CN113280060B - 一种激光增材制造的合金钢制动盘及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光增材制造的合金钢制动盘及其制造方法，所述的制动盘包括上盘面(1)、下盘面(2)、爪结构(3)和散热筋(4)，其特征在于，所述的散热筋(4)包括中间的圆柱段和与圆柱段上下两端圆滑过渡并连接的二个圆弧过渡段，所述的上盘面(1)和下盘面(2)内部具有连通m个散热筋(4)相对应的m个散热筋内腔(7)的内流道(9)，上盘面(1)和下盘面(2)的内缘面和外缘面上分别具有多个内流道出口(8)，所述的内流道(9)与内流道出口(8)连通。本发明的合金钢制动盘及其制造方法，采用圆柱形并且中空的散热筋结构，结构简单、重量轻，改善了加工过程中的应力集中现象。

Description

一种激光增材制造的合金钢制动盘及其制造方法

技术领域

本发明属于高速列车制动系统技术领域，具体地说，本发明涉及一种激光增材制造的合金钢制动盘及其制造方法。

背景技术

制动盘是高速列车制动系统的核心工作零件之一，保障乘客的生命财产安全。随着列车不断提速，要求制动盘实现轻量化设计，并且具有更好的制动性能。制动盘的散热方式主要有热对流、热传导和热辐射，其中热对流方式的散热量占总散热量的65％～75％，并且占比随着速度增加而增大。合理的制动盘结构设计有利于提高制动盘的对流换热能力，同时，制动盘的轻量化设计可降低列车的簧下质量，满足列车提速对制动盘的要求。

目前，广泛应用于工业生产中的制动盘制造方法有铸造法和锻造法。铸造法常为砂铸法，使用灰铸铁或低碳合金钢得到制动盘毛坯，然后通过机械加工得到满足使用要求的制动盘。铸铁制动盘铸造性好、摩擦系数稳定，但硬度低、耐磨性差。铸钢制动盘抗热冲击性能好、硬度高，但铸造性较差。锻钢制动盘晶粒细化、综合性能好，但只能生产形状简单的制动盘。使用传统方法加工制动盘均面临着生产环节多、设备要求高、成品率低等问题。

金属增材制造技术是指在高能束作用下金属粉材或丝材发生快速“熔化—凝固”过程，在基板上实现逐层熔融堆积的目的，直接成形得到金属零件的加工方法。该制造技术能够加工复杂异形件，且加工精度高、无需开模，可有效减少加工工序和生产环节，特别适用于产品研发和小批量生产。合理控制金属增材制造的加工工艺，可使增材制造零件的性能优于铸造零件。现有技术中已有采用金属增材制造技术的制动盘制造方法，能够加快制动盘的研发周期，降低综合研制成本。不过，现有技术中采用金属增材制造技术的制动盘，为了方便制作过程中的加工、排渣和后期处理，其散热筋结构还是传统的车辐状条状结构，上盘面和下盘面之间的散热筋横剖面具有多个棱角，存在严重的应力集中现象，降低了制动盘的使用寿命。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种激光增材制造的合金钢制动盘及其制造方法，采用圆柱形并且中空的散热筋结构，结构简单、重量轻，改善了应力集中的现象。

本发明的具体技术方案是一种激光增材制造的合金钢制动盘，包括上盘面、下盘面、爪结构和散热筋，其特征在于，

所述的散热筋包括中间的圆柱段和与圆柱段上下两端圆滑过渡并连接的二个圆弧过渡段，二个圆弧过渡段为旋转体结构并相互对称，其旋转中心线与圆柱段的中心线共线，散热筋位于上盘面和下盘面之间，散热筋的二个圆弧过渡段分别与上盘面和下盘面的内侧表面圆滑过渡并连接，散热筋内部具有中空的散热筋内腔，所述的散热筋内腔为旋转体结构且其旋转中心线与圆柱段的中心线共线，散热筋内腔的两端伸入上盘面和下盘面之中，

所述的散热筋有m个，在以上盘面和下盘面的圆心为圆心的多个圆周上均匀分布，形成n个散热筋圈，最内圈的散热筋圈位于环状的上盘面和下盘面的内缘处，最外圈的散热筋圈位于环状的上盘面和下盘面的外缘处，

所述的上盘面和下盘面内部具有连通m个散热筋相对应的m个散热筋内腔的内流道，上盘面和下盘面的内缘面和外缘面上分别具有多个内流道出口，所述的内流道与内流道出口连通。

更进一步地，所述的散热筋内腔的上下两端为圆锥体结构，能够实现自支撑打印。

更进一步地，所述的散热筋内腔的内壁上具有点阵结构，该点阵结构由多个φ1mm的柱状杆结构均布组成。

4、一种激光增材制造的合金钢制动盘的制造方法，用于制造所述的一种激光增材制造的合金钢制动盘，其特征在于，具体步骤如下：

s1)使用建模软件建立自支撑制动盘的结构模型；

s2)给所述的结构模型添加机械加工余量，形成打印模型，将打印模型导入至切片软件并建立打印支撑模型，添加区域为制动盘爪结构区域以及上盘面和下盘面内外径附近区域，然后使用软件对打印模型进行切片处理，支撑结构为组合支撑，包括实体支撑结构和网格状支撑结构，所述的实体支撑结构为两个连接上盘面和下盘面内侧表面的环状结构，两个环状结构分别位于上盘面和下盘面环状结构的内缘和外缘处，所述的网格状支撑结构也为两个连接上盘面和下盘面内侧表面的环状结构，并且分别位于两个实体支撑结构环状结构的内侧；

s3)使用填充软件对切片处理后的模型进行增材制造打印参数填充，包括激光功率、打印速度、扫描间距和层间距，将包含打印参数的切片文件导入至增材制造生产设备中，完成所述制动盘数据文件的准备工作；

s4)使用选择性激光熔化技术完成制动盘坯料的加工；

s5)制动盘坯料打印结束后，使用压缩空气清理实体支撑结构和网格状支撑结构以及散热筋中空结构内部未熔化的金属粉末，然后对制动盘坯料和基板的组合零件进行去应力退火，之后使用线切割技术将制动盘坯料与基板分离，得到独立的制动盘坯料；

s6)后处理去除制动盘坯料的打印支撑结构，使用数控机床对上盘面、下盘面和爪结构进行机械加工，最终得到激光增材制造的合金钢制动盘。

更进一步地，所述的步骤s2中切片软件切片处理过程中使用大层厚增材制造技术，单层打印厚度为0.05mm。

更进一步地，所述的步骤s3中激光功率为340W，扫描速度为736mm/s，扫描间距为0.12mm，扫描策略为短直线条带扫描，层间旋转67度。

更进一步地，所述的步骤s4中使用的基板为Q235基板，打印过程中对基板进行加热，预热温度为60℃，打印保护气体为99.9％氩气。

更进一步地，所述的步骤s4中使用的金属粉末为24CrNiMo低碳合金钢粉末，粒径分布为18—53μm，霍尔流速为15.8s。

更进一步地，所述的步骤s5中使用去应力退火热处理工艺为4h升温至600℃保温4h后，然后随炉冷却。

本发明的有益效果是1)本发明的制动盘的上下盘面结构通过散热筋结构相连，采用圆柱形散热筋，为全方位的通风散热结构，完全优于车辐条状散热筋结构，实现制动盘增加散热面积和减轻重量的目的。2)采用的圆柱形散热筋结构，结构简单、重量轻，也改善了应力集中的现象；3)选用圆弧过渡结构实现上盘面结构(悬空区域)的自支撑打印，简化了增材制造后处理工序，提高了产品的成品率。4)散热筋的中空结构形成散热筋内腔，一方面能够实现制动盘的结构轻量化，另一方面能够缩短加工时间。散热筋的中空结构通过内流道进行连通，方便清理增材制造过程中产生的未熔融的金属粉末；5)散热筋内腔的内壁上具有点阵结构，能够实现制动盘增材制造成形过程中的控形目标，减小零件的变形量。增加了中空的散热筋内腔区域的结构刚度，为上盘面打印提供支撑结构，防止上盘面翘曲变形。制动盘使用过程中内部空腔区域更易形成湍流，加快对流换热；6)散热筋结构具有很高的设计自由度，调整散热筋的尺寸和位置能够提高制动盘的散热能力。金属增材制造技术得到的制动盘坯料接近传统加工过程的半精加工阶段，缩短产品研发周期；7)在增材制造阶段，在盘面结构的内外径区域使用实体+网格支撑结构的打印支撑。增材制造结束后，使用去除应力的热处理操作，减小增材制造阶段的残余应力。能够有效地对增材制造合金钢制动盘的变形进行控制；8)能够使用响应面法对散热筋的尺寸进行优化，提高制动盘的散热性能和散热的均匀性。

本发明所制备的制动盘具有优良的综合使用性能，各项指标均优于制动盘的使用要求，产品的组织结构均匀致密，有利于缓解制动盘热点效应等问题。

附图说明

图1本发明的激光增材制造的合金钢制动盘的立体结构示意图；

图2本发明的激光增材制造的合金钢制动盘的纵剖面立体结构示意图(未画出内流道)；

图3本发明的激光增材制造的合金钢制动盘的内流道处的横剖面立体结构示意图(未画出内流道与散热筋内腔相贯的结构)；

图4本发明的激光增材制造的合金钢制动盘的局部纵剖面立体结构示意图(展示内流道与散热筋内腔的关系和打印时的支撑方案)；

图5为本发明的激光增材制造的合金钢制动盘的制造方法流程图；

图6为本发明的一个具体实施例中的增材制造24CrNiMo粉末的粒径分布情况图。

图中，上盘面1，下盘面2，爪结构3，散热筋4，实体支撑结构5，网格状支撑结构6，散热筋内腔7，内流道出口8，内流道9。

具体实施方式

下面结构说明书附图对本发明的具体技术方案作进一步地描述。

如附图1－4所示，本发明的一种激光增材制造的合金钢制动盘，包括上盘面1、下盘面2、爪结构3和散热筋4。

所述的散热筋4包括中间的圆柱段和与圆柱段上下两端圆滑过渡并连接的二个圆弧过渡段，二个圆弧过渡段为旋转体结构并相互对称，其旋转中心线与圆柱段的中心线共线，散热筋4位于上盘面1和下盘面2之间，散热筋4的二个圆弧过渡段分别与上盘面1和下盘面2的内侧表面圆滑过渡并连接，散热筋4内部具有中空的散热筋内腔7，所述的散热筋内腔7为旋转体结构且其旋转中心线与圆柱段的中心线共线，散热筋内腔7的两端伸入上盘面1和下盘面2之中，所述的散热筋内腔7的上下两端为45°圆锥体结构，能够实现自支撑打印，散热筋内腔7的上下两端距离制动盘毛坯件的上盘面1和下盘面2的外侧表面分别为8mm和12mm。散热筋4的中空的散热筋内腔7能够带带来很多益处，如a.缩短增材制造打印时间，提高加工效率；b.减小打印实体结构过程中内部存在较大残余应力的现象，进而减小零件变形情况，提高产品的打印质量；c.在不降低制动盘的制动效果前提下，能够实现制动盘的轻量化结构设计，减重8.99kg。所述的散热筋内腔7的内壁上具有点阵结构，该点阵结构由多个φ1mm的柱状杆结构均布组成，能够实现制动盘增材制造成形过程中的控形目标，减小零件的变形量。

所述的散热筋4有126个，在以上盘面1和下盘面2的圆心为圆心的多个圆周上均匀分布，形成4个散热筋4圈，最内圈的散热筋4圈位于环状的上盘面1和下盘面2的内缘处，最外圈的散热筋4圈位于环状的上盘面1和下盘面2的外缘处。

所述的上盘面1和下盘面2内部具有连通126个散热筋4相对应的126个散热筋内腔7的内流道9，上盘面1和下盘面2的内缘面和外缘面上分别具有多个内流道出口8，所述的内流道9与内流道出口8连通。

如附图5(图中剖面并未剖在靠近上下盘面内缘处的散热筋中线面处，所以靠近上下盘面内缘处的散热筋处的内流道9未显示)所示，本发明的激光增材制造的合金钢制动盘的制造方法一个具体实施例如下：

s1)通过三维软件设计并建立增材制造AM(Additive Manufacturing)制动盘产品模型，所述金属增材制造高速列车制动盘结构由盘面结构(上盘面1和下盘面2)、爪结构3和散热筋4组成。所述制动盘散热筋外侧采用圆弧过渡结构实现自支撑打印，内侧采用中空结构实现轻量化设计，在散热筋间设计内流道9，方便增材制造过程中未熔融的金属粉末在加工后进行清理。

s2)在所述制动盘产品模型的设计尺寸上增加单边3mm的机械加工余量和4mm的线切割加工余量，得到制动盘增材制造坯料的结构模型(制动盘打印模型)。将打印模型的数字文件导入至切片软件，使用软件创建打印支撑模型，支撑添加区域包括盘面结构内外径附近区域和爪结构区域，其中，边缘区域选择实体支撑结构5，内部区域选择网格支撑结构6；然后使用切片软件对打印支撑模型进行切片处理。

s3)使用填充软件对切片处理后的模型进行打印参数填充，实体结构的激光功率为340W，扫描速度为736mm/s，扫描间距为0.12mm，扫描层厚为0.05mm，扫描方式为短直线条带扫描，层间旋转67度；支撑结构通过减小激光功率、增大扫描速度的方法实现降低能量密度的目的，提高产品的打印质量。然后将包含打印参数的数据文件导入金属增材制造设备的工控机中，完成制动盘坯料打印工序的准备工作。

打印工艺参数

s4)使用选择性激光熔化技术完成所述增材制造制动盘坯料的加工，所用金属粉末为24CrNiMo低碳合金钢粉末，粒径分布为18—53μm，霍尔流速为15.8s。如图6所示，该图为24CrNiMo的金属粉末粒径分布情况；所用打印基板为厚110mm的Q235基板，打印过程中保持基板温度为60℃左右；所用保护气体为高纯度氩气，依靠设备过滤系统保证加工腔室内氧含量小于200ppm，氩气流速保持在2.6m/s左右。生产过程中监测风机速度、铺粉刀具情况，保证打印质量，完成制动盘坯料的增材制造。

s5)使用压缩空气对制动盘坯料零件进行清理，重点清除支撑结构间和散热筋中空结构内部未熔化的金属粉末，使用工业酒精对零件外表面进行擦拭；然后对制动盘坯料和打印基板的组合件进行去应力退火，使用真空退火炉进行处理，工艺参数为4h升温至600℃保温4h后，随炉冷却。然后使用DK7763(锥度)快走丝线切割机床对组合件进行线切割处理，加工参数脉宽80、脉间7、功率5。

s6)对制动盘坯料零件进行增材制造后处理，主要去除制动盘坯料零件的支撑结构。打印模型的结构设计含机械加工余量，可使用数控机床去除实体支撑结构以提高加工效率，使用钳工工具去除网状支撑等结构；对去除支撑结构的制动盘坯料进行机械加工，使用卧式数控车床CAK6180对坯料零件分别进行半精加工和精加工，保证制动盘尺寸和盘面粗糙度满足产品使用要求；使用立式加工中心VMC1270加工用于限位的U型槽和与盘毂配合的通孔结构，完成增材制造制动盘的加工生产。

在增材制造高速列车制动盘各生产环节中，对产品的性能指标进行检测。使用光学显微镜对热处理前的随炉金相块进行孔隙率测试，具有良好的致密性，孔隙率为0.018％；使用万能拉伸机对热处理后的随炉样件进行拉伸试验，性能满足使用要求，拉伸强度为1074MPa，屈服强度为1004MPa；制动盘探伤结果显示未见缺陷；制动盘台架试验(最高速度为250km/h)结果显示制动过程摩擦系数稳定，最高温度较铸钢制动盘低；各项指标均优于制动盘的使用要求。

虽然本发明已经以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (9)

1.一种激光增材制造的合金钢制动盘，包括上盘面（1）、下盘面（2）、爪结构（3）和散热筋（4），其特征在于，

所述的散热筋（4）包括中间的圆柱段和与圆柱段上下两端圆滑过渡并连接的二个圆弧过渡段，二个圆弧过渡段为旋转体结构并相互对称，其旋转中心线与圆柱段的中心线共线，散热筋（4）位于上盘面（1）和下盘面（2）之间，散热筋（4）的二个圆弧过渡段分别与上盘面（1）和下盘面（2）的内侧表面圆滑过渡并连接，散热筋（4）内部具有中空的散热筋内腔（7），所述的散热筋内腔（7）为旋转体结构且其旋转中心线与圆柱段的中心线共线，散热筋内腔（7）的两端伸入上盘面（1）和下盘面（2）之中，

所述的散热筋（4）有m个，在以上盘面（1）和下盘面（2）的圆心为圆心的多个圆周上均匀分布，形成n个散热筋（4）圈，最内圈的散热筋（4）圈位于环状的上盘面（1）和下盘面（2）的内缘处，最外圈的散热筋（4）圈位于环状的上盘面（1）和下盘面（2）的外缘处，

所述的上盘面（1）和下盘面（2）内部具有连通m个散热筋（4）相对应的m个散热筋内腔（7）的内流道（9），上盘面（1）和下盘面（2）的内缘面和外缘面上分别具有多个内流道出口（8），所述的内流道（9）与内流道出口（8）连通。

2.根据权利要求1所述的一种激光增材制造的合金钢制动盘，其特征在于，所述的散热筋内腔（7）的上下两端为圆锥体结构，能够实现自支撑打印。

3.根据权利要求2所述的一种激光增材制造的合金钢制动盘，其特征在于，所述的散热筋内腔（7）的内壁上具有点阵结构，该点阵结构由多个φ1mm的柱状杆结构均布组成。

4.一种激光增材制造的合金钢制动盘的制造方法，用于制造如权利要求1所述的一种激光增材制造的合金钢制动盘，其特征在于，具体步骤如下：

s1）使用建模软件建立自支撑制动盘的结构模型；

s2）给所述的结构模型添加机械加工余量，形成打印模型，将打印模型导入至切片软件并建立打印支撑模型，添加区域为制动盘爪结构区域以及上盘面（1）和下盘面（2）内外径附近区域，然后使用软件对打印模型进行切片处理，支撑结构为组合支撑，包括实体支撑结构（5）和网格状支撑结构（6），所述的实体支撑结构（5）为两个连接上盘面（1）和下盘面（2）内侧表面的环状结构，两个环状结构分别位于上盘面（1）和下盘面（2）环状结构的内缘和外缘处，所述的网格状支撑结构（6）也为两个连接上盘面（1）和下盘面（2）内侧表面的环状结构，并且分别位于两个实体支撑结构（5）环状结构的内侧；

s3）使用填充软件对切片处理后的模型进行增材制造打印参数填充，包括激光功率、打印速度、扫描间距和层间距，将包含打印参数的切片文件导入至增材制造生产设备中，完成所述制动盘数据文件的准备工作；

s4）使用选择性激光熔化技术完成制动盘坯料的加工；

s5）制动盘坯料打印结束后，使用压缩空气清理实体支撑结构（5）和网格状支撑结构（6）以及散热筋（4）中空结构内部未熔化的金属粉末，然后对制动盘坯料和基板的组合零件进行去应力退火，之后使用线切割技术将制动盘坯料与基板分离，得到独立的制动盘坯料；

s6）后处理去除制动盘坯料的打印支撑结构，使用数控机床对上盘面（1）、下盘面（2）和爪结构进行机械加工，最终得到激光增材制造的合金钢制动盘。

5.根据权利要求4所述的一种激光增材制造的合金钢制动盘的制造方法，其特征在于，所述的步骤s2中切片软件切片处理过程中使用大层厚增材制造技术，单层打印厚度为0.05mm。

6.根据权利要求5所述的一种激光增材制造的合金钢制动盘的制造方法，其特征在于，所述的步骤s3中激光功率为340W，扫描速度为736mm/s，扫描间距为0.12mm，扫描策略为短直线条带扫描，层间旋转67度。

7.根据权利要求6所述的一种激光增材制造的合金钢制动盘的制造方法，其特征在于，所述的步骤s4中使用的基板为Q235基板，打印过程中对基板进行加热，预热温度为60℃，打印保护气体为99.9%氩气。

8.根据权利要求7所述的一种激光增材制造的合金钢制动盘的制造方法，其特征在于，所述的步骤s4中使用的金属粉末为24CrNiMo低碳合金钢粉末，粒径分布为18—53μm，霍尔流速为15.8s。

9.根据权利要求8所述的一种激光增材制造的合金钢制动盘的制造方法，其特征在于，所述的步骤s5中使用去应力退火热处理工艺为4h升温至600℃保温4h后，然后随炉冷却。

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