盘片，每堆积一层，变位机旋转60°，GMAW焊枪沿外径侧移5.5mm，直至所述上盘片的高度达到所要求的设计尺寸，如图6所示。
步骤七：采用线切割机沿上盘片的内径进行切割，取下内径内前3层金属，同时将堆积的列车制动盘类构件从基板上切割下来，如图7、8所示。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种列车制动盘类构件的GMAW增材制造方法，所述的列车制动盘类构件包括3部分：下盘片、散热筋和上盘片，其特征在于：以GMAW为热源，采用多层多道的方法堆积下盘片与辅助小圆柱，所述辅助小圆柱是以下盘片内径中心为圆心，并位于基板上表面的圆柱，待下盘片与辅助小圆柱堆积成形后，在下盘片的上表面堆积散热筋直至达到尺寸要求；基于GMAW焊枪倾斜的方式，在辅助小圆柱外壁，先堆积成形上盘片内径区域及上盘片的前N层；利用多层多道的方法沿上盘片内径完成剩余盘片的堆积；采用线切割机沿上盘片的内径进行切割，取下内径内前N层金属，同时将堆积的列车制动盘类构件从基板上切割下来。
2.根据权利要求1所述的列车制动盘类构件的GMAW增材制造方法，其特征在于：所述的列车制动盘类构件的散热筋呈圆柱形，下盘片与上盘片通过散热筋连接，散热筋与上、下盘片垂直，且均匀分布在盘片上。
3.根据权利要求1或2所述的列车制动盘类构件的GMAW增材制造方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤一：将基板安装在变位机上，使基板工作面处于水平，调整GMAW焊枪，使GMAW焊枪轴线垂直于基板平面，在基板上选择辅助小圆柱与下盘片的堆积起始点，采用多道搭接的堆积方法，每堆积一道，GMAW焊枪沿外径侧移4-8mm，完成辅助小圆柱第一层与下盘片第一层的堆积；
步骤二：按设计尺寸，采用多层多道的方法，逐层堆积辅助小圆柱与下盘片，每堆积一层，旋转变位机，GMAW焊枪升高一个堆积层的高度，直至所述辅助小圆柱与下盘片的高度达到下一层将要堆积的散热筋下表面所处的设计高度；
步骤三：调整GMAW焊枪位置，确定路径，继续堆积辅助小圆柱，同时在下盘片上开始堆积散热筋，直至所述散热筋与辅助小圆柱的直径和高度达到所要求的设计尺寸，待散热筋堆积完成后，在辅助小圆柱上继续堆积N层；
步骤四：调整GMAW焊枪位置，开始堆积上盘片内径区域及上盘片，将GMAW焊枪置于辅助小圆柱外壁，并使它与辅助小圆柱顶部平面成一定角度γ，确定起弧位置，同时开启变位机使它旋转一周，完成上盘片内径区域第一道堆积；
步骤五：将GMAW焊枪沿外径侧移4-6mm，不断重复步骤四，完成上盘片内径区域及上盘片第一层的堆积，并使所述上盘片内径区域的直径与上盘片的外直径达到所要求的设计尺寸，继续逐层对上盘片内径区域及上盘片进行堆积，直至堆积到第N层为止；
步骤六：按设计尺寸，采用多层多道的方法，沿上盘片内径逐层堆积剩余盘片，每堆积一层，旋转变位机，GMAW焊枪沿外径侧移4-8mm，直至所述上盘片的高度达到所要求的设计尺寸；
步骤七：采用线切割机沿上盘片的内径进行切割，取下内径内前N层金属，同时将堆积的列车制动盘类构件从基板上切割下来。
4.根据权利要求1或2或3所述的列车制动盘类构件的GMAW增材制造方法，其特征在于：N的范围为2-4层。
5.根据权利要求3所述的列车制动盘类构件的GMAW增材制造方法，其特征在于：γ的范围为0°-30°。
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